低液限粉土改良试验研究

2016-04-20张凯华

公路与汽运 2016年2期

关键词：砂砾水泥公路

张凯华

(中咨华美(北京)路桥技术有限公司,湖南长沙 410008)

低液限粉土改良试验研究

张凯华

(中咨华美(北京)路桥技术有限公司,湖南长沙 410008)

摘要:基于室内试验,在粉土中掺配不同比例的水泥、砂砾制作试件进行无侧限抗压强度、回弹模量、CBR试验。试验结果表明,水泥改良粉土的最佳掺量为4%,养生时间为28 d;砂砾改良粉土的最佳掺量为40%,此时改良效果较好且较为经济。

关键词:公路;低液限粉土;水泥;砂砾

路基作为道路结构的主要承载体,其施工质量的好坏直接影响整个道路的使用寿命。粉土作为一种不良路基填料,在中国分布十分广泛。在粉土分布地区修筑道路时,如果对粉土弃之不用而换填其他土质,不仅会导致占地面积增大、建设成本增高,也不符合当前资源节约、环境保护的建设发展理念。因此,如何充分利用粉土,对其进行一定改良使其满足施工质量要求十分重要。

正是在这一建设理念的指导下,许多科研人员进行了相关试验研究,发现使用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合材料对粉土进行改良,效果较显著。但从现场施工结果来看,不同的改良材料其改良粉土的效果有所不同。商庆森等通过采用正交法对二灰改良粉土的强度、压实度、配比率等进行研究,分析了改良粉土的强度形成机理;朱志铎等对水泥、石灰、固化剂的粉土改良效果进行了对比研究,分析了CBR、无侧限抗压强度等指标的变化规律;龚智辉提出了不同无机结合料对改良粉土的最佳掺量,并进行了比较研究。该文在借鉴这些研究成果的基础上,通过对现场粉土土样的改良试验,研究粉土的物理力学变化规律。

1 粉土分布及特性分析

1.1 粉土定名与分类

根据GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》、JTG E40-2007《公路土工试验规程》等规范,粉土为粗粒组含量低于总质量的50%,Ip＜0.73(wl-20)或Ip＜4的细粒土。ASTMD 2487-06美国《工程用土分类规程》对粉土的定名与中国规范的区别在于:美国规范使用的是圆孔筛,中国使用的是方孔筛;两者对液、塑限仪的参数取值有所不同;两者对过渡区范围内的粉土界定有所差异。但国内外对粉土定名的基本共识是要求粉土中大于0.075 mm的颗粒含量小于50%,且塑性指数在A线以下。

此外,中国学者根据粉土形成原因的不同,将粉土细分为风成粉土、水成粉土、残积粉土三大类。其中:风成粉土主要是在风力携带作用下形成,主要分布在丘陵、坡麓等地;水成粉土主要是在水力搬运作用下形成,主要分布在冲洪积扇缘、河流浅滩等地;残积粉土主要是经风化而没有搬运的粉土,主要分布在山地、丘陵地区。

1.2 粉土区域变化规律

粉土在中国的分布十分广泛。相关研究表明,粉土的分布范围具有一定的区域变化规律:

(1)当粉土由西向东变化时,粉土颗粒组成中的粉粒含量逐步增多,砂粒含量逐步减少,而黏粒含量基本保持不变。主要表现在山东三角洲地区的粉粒含量高达90%,中部地区粉土中粉粒含量为50% ～70%,西部地区粉粒含量在30%以下。

(2)当粉土由西向东变化时,粉土中的液限值和塑限值逐渐增大,而塑性指数较为稳定。主要表现在东部地区粉土的液限均值为21.4%,西部地区为33.6%;东部地区粉土的塑限值由15.4%提高到23.6%;全国粉土的塑性指数基本为9.7左右。

1.3 粉土特性分析

粉土作为路基的一种不良填料,受颗粒组成及液、塑限值的影响,实际施工中表现为碾压时干时容易压碎、扬尘大,浸水后容易形成流体状态、强度急剧下降,压实度和强度经常难以满足规范要求。

(1)结构特征。由于粉土中粉粒含量多,其结构特征表现为既有单粒结构,又有蜂窝结构,导致粉土中的毛细管较为发达,对水非常敏感,保水性差,压实时可能导致颗粒不均匀排列。

(2)低强度性。粉土中的颗粒主要靠电引力和毛细水吸附力连接在一起,当水分蒸发后,吸附力降低,强度减弱;当水分过多时,其内聚力大幅降低。因此,粉土的强度十分不稳定,表现为低强度性。

(3)假塑性。粉土中的毛细现象十分发达,其土颗粒间的毛细压力经常受到土粒表面张力的影响而表现出弱小的内聚力,导致在室内试验时经常检测出粉土的液、塑限值不符合锥入深度与含水量(h -w)关系图。

2 水泥改良试验研究

2.1 基础物性指标

依托河南某在建高速公路,针对当地路基填筑使用的粉土进行基础物理指标数据检测,结果如表1、表2所示。

表1 粉土颗粒分析试验结果

表2 粉土级配指标及液、塑限试验结果

根据该土样的颗粒组成及液限、塑限试验结果,其粗粒组含量小于25%,液限值小于50%,为低液限粉土。

2.2 试验方案

路基作为道路工程的主要承载结构,它抵抗车轮荷载的能力主要体现在路基强度上。JTG D30-2004《公路路基设计规范》对填料的回弹模量指标提出了具体要求,且该指标不论是在柔性设计体系还是在刚性设计体系中都得到了广泛应用。因此,下面主要以回弹模量强度指标为评价参数,结合无侧限抗压强度指标分析水泥对粉土的改良效果。

