合黎山天然风化砂改良硫酸盐渍土强度特性试验研究

2018-05-09贾剑青张亚兵张红娟

水利与建筑工程学报 2018年2期

秦虎，贾剑青，张亚兵，张红娟，李鸿

(1.河西学院土木工程学院，甘肃张掖 734000； 2.兰州交通大学交通运输学院，甘肃兰州 730070)

盐渍土是一种广泛分布于我国黄河三角洲、黄淮海平原、东北松嫩平原、准噶尔盆地、吐鲁番盆地、塔里木盆地、甘肃河西走廊、宁夏银川平原、内蒙古河套灌区、青海柴达木盆地、西宁等盆地的环境敏感性的特殊土体，不同地区、不同成因、不同年代形成的盐渍土具有不同的工程特性[1-4]，《公路路基施工技术规范》[5](JTG F10—2006)规定盐渍土不能直接用于填筑路基，只有对其进行必要的改良并达到工程技术要求后，方可作为路基填筑材料。目前对于盐渍土改良方面的研究较多[6-15]，以粉煤灰、水泥、石灰、矿渣、硅灰、水玻璃等材料改良盐渍土获得了较好的工程特性，但以风化砂作为盐渍土改良材料的研究相对较少。

S237线平山湖(蒙甘界)至祁连(青海)公路平山湖至甘州区段拟改建公路是连接张掖市和内蒙古的重要南北交通省际通道，是河西走廊经过平山湖通往内蒙古的必经之路，特殊的地理位置和干旱、半干旱的气候条件使得该区域分布有广泛的硫酸盐渍土。本文以该区域的硫酸盐渍土为研究对象，拟采用工程沿线合黎山天然风化砂作为改良材料，探讨风化砂掺入量对硫酸盐渍土强度特性的改良效果，为河西走廊工程建设中硫酸盐渍土的固化改良材料的选择提供参考。

1 试验条件

1.1 试验材料

试验所用盐渍土和天然风化砂均取自S237线平山湖(蒙甘界)至祁连(青海)公路平山湖至甘州区段合黎山沿线，肉眼可见盐渍土表面有白色或者灰白色的盐结皮，并有少量颗粒状钙质结核，土体坚硬，手碾不易碎，天然含水率为5.12%，塑限为14.11%，液限为23.26%，塑性指数为9.15，曲率系数为0.18，不均匀系数为4.24，级配不良，对天然盐渍土进行化学性质测定，测定结果为易溶盐中阳离子以Na+、K+为主，阴离子以SO42-、Cl-为主，Cl-/SO42-<0.3，依据《岩土工程勘察规范》[16](GB 500021—2001)的含盐量分类规定，确定研究区域内的盐渍土类型主要为硫酸盐渍土。

试验所用天然风化砂为合黎山红褐色砂砾岩石风化过程的中间产物，褐黄色，砂粒坚硬且棱角分明，颗粒成分以石英、长石为主，含云母，以中粗砂为主，颗粒分析试验表明，0.075 mm～0.250 mm的细颗粒含量为7.11%，0.50 mm～0.25 mm中颗粒含量为48.61%，0.5 mm～2.0 mm粗颗粒含量为44.28%，级配不良，试验材料如图1所示。

图1试验材料

1.2 试验方案与试样制备

合黎山周围环境的不同使得所取天然盐渍土的易溶盐含量有所不同，现场取样测试结果表明，合黎山天然盐渍土的易溶盐含量在0.23%～3.16%之间，为了更好的定量分析合黎山天然风化砂掺入量对硫酸盐渍土的改良效果，首先将取样的天然盐渍土进行全脱盐处理使之成为素土，然后再将风干碾碎过2 mm筛后的素土按Na2SO4质量百分比0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%制备5组硫酸盐渍土，每组硫酸盐渍土再掺入过2 mm筛后按照质量百分比0%、10%、20%、30%、40%、50%的合黎山天然风化砂制备改良硫酸盐渍土，最后根据改良硫酸盐渍土的室内重型击实试验所得的最优含水率和最大干密度按照压实度97%采用静压法制备试样，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规》[17](JTG E51—2009)并考虑到土样制备的便利性和利用已有的土工试验制样工具，确定本次试验的土样为圆柱体试样，其中制备的径高为Φ39.1 mm×80 mm的圆柱体土样用于无侧限抗压强度试验，Φ61.8 mm×30 mm的圆柱体土样用于间接拉伸强度试验，最后将制备好的土样用至少两层保鲜膜包裹密封在恒温恒湿养护室中静置以备试验使用。

1.3 强度测试

无侧限抗压强度和间接拉伸强度是衡量其强度特性的重要指标之一。本文试验参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[17](JTG E51—2009)进行。

无侧限抗压强度试验和间接拉伸强度试验所用仪器为装有高精度应力应变传感器的无侧限压缩仪，该仪器由加载部分、量测部分和数据采集三部分组成，设置加载速率均为0.8 mm/min，当应力应变曲线出现峰值时继续进行3%～5%的应变停止采集数据。土体的拉伸强度试验主要分为直接试验和间接试验[10]，但拉伸强度试验并无明显的标准可依，本文间接拉伸试验采用径向压裂试验(巴西劈裂法)，根据线弹性理论计算拉伸强度，把制备好的61.8 mm×30 mm圆柱体试样放在试验仪器的承压板，在试样与承压板间放入劈裂条，使得试样在直径方向受到线荷载，试样受力后沿着受力方向的直径开裂破坏，整个试验过程中应力应变数据由拉压传感器采集并记录。

