泥质板岩改良土物理力学性质试验

陈乐求, 张家生, 陈俊桦



泥质板岩改良土物理力学性质试验

陈乐求1,2, 张家生2, 陈俊桦2

(1. 湖南理工学院土木建筑工程学院, 湖南岳阳 414006; 2. 中南大学土木工程学院, 长沙 410075)

在泥质板岩土样中掺入质量百分比为4%, 5%, 6%和7%的水泥对土样进行化学改良. 利用击实试验、无侧限抗压强度试验研究水泥掺入量对改良土的最大干密度和最优含水率的影响、以及不同水泥含量下的养护龄期、泡水作用和干湿循环作用对改良土强度的影响, 从强度和水稳性等角度分析和探讨最优水泥含量的选取. 研究结果表明, 最大干密度和最优含水率分别为2.17～2.19 g/cm3和10.4～11.5%, 水泥含量对改良土的最大干密度和最优含水率的影响不大; 随着养护龄期、泡水天数的增加, 养护龄期和泡水作用对改良土强度的影响逐渐变小, 改良土强度趋于稳定; 随着干湿循环次数的增加, 改良土强度逐渐降低, 且降低程度呈减小趋势; 由试验结果确定的最优水泥掺入量为5%. 研究成果可为路基工程中关于改良土中合理水泥含量的确定以及改良土质量评价等研究提供参考.

路基; 无侧限抗压强度; 水稳性; 干湿循环; 水泥改良

引言

对于公路或铁路路基工程, 将就地所取土料应用于路基填筑有利于节约经济成本. 当就地所取土料达不到路基填筑要求时, 如土的级配、土的强度和土的水稳性等不符合路基设计规范的要求时, 需要对土进行改良, 使土满足路基填筑要求. 改良土的方法主要有物理改良和化学改良. 通常情况下, 当土颗粒级配不满足要求时, 采用物理改良方法, 如掺入所需的土颗粒去改变级配; 当土的水稳性不满足要求时, 采用化学改良方法. 化学改良方法一般是通过在土中掺入石灰或者水泥去增强土体内部颗粒间的联接, 从而提高土的强度、刚度和水稳性等[1,2].

从现有研究[2~8]可知, 土的液塑性和击实特性等对控制路基的填筑压实质量至关重要, 如用击实试验测试出的最大干密度等是指导现场填筑压实的重要物理参数. 改良土通常也需要研究这些物理性质. 对于力学性质, 通常情况下公路路基满足填筑要求的主要指标为承载比CBR. 而对于铁路路基填筑, 无侧限抗压强度是评价改良土是否适合填筑路基的重要指标. 目前针对高铁路基基床填筑, 规范要求达到7d龄期的改良土的无侧限抗压强度不小于350kPa. 相对CBR指标, 无侧限抗压强度指标获取较为简单, 且较方便直接应用强度理论评价改良效果. 因此, 目前无侧限抗压试验是评价土的化学改良效果以及研究改良土力学性质的主要方法[7~9]. 实际工程中, 环境条件多变性引起的干湿循环作用或者长期泡水作用是导致铁路路基填料土力学特性退化一个重要原因, 因此, 与通常考虑龄期影响的无侧限抗压试验相比, 泡水后和干湿循环条件下的无侧限抗压试验研究主要针对改良土长期水稳性[10~12], 如文[10]利用泡水和干湿循环条件下的无侧限抗压强度指标评价改良土的耐久性能. 根据日本学者研究[13~15], 土改良后用于路基填料的无侧限抗压强度若大于500kPa, 则在水稳性和力学稳定性方面均可满足要求. 该指标对公路、铁路路基填土的改良均有一定的借鉴意义.

板岩在我国分布较广, 很多公路或者铁路建设项目途径板岩区, 如湖南段内的武广客运铁路建设项目[16]. 泥质板岩破碎后形成的土料遇水易崩解, 水稳性差, 不适合直接应用于填筑路基. 为使泥质板岩土满足路基填筑要求, 需对其进行化学改良. 实际工程中, 合理的石灰或者水泥掺入量既能保证经济效益, 又能确保改良土符合路基填筑要求. 为此, 本文通过在泥质板岩土中掺入不同质量百分比的水泥制作土样, 对改良土样进行击实试验和分别考虑龄期影响、长期泡水和干湿循环作用影响的无侧限抗压强度试验, 研究泥质板岩改良土的物理力学特性, 综合评价改良效果, 以便获得合理的水泥掺入量, 为关于泥质板岩土如何改良、改良后力学特性和水稳性等研究提供参考.

