路基压缩强度的剪切波速评价

2019-09-24

无损检测 2019年9期

(郑州市公路工程公司，郑州 450000)

路基作为路面结构的基础，要有足够的强度、刚度和稳定性，其品质往往与道路的使用相关[1]。选择优质、良好的填料填筑路基是非常重要的，这样既能保证路基稳定、减少路基病害，又可以降低施工难度。但我国地域辽阔，较优的路基填料无法满足基础建设的需求量[2]。赵安平等[3]研究了冻融循环次数对水泥改良粉质黏土强度的影响。颜胜才[4]研究了水泥改良土物理力学特性的变化规律，指出检测时间对路基施工品质的影响。郑江等[5]研究了改良方式对改良土强度的影响规律，指出水泥改良土路基填筑后养护的重要性。罗照新等[6]提出了改良黄土的方法，探究了改良材料对路基性能的影响。笔者以水泥改良粉土、粉质黏土为研究对象，通过室内三轴剪切和波速检测试验研究了压缩强度及剪切波速的变化规律，以及两者的相关性，为路基品质检测提供了技术依据。

1 试验材料

1.1 试验土样

将粉土和粉质黏土用水泥进行改良，土样物理性质如表1所示，土样不同粒径组成颗粒的质量分数如表2所示。

1.2 水泥

选用普通硅酸盐水泥P.O 42.5，水泥细度为1.2%,初凝时间为265 min,终凝时间为320 min,烧失量为1.0%,抗折强度(3 d)为5.3 MPa,抗折强度(28 d)为8.2 MPa,抗压强度(3 d)为26.1 MPa，抗压强度(28 d)为55.3 MPa。

表1 试验土样物理性质

表2 试验土样不同粒径组成颗粒的质量分数 %

2 试验方法与方案

2.1 试验方法

将自然风干试验土样碾碎，过2 mm圆孔筛，并测定其风干含水率；根据配置不同水泥剂量改良土确定加水量，至少浸润12 h；浸润后试验土样中掺入水泥进行拌和。根据重型击实试验确定室内不同水泥剂量的水泥土的最佳含水率，采用静压法成型试件，压实度控制在98%。试件尺寸(外径X高度)为φ50 mm×50 mm，混合料分3层装入，并插捣密实。试件脱模后放入标准养生室进行养生，龄期最后一天泡水养生。试件饱和方法采用真空饱和法[7-8]，选用饱和器对养护后试验土样进行饱和。

结合现场路基实际受力状态，参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》中的固结不排水三轴剪切试验方法确定不同龄期水泥改良土的压缩强度，固结压力取20 kPa，剪切应变速率约为0.08 %/min。根据透射法原理[9]，选用DB4型多波参数分析仪测试不同龄期水泥改良土剪切波速与压缩波速，每组试验3个平行试件。

2.2 试验方案

(1)水泥剂量的影响

研究水泥剂量与水泥改良土的压缩强度、剪切波速的关系，水泥剂量拟选用3%,4%,5%,6%，养护龄期拟选用28 d，按照击实试验确定最佳含水率成型试件。

(2)含水率的影响

模拟现场雨季情况，研究水泥改良土饱和状态下强度及波速变化的关系，采用试件饱和后与最佳含水率试件的强度及波速比值，评价剪切波速预测压缩强度的可行性。

(3)养生龄期的影响

分析不同水泥剂量改良粉土在不同含水率状态下压缩强度和剪切波速与龄期的变化关系，水泥剂量拟选用3%,4%,5%,6%，养护龄期拟选用7,14,28,60 d，按照击实试验确定的最佳含水率成型试件。

(4)颗粒级配的影响

研究土样颗粒级配对水泥改良土压缩强度及剪切波速的影响，拟水泥剂量为4%，养护龄期为28 d，改变粉土中黏粒比例(粒径小于0.005 mm)，黏粒含量分别为10%，15%，20%，25%。

3 结果分析

3.1 击实试验

由室内击实试验确定的不同水泥剂量改良土最大干密度ρdmax和最佳含水量wop如表3所示。

表3 不同水泥剂量改良土击实试验结果

由表3可知，随着水泥剂量的增加，粉土与粉质黏土的ρdmax和wop均逐渐增大，水泥剂量每增加1%，水泥改良粉土和粉质黏土的ρdmax均提高了0.2%，说明水泥剂量对改良粉土和粉质黏土最大干密度的影响不明显。