2 试验结果及分析

2.1 风化砂改良硫酸盐渍土强度分析

合黎山天然风化砂作为一种无机结合料改良硫酸盐渍土，强度是衡量其改良效果的重要指标之一。

为了保证试验结果的可靠性和准确性，每组试验做3组平行试验，取最相近的两组平均值作为最终结果。在Na2SO4含量一定的盐渍土中按照0%、10%、20%、30%、40%、50%的质量百分比掺入合黎山天然风化砂得到改良硫酸盐渍土并测试改良后土体的无侧限抗压强度和间接拉伸强度，分析合黎山天然风化砂改良硫酸盐渍土的强度特性，图2、图3为Na2SO4含量一定的条件下，改良硫酸盐渍土风化砂掺入量与无侧限抗压强度关系曲线、风化砂掺入量与间接拉伸强度关系曲线。

图2 风化砂掺入量与无侧限抗压强度关系曲线

图3风化砂掺入量与间接拉伸强度关系曲线

从图2和图3可以看出，在Na2SO4含量一定的条件下，试验所得的合黎山天然风化砂改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度和间接拉伸强度的变化趋势基本一致，随着合黎山天然风化砂掺入量的增加，改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度和间接拉伸强度均出现先增大后减小的规律，即适量掺入合黎山天然风化砂能够较好地改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度和间接拉伸强度，最大强度数值出现在风化砂掺入量20%附近，说明风化砂改良硫酸盐渍土的最优掺入比为20%。分析这一规律主要是因为土体的强度由黏聚强度和摩擦强度两部分组成[18]，改良硫酸盐渍土的强度受土体本身黏聚力引起的黏聚强度和土颗粒与风化砂颗粒以及风化砂颗粒间的摩擦强度共同影响，细颗粒含量影响土体的凝聚强度，粗颗粒的多少影响土体的摩擦强度，合黎山盐渍土为低液限黏性土，在硫酸盐渍土中掺入天然风化砂后改变了土体的颗粒组成，当掺入风化砂质量百分比小于20%时，少量的风化砂对硫酸盐渍土颗粒间的黏聚强度影响较小，改良硫酸盐渍土依然具有较好的结构整体性，风化砂不规则的棱角嵌合在土颗粒间增大了改良硫酸盐渍土的摩擦强度，使得硫酸盐渍土的无侧限抗压强度和间接拉伸强度随着风化砂掺入量的增大而增大，当风化砂掺入量大于30%之后，盐渍土颗粒明显减少，使得改良硫酸盐渍土的黏聚强度迅速减小，而风化砂本身没有黏性，不能使土颗粒与风化砂颗粒很好的团聚在一起，使得改良硫酸盐渍土整体结构松散，故出现随着风化砂掺入量的增大无侧限抗压强度和间接拉伸强度减小的现象。

通过对试验数据的回归分析，本文选用多线式关系描述在Na2SO4含量一定条件下，硫酸盐渍土的无侧限抗压强度、间接拉伸强度与合黎山天然风化砂掺入量间的关系，得到改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度与风化砂掺入量间满足三次函数关系，如式(1)所示，间接拉伸强度与风化砂掺入量间满足二次函数关系，如式(2)所示。

Q1=A1x3+B1x2+C1x+D1

(1)

式中：Q1为天然风化砂改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度，kPa；x为天然风化砂掺入量，%；A1、B1、C1、D1为拟合参数。

Q2=A2x2+B2x+C2

(2)

式中：Q2为天然风化砂改良硫酸盐渍土的间接拉伸强度，kPa；x为天然风化砂掺入量，%；A2、B2、C2为拟合参数。

通过回归分析，得到式(1)、式(2)中的拟合参数及R2值，见表1、表2。

表1 无侧限抗压强度系数拟合结果

表2 间接拉伸强度系数拟合结果

从表1 、表2中拟合数值可以看出，在5种Na2SO4含量下拟合公式中R2值均大于0.90，表明用多线式关系拟合改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度、间接拉伸强度与合黎山天然风化砂掺入量间的关系是合理的。

2.2 无侧限抗压强度与间接拉伸强度关系

以无侧限抗压强度为横坐标，间接拉伸强度为纵坐标，绘制Na2SO4含量一定情况下，改良硫酸盐渍土的间接拉伸强度与无侧限抗压强度随风化砂掺入量的变化关系曲线，如图4所示。

图4间接拉伸强度与无侧限抗压强度关系曲线

从图4可以看出，相比于无侧限抗压强度，天然风化砂改良硫酸盐渍土的间接拉伸强度非常小，只有几kPa到几十kPa，约为无侧限抗压强度的1/6左右，在硫酸盐渍土含盐量一定条件下，随着风化砂掺入量的增加，改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度和间接拉伸强度的变化规律一致，当改良硫酸盐渍土的无侧限抗压强度较大时，间接拉伸强度也较大，无侧限抗压强度较小时，间接拉伸强度也较小，分析原因是影响改良硫酸盐渍土无侧限抗压强度和间接拉伸强度的因素一致，对试验数据拟合得出，改良硫酸盐渍土的间接拉伸强度和无侧限抗压强度之间呈现良好的线性函数关系，且相关性均较好，具体拟合结果如表3所示。