1 改良土试验方案

1.1试验材料

试验取土于岳阳市区. 土样为褐黄色的泥质板岩土, 较松软, 手捏成粉末状, 具吸水性. 土中白云母与绿泥石含量较高[12], 土遇水易软化、崩解. 对路基填筑来说, 泥质板岩土属不良填料.

1.2 试验设计

在土样中掺入水泥进行化学改良. 水泥为普通硅酸盐P.O32.5. 水泥掺入量质量百分比分别为4%, 5%, 6%和7%. 以0.96的压实度制作土样, 无侧限抗压强度试验土样的含水率从击实试验得到的最优含水率结果中选取. 设计以下4种试验:

(1) 对4种水泥含量的改良土样进行击实试验, 土样含水率设计为: 6%, 8%, 10%, 12%和14%. 通过试验测定最大干密度和最优含水率.

(2) 为考虑养护龄期的影响, 对水泥改良土实施标准养护, 针对4种不同水泥含量的改良土, 分别测定养护龄期达到3, 7, 28d时的无侧限抗压强度.

(3) 为考虑长期泡水影响或者土的耐水性, 将养护龄期达到7和28 d的改良土样浸泡水中, 观察泡水现象. 然后针对浸泡时间为7和15 d的改良土样, 测定其无侧限抗压强度.

(4) 为考虑干湿循环作用影响, 将养护龄期达到28 d的改良土样进行干湿循环, 然后测定3和5次干湿循环下的无侧限抗压强度. 干湿循环试验的具体步骤为[9]: 首先将试样放入水中泡水2d, 然后取出试样并用干毛巾擦掉试样表面水珠, 接着将试样于室内阴凉的地方静置2d. 以上为1次干湿循环, 1次干湿循环所需时间为4 d. 第2~5次循环依次类推.

2 结果及分析

2.1 击实试验结果及分析

改良土水泥含量和最大干密度、最优含水率之间的关系分别如图1和图2所示. 从图1可看出, 未改良土(水泥含量为0%)的最大干密度为2.13 g/cm3, 水泥含量为4%, 5%, 6%和7%的改良土样的最大干密度分别为2.17, 2.19, 2.17和2.18 g/cm3. 这表明, 掺入水泥后, 泥质板岩土样的最大干密度比未改良土的略大. 即相比未改良土, 改良土样的压实性能变化不大; 改良土的最大密度值在2.17～2.19 g/cm3之间, 当水泥掺入量的百分比为5%时, 改良土的最大干密度值达到最大. 因此, 改良土的最大干密度变化不大, 即水泥掺入量对最大干密度的影响不大. 虽然由击实试验获得的最大干密度变化规律无法确定最优的水泥掺入量, 但是由试验结果分析可知, 增大水泥掺入量对路基工程填筑的压实效果影响不大. 选取合适的水泥掺入量有利于控制路基填筑的经济成本.

从图2可看出, 未改良土和改良土的含水率大约在10.4~11.5%之间, 即它们的最优含水率变化不大. 对于实际工程, 当水泥含量确定时, 过低的含水率不利于充分发挥水泥的作用, 过高的含水率则会弱化水泥的固化作用. 因此, 当路基土压实度一定时, 可参考本文试验中的改良土最优含水率和水泥含量的关系选取合适的含水率配置填土.

2.2考虑标准养护龄期影响的试验结果及分析

不同水泥含量下, 压实度为0.96、含水率约为11%的改良土样的无侧限抗压强度和养护龄期的关系如图3所示. 图3中, 随着养护龄期增大, 改良土的无侧限抗压强度增大. 当龄期小于7d时, 无侧限抗压强度增长较快; 当龄期大于7d时, 无侧限抗压强度增长较慢, 近似平稳. 这与针对水泥强度研究得到的普遍规律相符.

