冻融循环作用下生石灰处治过湿土抗剪强度

于晓阳 董伟智 欧阳云

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118)

0 引言

路基是公路的重要组成部分，是道路工程的基础,承载着路基自身的自重和路面结构的重力，同时还承受由路面传递下来的行车荷载,是公路的主要承重体[1].本文为吉林省某高速公路过湿土路基,提出掺入石灰量5%的最佳处治施工方案,针对土体抵抗剪切破坏极限强度的能力,进行了冻融循环抗剪强度试验研究,并且分析其掺灰后过湿土路基的变化规律和可行性.抗剪强度是分析路基边坡稳定、评价路基承载能力、计算结构物压力和土体受到极限状态破坏力的重要参数[2-4].因此，研究其物理力学性质,进而得到其在冻融循环作用下的应力应变关系，对石灰处治过湿土路基的强度和稳定性具有非常重要的意义和参考价值.

1 试验原材料

1.1 试验土样

试验原材料取自吉林省内某高速公路路基施工现场,土样的基本物理指标见表1.

表1 土样的基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of soil samples

1.2 试验用生石灰

试验所用吉林省某石灰厂生产的生石灰,其有效氧化钙和氧化镁含量见表2.

表2 石灰有效氧化钙和氧化镁含量Table 2 The calcium and magnesium content of lime

参照《公路路面基层施工技术细则》(JTG F20-2015)中“原材料要求”中生石灰技术要求符合规范要求规定[5],试验用的生石灰属于III级石灰.

2 试验方法

本试验对掺灰量为0%,5%分别进行了击实试验,测得不同掺灰量下石灰土的最大干密度和最佳含水量不同,本文以掺灰量为0%的素土和5%的石灰处治土为主要研究对象，测得其最大干密度是和最佳含水量分别是1.841,14.275和1.794,12.694;在最大掺灰量和最大干密度下,模拟施工现场.即闷料1夜后再次掺灰然后继续闷1夜来分别配制压实度为96%和94%的三轴压缩试件，试样直径39.1mm、高为80mm,一组5个试件,分5层装模,各层接触面刨毛.采用JYE—2000型数显式压力试验机静压成型，成型试件后分别用保鲜膜包好,防止水分流失,排出气体放入湿度为94%，温度为20±2℃的养护箱养护7d，根据不同的冻融循环次数进行冻融循环,在-18℃的可控温冰箱中冻结12h,室温下融化12h,以24h为一个冻融循环.

试验用的是型号为TSZ全自动三轴仪,根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中内直剪试验的技术标准[6].围压分别选为100kPa,200kPa,300kPa,速率为0.8mm/min进行室内不固结不排水抗剪强度试验.

3 试验结果及分析

3.1 相同的养生期条件下,不同粒径的抗剪强度对比分析研究

通过上述方案,对素土进行不同压实度下的室内不固结不排水抗剪强度试验,x轴为冻融次数,y轴为抗剪强度,得到x-y趋势图.见图1.

(a)Confining pressure 100kPa (b)Confining pressure 200kPa (c)Confining pressure 300kPa图1 冻融循环下不同粒径土的抗剪强度变化规律Fig.1 Variation of shear strength of different size soil under freezing and thawing cycles

对素土进行冻融循环后其抗剪强度呈下降趋势,尤其是在经历2～3次冻融循环下降明显,其96%压实度，100kPa围压条件下,2mm土的下降率为27.0%;5mm土为48.8%,说明冻融循环是影响抗剪强度的重要因素,进而对图1中(a)，(b)，(c)结果进行分析,其原因为冻融循环对土粒之间粘结力产生了破坏,使其内摩擦角变大.冻融次数越多,破坏更严重,直至8次冻融循环对其破坏影响趋于稳定.

由图1还可以看出,不同的围压下,粒径2mm的抗剪强度远远大于粒径为5mm的抗剪强度.说明粒径小的土体的粘结力大于粒径大的土体.

3.2 相同的养生期条件下(不养生),不同粒径的抗剪强度对比分析研究

在与上述相同方案条件下,制作粒径分别为2mm和5mm的三轴试样,掺灰量为5%,压实度分别为96%,94%,不进行养生,直接冻融循环.然后进行室内不固结不排水抗剪强度试验,x轴为冻融次数,y轴为抗剪强度,得到x-y趋势图见图2.