水泥改良粉土试验方案如下:通过改变水泥掺量(2%～5%)研究粉土的回弹模量、无侧限抗压强度变化规律。首先,通过击实试验制备不同水泥掺量的粉土试件,进行不同时间的养生后测定其回弹模量、无侧限抗压强度值;然后对数据进行分析,得到最佳水泥用量,以达到降低工程费用的目的。

2.3 强度指标分析

2.3.1 无侧限抗压强度

对粉土分别掺加2%、3%、4%、5%的水泥,通过重型击实仪制备试件,每种水泥剂量的试件为6个。将脱模成型的试件分别养生7、28、60、90 d,测试不同水泥掺量粉土在不同养生时间下的无侧限抗压强度,结果如表3所示。

表3 不同水泥掺量粉土在不同龄期下的无侧限抗压强度值

从表3可以看出:1)随着养生时间的增长,无侧限抗压强度不断增大。2)水泥掺量越大,无侧限抗压强度越大。3)随龄期的延长,无侧限抗压强度前期增长较快,后期增长较慢,28 d强度为90 d强度的35%,60 d强度为90 d强度的83%。4)无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而增大,但当剂量超过4%后,强度增长速率有所降低。

2.3.2 回弹模量

回弹模量反映的是土基承载力,是道路工程的重要控制指标。分别对粉土掺加2%、3%、4%、5%的水泥,养生7、28、60、90 d,通过万能压力试验机对成型试件进行压力试验,得到其压力和变形曲线,计算不同掺量、不同养生时间下粉土的回弹模量值,结果如表4所示。

表4 不同水泥掺量粉土在不同龄期下的回弹模量试验结果

由表4可知:1)回弹模量随水泥掺量的增加而增大,当水泥掺量由2%增加到4%时,回弹模量值增幅较大;当掺量超过4%时,增幅降低。2)回弹模量随龄期的增长可分为3个阶段,7～28 d为第一阶段,回弹模量增幅最快;28～60 d为第二阶段,回弹模量增幅降低,增长速率变小;60～90 d为第三阶段,回弹模量的增幅较小。

2.4 试验结论

从水泥掺量、龄期对粉土改良试验结果来看,水泥掺量4%、养生龄期28 d是水泥改良粉土的一个重要控制点。当水泥掺量小于4%、养生龄期小于28 d时,粉土强度仍然有上升空间。当超过这一控制参数时,虽然粉土的强度仍然有所提高,但提高幅度很小,此时的粉土强度指标完全满足规范和施工要求。考虑到工程经济性和现场强度要求,建议水泥改良粉土的掺量为4%、养生时间为28 d。

3 砂砾改良试验研究

3.1 试验机理分析

粉土在路基施工中存在的种种问题,主要是由于其特殊的颗粒结构组成特点所决定的。粉土中粉粒含量较多,缺少足够的砂粒和黏粒,导致其强度较低、水稳定性较差。鉴于此,可以从改善粉土的颗粒级配角度出发,通过对粉土掺加一定比例的其他土壤来改善粉土的强度特性。

砂砾中含有较多的大粒径石料,其颗粒间摩阻力较大、强度较高、级配较好,可以为粉土提供极好的骨架作用。如果对粉土掺加适当比例的砂砾,可使粉土与砂砾间形成紧密的状态。从最大密实度理论的角度,此时粉土与砂砾构成的级配空隙率最小、密实度最大、水稳定性最好,对降低粉土路基的工后沉降、提高粉土路基的强度和水稳定性具有非常重要的作用。因此,可对粉土掺加适当比例的砂砾来改善其颗粒组成结构。

3.2 试验方案设计

根据砂砾土改良粉土的机理,按照体积掺配法将砂砾土和粉土按3∶7、4∶6、5∶5 3种比例进行混合,将掺配好的土样按重型击实法成型试件,分别测定其无侧限抗压强度、回弹模量和CBR指标。

3.3 试验结果分析

3.3.1 无侧限抗压强度

表5为3种掺配比例试件的无侧限抗压强度。

由表5可以看出:砂砾土的掺量越大,粉土的抗压强度越高。掺配比例为5∶5时的抗压强度分别为3∶7、4∶6时的6.5倍和3倍。这是因为砂砾含量的增加,使粉土颗粒间的内摩擦角和摩阻力得到增强,砂砾构成骨架作用,抗压强度得到提高。

表5 不同砂砾土掺配比例下的无侧限抗压强度值

3.3.2 抗压回弹模量

表6为3种掺配比例试件的抗压回弹模量。

从表6可以看出:掺配比例为5∶5时的回弹模量值分别为3∶7、4∶6时的13.5倍和4.7倍。由此可知,当掺配比例超过40%时,试件的受力结构主要由砂砾土承担,其回弹模量值是素粉土的数倍。

3.3.3 CBR强度

3种掺配比例试件的CBR强度值如表7所示。

表7 不同砂砾土掺配比例下的CBR强度值

从表7可以看出:掺配比例为5∶5时的CBR强度值分别为3∶7、4∶6时的3.5倍和2.2倍。当砂砾含量超过40%时,其CBR强度值变化明显,这种规律与无侧限抗压强度、回弹模量随掺配比例变化情况相似。说明40%的砂砾土掺配量改良效果较好且较为经济。在现场施工时,为了提高粉土路基填筑质量,可在粉土中掺加40%的砂砾土进行碾压。