二灰土改良风积土可行性试验研究

薛晓辉,扈世民

(1.陕西铁路工程职业技术学院建筑工程系, 陕西渭南 714099； 2.北京交通大学土木与建筑工程学院,北京 100044)

1 概述

风积土为地表岩层在长期风化、侵蚀与搬运作用下形成的堆积物，广泛分布于我国北方地区。目前，我国铁路建设迎来了跨越式发展的新时期，大量的高速铁路穿越风积土分布区域，如何确保风积土路基稳定性成为设计与施工面临的重要课题[1-4]。

风积土具有显著的结构性，这是由风积土沉积过程中形成的结构状态决定的，张炜教授通过三轴试验得出风积土应力应变曲线存在明显的峰值即结构屈服应力，当应力值超过结构屈服应力，土体抗剪强度迅速衰减，残余强度很小，易引发路基不均匀沉降、路面开裂与翻浆冒泥等病害，因此，风积土的改良成为急需解决的课题。

由于二灰土具有抗剪强度高、水稳性好、有效利用工业废料和工程成本较低等优点，二灰土成为东北地区主要路基填料，适用于广泛分布的风积土地层。二灰土通过在风积土中按一定配比掺入粉煤灰与石灰土的轻型填料，采用室内实验研究二灰土改良风积土的作用，主要通过路基土的各项力学参数进行对比分析，通过实验对比研究二灰改良风积土的可行性[5]。

2 二灰改良风积土强度形成机理

二灰改良风积土强度的形成为一系列物理化学反应的过程，主要表现为粉煤灰与石灰的活性化学物质水化反应的结果，化学反应方程式如下：

由水化反应方程式，二灰改良风积土土强度的形成可概括为3个阶段。

(1)粉煤灰主要组成物质为氧化铝(Al2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)和二氧化硅(SiO2)等化合物。以上3种化合物与氢氧化钙(Ca(OH)2)发生水化反应产生硅酸钙(CaO·SiO2·nH2O)、水化铝酸钙(CaO·Al2O3·nH2O)和水化铁酸钙( CaO·Fe2O3·nH2O)等。

(2)在氧气作用下，二灰土水化反应产生的化合物逐渐硬化进一步形成固体颗粒。在冲击碾压作用下，二灰土固体颗粒胶结并积聚成为较大的团状结构，至此二灰土改良土的强度大于其任一种组成成分。

(3)二灰土改良土的水化反应过程一直持续到反应基本平衡，整个水化反应的时间较长，在此过程中二灰土改良土的强度表现为单调递增。

3 二灰改良风积土击实特性分析

3.1 试验土样的制备

试验材料选取路基试验段典型风积土，Ⅲ级石灰土((Cao+Mgo)总含量为58%)，Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰各组成成分含量如表1所示。

表1 粉煤灰主要化学成分 %

在已有实验研究的基础上，确定二灰土改良方案中石灰与粉煤灰的比例范围为1∶2～1∶4；室内试验选取石灰：粉煤灰：风积土的配比1∶2∶7、1∶3∶6和1∶4∶5等3种方案进行实验分析。

3.2 改良土最佳含水率的影响

最优含水率与最大干密度为反映改良土压实特性的重要指标，采用击实实验确定其相应最优含水率。选取3种配比改良土进行室内试验，击实曲线如图1～图3所示[6-7]。

图1 配比1∶2∶7击实曲线

图2 配比1∶3∶6击实曲线

图3 配比1∶4∶5击实曲线

由不同配比的击实曲线可得出：

(1)粉煤灰密度远小于土体密度，粉煤灰含量越大，改良土的最大干密度越小，所以二灰改良土的最大干密度与粉煤灰含量表现为负相关性；

(2)粉煤灰百分比变化对最优含水率的影响在±1.5%范围内；

(3)风积土的结构性表现出一定的水敏性，当粉煤灰含量增大时，风积土的水敏性得到显著改善，表现为改良土的最优含水率范围较大。

3.3 击实功对改良土最大干密度的影响

最优含水率与最大干密度为反映改良土压实特性的重要指标，路基的压实功通过不同的击实功来实现，通过室内击实试验研究不同击实功对改良土最大干密度的影响，见图4。

图4 不同击实功改良土最大干密度对比

由不同配比击实曲线可得出：

(1)改良土饱和曲线近似表现为线弹性，即改良土的饱和度近似为一个定值，击实功对其无影响；

(2)在27击、54击、81击等击实功作用下，改良土最大干密度连线与饱和曲线近似平行；

(3)随着击实次数的增大，改良土最大干密度随之增大，饱和度与含水率呈正相关性；

(4)由于风积土具有明显的结构性，仅通过增大击实功来提高抗剪强度较为困难，但通过一定配比进行二灰土改良有效改善了风积土的粒径级配，当增大击实功时，二灰改良土的干密度显著提高，改良效果较为明显。

4 改良土抗剪强度特性试验分析

为进一步研究各项因素对改良土路基抗剪强度的影响，分别选取不同配比、含水率、围压与应力路径等因素，采用室内排水固结三轴剪切试验(CD)分析二灰改良土的抗剪强度特性[8-10]。

