二灰土的压缩特性研究

徐奋强,方庆军,陈艳丽,申 征

(1.南京工程学院建筑工程学院,江苏 南京 211167;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;3.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)

二灰土是在土中掺入石灰、粉煤灰和水,经拌和、压实和养护后得到的强度符合规定的一种无机材料[1]。20世纪60年代以来,我国科技工作者对二灰土稳定材料进行了大量的路用研究[2-5]。但多针对二灰土的配比、强度、施工、冻害进行研究,如郭婷婷对二灰土抗剪强度的研究[6],丁庭研究二灰土配比与强度的关系特点,张宏研究了二灰土的抗压、抗剪强度和压缩性随养护龄期的变化特点。随着工程技术人员对其性能要求的不断提高[7],有必要对最优含水率与压缩性的特点开展研究,研究结论可作为相关设计和施工的参考资料。

1 试 验

1.1 试验材料

(1)土样 土样采用粉质黏土,物理参数指标见表1,颗粒分析见表2。

表1 试验土样的基本物理性质指标

(2)石灰 其主要成分为氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO),有效钙镁含量为63.8%,属于Ⅱ级生石灰粉,完全满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)规定的技术指标。

(3)粉煤灰,其主要成分SiO2为48%、Al2O3为18%、Fe2O3为15%、CaO 为5%,烧失量为6%。

表2 土的颗粒分析结果

1.2 试验设备

南京宁曦土壤仪器厂生产的SKDJ-Ⅰ型数控电动击实仪,击实分3层,击数以达到要求的压实度为准,压缩设备采用WG-1B三联固结仪。

1.3 试验试样的制备

试验所采用的配比,石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6。将土样风干碾碎,过5mm筛。测风干含水率,拟定5个不同的含水率试样,分别为12%、14%、16%、18%、20%,二灰土试样配制的含水率为16%、18%、20%、22%、24%。

1.4 试验方法

素土的击实试验方法按照《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)执行。二灰土的击实按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)中的甲法进行击实。

压缩试验采用快速固结法,即1 h试验法,稳定标准为每小时的变形不大于0.005mm。荷载采用100 kPa、200 kPa、300 kPa,数据采用压力间隔 P1=100 kPa至P2=200 kPa时对应的压缩系数a1-2和压缩模量E1-2来评价土的压缩性。压实度采用规定压实度93%、95%和97%,含水率采用17.5%、19.5%和21.5%。每一单项试验做3组平行试验,取其均值作为采信数据,如果三组数据相差较大,数值相差超15%即重新试验,试验结果见表3。

表3 二灰土压缩试验结果

2 试验结果

击实曲线如图1和图2所示。素土的最优含水率为14.0%、最大干密度为1.93 g/cm3;二灰土配合比10∶30∶60,最优含水率为19.5%,最大干密度为1.44 g/cm3。

图1 素土击实曲线

图2 二灰土击实曲线

2.1 压缩试验结果分析

此次压缩试验的主要目的是得到最优含水率19.5%及±2%附近土体的压缩系数和压缩模量,并分析含水率和压实度对此两项指标的影响,试验成果见图3和图4。

图3 不同含水率二灰土的压实度与压缩系数关系曲线

由图3知,当含水率为 17.5%、19.5%时,压缩系数随着压实度的增大而减小。含水率为21.5%时,在压实度约为95.5%时发生突变,当压实度小于95.5%值时,压缩系数随着压实度的增大而减小;而当压实度大于95.5%时,压缩系数随着压实度的增大反而增大。可见含水率对压缩系数的影响还是很大,由于其压缩系数的变化较大,对工程后期质量造成很大的隐患。故有必要在既定设计压实度条件下,对最优含水率附近二灰土压缩系数的变化情况进行试验研究,以采取改变含水率或原材料等措施消除工程隐患。

图4 不同含水率二灰土的压实度与压缩模量关系曲线

从图4中可以看出,当含水率为17.5%、19.5%时,压缩模量随着压实度的增大而增大。当含水率为21.5%时,压缩模量的变化不是呈现简单的增大或减小,而是存在一个峰值,即压缩模量在压实度为95%时大于在压实度97%的数值,即压缩模量在土体压实度增大过程中存在最大值,并存在某一临界压实度,超过此临界压实度,将使土体的强度降低。

导致压缩系数和压缩模量在较高含水率的情况下出现这种现象的原因主要有以下几个方面:

(1)土样在最优含水率附近压实时,初始压实功使二灰土中的空气体积迅速缩小,继续压实,空气却不能及时排出来,压实功主要使土中的空气暂时受到压缩,二灰土中产生较大的孔隙压力和内应力,二灰土中同时也就产生很多裂缝,二灰土强度明显下降,并导致土体抵抗外界荷载的能力降低。

(2)在不断的压实过程中,二灰土颗粒靠近,使颗粒周围的水膜受到不断挤压,导致颗粒接触处的水膜减薄而其他位置的水膜增厚,使得部分结合水变成自由水,二灰土表面甚至出现裂缝,并伴有水流出,以至于不断产生剪切破坏,局部二灰土土体的粘结力降低,二灰土体的整体强度降低,导致二灰土的压缩性增大。

(3)由于素土样的细粒含量高,小于0.074mm的颗粒含量高达86%,并且素土样液限较高,达到32%,具有胀缩性,在含水率大于最优含水率时,二灰土表现出的涨缩性充分显现,导致土体压缩性较大,压缩模量降低。

(4)试样含水率大于最优含水率时,土粒间作用力减弱,土团间的结构性减弱,易产生定向排列,在含水率达到和超过最优含水率以后,土中颗粒排列更加定向化,颗粒间的联结亦很弱[8],尤其对膨胀性粉质黏土,土团间的定向排列趋势更加明显,使试样总体密度变小,压缩变形大,模量变小。

3 结 论

(1)二灰土的压缩系数与压实度的变化关系随含水率的不同具有波动性,不是简单相对的增大和减小,而是存在一个临界压实度,当二灰土处在这个临界压实度时,压缩系数呈现最小值,否则压实度系数都较大。

(2)二灰土的压缩模量在土体最优含水率附近随压实度增大过程中存在最大值,即存在某一临界压实度,超过此临界压实度,将使土体的强度降低。

(3)最优含水率附近,压实度与压缩性异常变化的原因及数量关系还有待深层次的试验研究,国外文献多从颗粒排列、基质吸力等角度进行分析。

[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998:882-930.

[2]Sudhakar M Rao,Revanasiddapa K.Role of soil structure and matric suction in collapse of a compacted clay soil[J].J.Geotechnical Testing,2003,26(1):1-9.

[3]商庆森,刘树堂.影响石灰与二灰稳定细粒土强度因素的控制[J].公路交通科技,2000,17(6):26-29.

[4]张宏,张伯平.养护龄期对二灰土工程特性的影响试验研究[J].人民长江,2004,35(12):26-37.

[5]张养安,鲁有柱,宋佳林.灰土挤密桩复合地基承载力检测与评定[J].水利与建筑工程学报,2005,3(3):40-42.

[6]郭婷婷,张伯平,张宏.二灰土击实性与抗剪强度试验研究[J].长江科学院院报,2004,21(6):38-40.

[7]尹亚雄,梁波,王生新.粉煤灰铁路路基的静动力特性研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(Z2):2824-2828.

[8]Mulder E.A mixture of fly ashes road base construction material[J].Waste Management,Management,1996,16(1-3):15-20.