改良土中水泥强度随龄期增长而增强. 通常情况下, 28 d龄期的水泥强度特性已经发挥较为充分. 7 d龄期的强度常看作水泥发挥其加固强度特性的临界点. 例如, 我国铁路路基工程设计以7 d龄期的无侧限抗压强度0.35和0.25 MPa分别作为评价基床底层和基床以下路基改良土是否满足填筑要求的标准值. 根据该标准值, 如图3所示, 水泥含量为4%, 5%, 6%和7%时, 改良土的无侧限抗压强度均满足要求. 经济成本随改良土中水泥含量增大而提高, 根据我国铁路路基工程设计要求, 从经济角度出发, 泥质板岩改良土的最优水泥含量为4%.

根据日本铁道综合技术研究所的研究成果, 从长期稳定性出发, 当改良土强度超过0.5MPa时, 路基的水稳性和力学稳定性方面均可满足填筑要求. 如果将该数值作为判定改良土强度是否达标的参考指标, 如图3中虚线所示, 那么对于水泥含量为5%, 6%, 7%的改良土, 当养护龄期大于等于7d时, 它们的无侧限抗压强度均大于0.5 MPa. 因此, 该条件下, 以7d龄期的强度为参考值时, 除了4% 水泥含量的改良土外, 其余水泥含量为5%, 6%, 7%的改良土均符合填筑要求. 该条件下, 改良所需的最优水泥含量为5%.

由以上分析可知, 不同水泥含量的改良土的强度随养护龄期变化具有一定普遍规律, 当这种强度特性一定时, 路基设计要求对最优改良水泥含量的选取有重要影响, 进而影响建设项目的经济成本. 如对于本文试验, 采用我国和日本铁路路基工程改良土强度设计参考值时, 最优水泥含量分别为4%和5%. 若采用后者, 安全系数或者安全储备较高, 但建设项目的经济成本也较高. 孰优孰劣, 有待在工程实践中不断检验.

2.3考虑耐水性的试验结果及分析

(1) 泡水现象描述与分析

不同水泥含量下, 改良土泡水或者浸水现象描述见表1. 表1中, 未改良土(水泥含量为0%)泡水易软化, 水稳性最差, 不适合作为路基填料. 掺入水泥对土样改良后, 土样抗水软化的能力有所提高. 水泥含量越高, 土样越不易崩解. 水泥含量为4%的改良土的水稳性较差, 龄期达到28d 时土样中仍有部分发生崩解. 而其它水泥含量大于4%的土样在龄期28d时均未有崩解. 考虑到28d龄期时水泥加固强度和长期强度相差不大, 从泡水试验现象出发, 最优水泥含量应为5%, 水泥含量大于该数值的改良土样可满足长期水稳性要求.

(2) 泡水时间对改良土强度的影响

由前面的分析可知, 龄期超过28d 后, 水泥含量超过5%的改良土样满足水稳性要求. 为进一步分析满足长期水稳性时的抗压性能, 表2给出了养护龄期为28, 56和90d时的改良土样(含水率为11%)无侧限抗压强度和泡水天数之间的关系. 从表2可看出: ①随着养护龄期的增加, 无侧限抗压强度受泡水天数的影响逐渐降低. 如表2中龄期达到90d时, 不同水泥含量的改良土对应7和15d泡水时间的强度相差不大, 强度值之在1.04~1.20 MPa之间. 这表明, 龄期达到90d时, 水泥加固性能得到充分发挥, 试验中不同水泥含量的改良土均具备良好的抗水软化和抗压能力, 进入力学性质稳定阶段. ②当养护龄期一定以及泡水天数从7d 增加到15d时, 改良土的无侧限抗压强度有所增加, 但增加幅度不大. 这也再次证明, 从28d龄期开始, 水泥改良土逐渐缓慢地进入稳定阶段. ③从水泥含量角度出发分析可知, 水泥含量越大, 土样在不同龄期的强度和90d龄期时的强度相差越小, 即土样越容易达到稳定. 如表2中7d泡水试验数据所示, 水泥含量为4%和5%时, 对应养护28d的强度为0和0.787 MPa, 对应养护90 d的强度分别为1.041和1.042MPa, 相对差值分别为100%和24.5%; 而水泥含量为6%时, 对应养护28 d的强度为1.008MPa , 和90 d时的1.152MPa相差12.5%. 即相比水泥含量为4%和5%的土样, 水泥含量为6%的改良土更容易达到稳定.