(a)Confining pressure 100kPa (b)Confining pressure 200kPa (c)Confining pressure 300kPa图2 掺灰量5%不同粒径土的抗剪强度变化规律Fig.2 Variation of shear strength of soil with different sizes of 5% ash content

由图2可知，其中不同粒径的土体在经历10次冻融循环之后的抗剪强度有所下降,5mm,100kPa,压实度96%的土样抗剪强度较为明显,其下降率为12.2%;在经历3～4次冻融循环之后,其抗剪强度有较明显回升.其中以粒径为2mm、压实度96%,围压分别为100kPa,200kPa,300kPa的土样较为明显,但其抗剪强度小于0次冻融的抗剪强度.以粒径2mm,压实度为96%,1次和4次冻融的抗剪强度为例,上降率分别是8.68%,18.04%,12.6%,5mm压实度为96%的抗剪强度上升率分别是3.93%,11.3%,7.14%.分析其原因,在冻融循环过程中土体与石灰发生了化学反应,使土粒之间的粘聚力增加,其抗剪强度成抛物线状增长,7d之后趋于稳定状态.在同一掺灰百分比下,抗剪强度由粒径大小决定,2mm土的抗剪强度要远远大于5mm土.小粒径的土和生石灰反应更快更充分,所以其抗剪强度较大.

3.3 相同的土样粒径,不同的养生方式对比分析研究

在与上述两种相同方案条件下,进行掺灰量为5%，粒径为2mm的土,在不同压实度下进行室内不固结不排水抗剪强度试验,x轴为冻融次数,y轴为抗剪强度,得到x-y趋势图,试件进行不同养生方式,然后进行冻融循环试验见图3.

(a)Confining pressure 100kPa (b)Confining pressure 200kPa (c)Confining pressure 300kPa图3 掺灰量5%不同养生方式土的抗剪强度变化规律Fig.3 Variation Law of soil shear strength with different amount of lime and 5% different curing methods

由图3可知,养生7d的石灰处治土的0次冻融循环抗剪强度要大于未养生直接进行冻融循环的抗剪强度,养生7d的抗剪强度呈下降趋势;不养生的抗剪强度先下降,到冻融4～5次之后又呈抛物线状,最后趋于稳定.分析原因;养生7d之后土体和生石灰发生充分反应,使土粒之间粘结更加密实,增加了土的塑性和压实性,使土粒之间粘结力增强.然而,随着时间的增长,未养生的土体和生石灰也随着时间进行反应,与此同时冻融对土体粒径之间粘结力产生破坏,从而导致其抛物顶点的抗剪强度低于0次冻融抗剪强度.同时,不养生土样的抗剪强度也低于同一冻融循环次数下,养生7d的抗剪强度.

4 结论与建议

(1) 本试验是在不同围压和不同掺灰量下进行的,所以,在相同的条件下,抗剪强度随着围压和掺灰量的增加而增大.

(2) 在相同的养生条件和压实度下,粒径小的抗剪强度大于粒径大的抗剪强度.要求施工现场尽量捣碎土块,对路基进行充分的翻晒碾压,并且现场掺灰时,尽量均匀,使土和生石灰充分反应.

(3) 本试验是在相同粒径,不同养生方式下试验,从而得到养生7d石灰处治土的抗剪强度优于未养生的抗剪强度,现场施工时,在掺入生石灰后尽量闷料7个昼夜,然后再进行下一工序的施工.

[1] 邓学钧.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 罗烈日,郑俊杰.不同模式下抗剪强度参数对路堤稳定性的影响[J].土木工程与管理学报,2012,29(4):50-54.

[3] 梅岭,梅国雄,易宗发.K_0≠1时的地基临塑载荷和临界载荷近似计算公式[J].计算力学学报,2010,27(6):1090-1095.

[4] 赵吉坤,温娇娇.填土含水率对挡土墙土压力影响的实验分析[J].土木建筑与环境工程,2012,34(S2):155-160.

[5] 公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)[S].北京:人民交通出版社,2009.

[6] 公路土工试验规程(JTG E40-2007)[S].北京:人民交通出版社,2007.