4.1 配比对改良土抗剪强度的影响

图5为最佳含水率18.4%、压实度96%、围压200 kPa条件下二灰改良土的抗剪强度试验结果。

图5 不同配比对二灰改良土抗剪强度影响

由图5可以得出：

(1)结构性使得风积土达到结构屈服应力后抗剪强度急剧衰减，相应应力-应变关系表现出应变硬化特性，通过二灰土改良后土体逐渐转变为应变软化，抗剪强度显著增强；

(2)填料残余强度为影响路基使用寿命重要指标，通过二灰土改良风积土有效提高其残余强度，有利于保证高速铁路具有较长的使用寿命。

4.2 密实度对改良土抗剪强度的影响

图6为最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、围压200 kPa条件下二灰改良土的抗剪强度试验结果，Coulomb抗剪强度理论认为黏聚力与内摩擦角为影响土体抗剪强度的2个主要方面，其中黏聚力主要由土颗粒间相互引力构成，故土颗粒的密实程度成为重要影响因素。

图6 不同密实度对二灰改良土抗剪强度影响

由图6可以看出，随着改良土密实度的增大，土颗粒间距逐渐缩小，颗粒间产生错动位移所需摩擦力就越大，当改良土密实度从94%增至96%，黏聚力增加了16.6 kPa，内摩擦角增加了1.2°，可见二灰改良土的密实度对黏聚力的影响较大，改良土的抗剪强度随之增大。二灰改良土室内试验的剪切过程可分为2部分。

(1)剪缩阶段：试验土样产生剪缩变形，表现为密度增大，但抗剪强度增幅较小。

(2)剪胀阶段：随着轴向进一步加载，试验土样产生剪胀变形，表现为密度减小，但抗剪强度增幅较大。

现场实验表明：路基填土密实度K与孔隙率e密切相关，但二者相互关系难以量化。张亮梅等通过大量现场对比试验得出最佳含水率条件下二者经验公式

式中，eao为最佳含水率条件下路基土孔隙率；et为路基土实测孔隙率；ρmax为路基土最大干密度，g/cm3。

现场实验表明路基填土达到最佳含水率，含水率小幅度波动对路基压实影响较大；选取密实度和孔隙率两者作为联合指标，密实度96%，孔隙率11.4%作为二灰土改良土路基的的压实标准。

4.3 围压对改良土抗剪强度的影响

图7为最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、不同围压条件下二灰改良土的抗剪强度试验结果。

图7 不同围压对二灰改良土抗剪强度影响

由图7可以看出：

(1)经过一定配比改良后的风积土剪切破坏应力(σ1-σ3)f具有明显峰值，围压为影响剪切破坏应力(σ1-σ3)f的重要因素，二者具有正相关性；

(2)二灰改良后风积土的残余应力得到显著提高，达到剪切破坏应力(σ1-σ3)f的80%以上。

4.4 二灰土强度特性分析

图8为最佳含水率18.4%、灰土配比1∶3∶6、围压200 kPa条件下Mohr剪切破坏包线，可见改良后的风积土仍满足Mohr-Coulomb屈服准则，通过加入一定配比的粉煤灰与石灰土，提高相应的黏聚力与内摩擦角，从而改善风积土抗剪强度特性。

图8 二灰改良土Mohr剪切破坏包线

由室内排水固结三轴剪切试验(CD)分析可得，灰土比、密实度、含水率与围压为影响二灰改良土抗剪强度的特性重要因素，其中灰土比的影响最为显著[11-12]，主要表现如下。

(1)黏聚力

粉煤灰中的SiO2，Al2O3等活性物与Ca(OH)2发生水化反应，双电层厚度与黏土颗粒间的距离减小并相互靠拢，土颗粒间的联接强度显著增强。当粉煤灰含量增大，相应的Ca(OH)2含量减小，粉煤灰中的SiO2，Al2O3等活性物水化反应不充分，宏观上表现为粉煤灰的含量与二灰改良土的抗剪强度呈负相关性。

(2)内摩擦角

粉煤灰中的SiO2，Al2O3等活性物与Ca(OH)2发生水化反应对二灰改良风积土内摩擦角影响较小。主要因为粉煤灰是煤炭充分燃烧后气体悬浮颗粒，颗粒之间内摩擦角φ近可忽略，表现为内摩擦角φ改良效果不明显。

5 结论

采用室内实验研究二灰土改良风积土的作用，主要通过路基土的各项力学参数进行对比分析，通过实验对比研究二灰改良风积土的可行性。

(1)采用二灰土改良风积土作为路基填料，填土的抗剪强度与压实度显著改善，尤其是残余强度，有效保证公路路基的使用寿命。

(2)由于风积土具有明显的结构性，仅通过增大击实功来提高抗剪强度较为困难，但通过一定配比进行二灰土改良有效改善了风积土的粒径级配，当增大击实功时，二灰改良土的干密度显著提高，改良效果较为明显。

(3)二灰改良土的密实度对黏聚力的影响较大，改良土的抗剪强度随之增大。二灰改良土室内试验的剪切过程可分为剪缩与剪胀两部分，随着轴向进一步加载，试验土样密度减小，但抗剪强度增幅较大。

(4)以密实度和孔隙率两者作为联合控制指标，密实度96%，孔隙率11.4%作为二灰土改良土路基的的压实标准。

(5)灰土比、密实度、含水率与围压为影响二灰改良土抗剪强度特性重要因素，其中灰土比影响最为显著，有效提高了改良土黏聚力。

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