由以上针对耐水性研究的试验结果分析可知, 根据未到达稳定龄期(小于28d)的泡水试验现象, 最优水泥含量为5%; 根据稳定龄期内(大于28d)的无侧限抗压强度试验结果, 虽然水泥含量大于5%的改良土比小于等于5%含量时的土容易达到稳定阶段, 但当水泥含量大于等于5%时, 无侧限抗压强度均随龄期稳步增长, 并在龄期达到90d时也均能进入稳定阶段. 而4%水泥含量的土样在28d龄期时出现崩解现象而无法获得强度数据. 因此, 从经济角度出发, 根据泡水试验结果选取用于改良土的最优水泥含量为5%.

2.4 考虑干湿循环作用影响的试验结果及分析

不同水泥含量下, 达到28d养护龄期的改良土样(含水率为11%)的干湿循环次数和其无侧限抗压强度之间的关系如图 4所示. 从图 4可看出, 随着干湿循环次数从0(为进行干湿循环的标准养护试样)增加到5, 改良土无侧限抗压强度逐渐降低. 这表明, 干湿循环对改良土强度起劣化作用. 结合现有成果[11], 初步分析可知, 相对未改良土样, 由于水泥产生的化学反应, 水泥改良土内颗粒间相互联结更为复杂. 水泥与土颗粒间通常通过离子交换、团粒化及硬凝反应等, 在水泥与土颗粒团间形成比较稳定的链条状联结结构和结晶网状结构, 这种联结结构起到了增强土的强度和水稳性的作用. 但由于改良土中水泥所占质量毕竟不多, 土体的主要承载结构仍然为土中的颗粒团, 这些团粒的性质和未改良土一样, 仍然承担着骨架作用. 当土颗粒团中含有亲水性较强的蒙脱石、伊利石和绿泥石等黏土矿物成分时, 如试验中的泥质板岩土样中富含绿泥石等亲水矿物成分, 就会导致水泥改良土具有吸水膨胀、失水收缩的特性, 在宏观上表现为干缩与湿胀变形. 受土体非均匀性影响, 这些变形往往在局部产生. 因此, 在不断协调土样局部与整体的变形过程中, 土样局部容易产生应力集中现象. 外力作用下, 这种应力集中现象进一步加剧. 当局部集中的应力水平超过水泥联结强度时, 会产生水泥开裂现象, 并出现应力释放现象, 表现为土样宏观强度降低.

从图 4还可以看出, 虽然改良土的强度随循环次数增加而降低, 但这种降低却呈减小趋势. 例如, 对于水泥含量为5%的改良土样, 当干湿循环次数从0增加到3时, 无侧限抗压强度从0.772 MPa降低至0.579 MPa, 降低幅度约为25%; 而干湿循环次数从3增加到5时, 无侧限抗压强度从0.579 MPa降低至0.482 MPa, 降低幅度为降低幅度为16.8%. 由于未改良土样浸泡在水中时很快软化、崩解, 强度为0, 无法承受干湿循环作用, 因此, 改良土很大程度上提高了应对干湿环境交替的能力.

对于这种干湿循环引起的强度衰减效应, 虽然目前尚未有相关规范和研究提出判定改良土是否合格的标准, 但是本文试验揭示的无侧限抗压强度衰减规律仍然值得关注与进一步探索.

综合上述考虑养护龄期影响、泡水作用影响和干湿循环作用影响的无侧限抗压试验结果可知, 根据考虑养护龄期对强度影响的试验结果, 从安全角度看, 改良土的最优水泥含量应该为5%; 根据泡水试验结果, 从经济以及安全角度出发, 最优水泥含量应该为5%; 干湿循环虽然揭示了无侧限抗压强度衰减规律, 但由于没有相关规范或研究提出判定改良合格的标准, 再考虑到由击实试验得到的水泥含量对改良土的最大干密度和最优含水率的影响不大. 因此, 综合考虑建设经济成本以及改良土的安全性、强度和长期水稳性等各方面因素时, 本文试验得到的最优水泥含量为5%.

3 结论

本文采用在土中掺入水泥的方式对泥质板岩土进行化学改良, 设计了击实试验、考虑标准养护龄期、泡水作用和干湿循环作用影响的无侧限抗压强度试验, 根据试验结果分析和综合评价泥质板岩改良土的强度和水稳特性等, 得到以下主要结论:

(1) 水泥含量对泥质板岩改良土的击实性影响不大. 不同水泥含量下改良土的最大干密度和最优含水均变化不大. 对水泥含量率为4%～7%的改良土, 最大干密度和最优含水率的变化范围为2.17～2.19 g/cm3和10.4%～11.5%.

(2) 试验确定最优水泥含量为5%. 该数值的确定综合考虑了改良所需经济成本、改良土工程应用的安全储备、改良土强度特性与长期水稳性能等.

(3) 养护龄期、泡水作用和干湿循环作用对土的无侧限抗压强度均有较大影响. 随着养护龄期、泡水天数的增加, 养护龄期和泡水作用对改良土强度的影响逐渐变小, 改良土中水泥作用得到充分发挥, 土的强度趋于稳定; 随着干湿循环次数的增加, 改良土内部联结结构受到破坏, 土的强度逐渐降低, 但这种降低程度呈减小趋势. 相对未改良土(不能承受干湿循环作用), 虽然改良土因水泥加固作用提高了其抗干湿循环作用的能力, 且这种能力的提升随水泥含量增加而增加, 但是干湿循环仍然对土的强度产生一定程度的劣化.

(4) 评价水泥改良土的质量或者土的水泥改良效果需综合考虑经济成本、水泥强度发挥特性和改良土的长期水稳性等. 针对水泥改良土质量评价, 通常情况下, 主要研究养护龄期对土的无侧限抗压强度的影响, 即关注的是水泥强度发挥特性. 但实际工程中环境复杂多变, 研究应更为关注改良土的长期强度和水稳定性能等. 和路基工程上呈现的现象类似, 本文试验也揭示了泡水作用和干湿循环作用对改良土强度有重要影响. 因此, 本文设计的泡水试验和干湿循环试验有助于进一步合理地确定最优水泥掺入量, 对现有针对水泥改良土质量的评价和相关研究是一种有益的尝试, 对铁路、公路的路基土如何改良及改良效果评价等也有一定的参考价值.

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Test of Physical and Mechanical Properties of Improved Argillite-slate Soil

CHEN Leqiu1,2, ZHANG Jiasheng2, CHEN Junhua2

(1. College of Construction & Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The cement content 4%, 5%, 6%and7% is the conditions for argillite-slate soil improvement test. The compaction test and the test of unconfined compressive strength are carried out to study of the influences of cement content on both the maximum dry density and the optimum moisture content, and influences of the curing period, the water soaking and the wet-dry cycles on the strength of improved soil under different cement content. The optimum cement content is obtained by analysis and discussion from angles of strength and water stability of improved soil. The results showed that, the maximum dry density and the optimum moisture content are 2.17~2.19 g/cm3and 10.4~11.5%. There are little influences of the cement content on both the maximum dry density and the optimum moisture content; The influences of curing period and soaking period on unconfined compressive strength of improved soil tend to be less with the increment of period, which reveal that improved soil tends to be steady in mechanics with the increment of both curing period and soaking period. The unconfined compressive strength of improved soil decrease with the increment of wet-dry cycles, but the decreasing tendency reduce with the increment of wet-dry cycles; The optimum cement content is 5% based on test results; The research achievement can provide references for the subgrade engineering research about the reasonable content of cement for improved soil, the evaluation on improvement results and so on.

subgrade, the unconfined compressive strength, water stability, wetting-drying cycles, cement improved soil

TU41

A

1672-5298(2017)01-0063-06

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(51308210)

陈乐求(1981− ),男, 湖南岳阳人, 博士, 湖南理工学院土木建筑工程学院副教授. 主要研究方向: 岩土工程、路基工程