3.2 影响因素

不同水泥剂量改良土室内三轴剪切试验和波速检测结果如表4,5所示。

(1)水泥剂量的影响

不同水泥剂量改良土28 d压缩强度、剪切波速及压缩波速变化规律如图1所示。

由图1可知，相同试验条件下，水泥改良土压缩强度随水泥剂量的增加呈直线增长趋势，水泥剂量每增加1%，改良粉土和粉质黏土饱和压缩强度分别平均提高161%，185%，且其非饱和压缩强度分别平均提高315%，376%。这说明水泥剂量对改良土压缩强度的影响很大，这是因为水泥掺量越大，水泥水化产物越多，与土粒之间的胶结作用就越强，结构就更加密实，压缩强度也就相应提高。

水泥剂量与改良土剪切波速的关系如图2所示，由图2可知，相同试验条件下，水泥改良土剪切波速与水泥剂量之间的变化呈线性增长关系。说明水泥剂量的变化使剪切波速变化明显，在一定程度上可以表征压缩强度的变化规律。

表4 不同养护龄期水泥改良土的压缩强度 MPa

表5 不同养护龄期水泥改良土的剪切波速 m·s-1

图1 水泥剂量与改良土压缩强度的关系

图2 水泥剂量与改良土剪切波速的关系

(2)含水率的影响

根据表4,5和式(1)，不同水泥剂量改良土饱和前与饱和后的压缩强度比值及波速比值见表6,7。

ε=σb/σop

(1)

εs=Vsb/Vs

(2)

式中：ε，εs分别为改良土饱和前与饱和后的压缩强度和剪切波速的比值；σb，Vsb分别为试件饱和状态下的压缩强度和剪切波速；σop，Vs分别为试件最佳含水率下的压缩强度和剪切波速。

表6 不同养护龄期水泥改良土饱和前与饱和后的压缩强度比值

表7 不同养护龄期水泥改良土饱和前与饱和后的剪切波速比值

由表6,7可知，与最佳含水率改良土试件相比，饱和状态下试件压缩强度和剪切波速均降低，水泥改良土压缩强度和波速分别降低了18%～39%和6%～19%；另外，在同一龄期和水泥剂量下，水泥改良粉土压缩强度及波速比值的平均值分别为0.721，0.871，改良粉质黏土压缩强度及波速比值的平均值分别为0.729，0.866。这说明，含水率发生变化后，压缩强度和剪切波速变化规律基本一致，可以通过检测路基剪切波速对其强度进行评价，预测压缩强度的变化规律。

(3)养生龄期的影响

养护龄期与水泥改良粉土压缩强度的关系及剪切波速的关系分别如图3，4所示。由图3，4可知，不同水泥剂量改良粉土的压缩强度及剪切波速随养护龄期增长的变化关系一致，呈幂函数增长趋势；当养护龄期增至28 d时，水泥改良粉土压缩强度和剪切波速分别平均增长28.5%，17.3%；当护龄期增至60 d时，水泥改良粉土压缩强度和剪切波速分别平均增长41.1%，28.9%。另外，养护龄期小于28 d时，压缩强度及剪切波速增速明显。

图3 养护龄期与水泥改良粉土压缩强度的关系

图4 养护龄期与水泥改良粉土剪切波速的关系

(4)颗粒级配的影响

对过2 mm圆孔筛的粉土中掺入黏粒，控制土样黏粒含量分别为10%，15%，20%，25%，按照上述试验方法进行试验。黏粒含量与水泥改良粉土压缩强度及剪切波速的关系如图5所示。

图5 黏粒含量与水泥改良粉土压缩强度/剪切波速的关系

由图5可知，一定条件下适量的黏粒含量可提高改良土压缩强度及剪切波速；随着黏粒含量的增加，压缩强度及剪切波速均呈抛物线趋势变化，先增大后减小；当黏粒含量范围为18%22%时，改良土压缩强度较大。这是因为，土中黏粒含量越大，混合料拌和越不充分，土粒与水泥接触越不充分；另外水泥水化过程中，黏粒表面吸附了大量的钙离子，水泥水化进程减慢，压缩强度降低。

综上可知，单一因素变化时，同一水泥改良土剪切波速与压缩强度变化趋势基本一致，说明可以采用剪切波速来评价其压缩强度的变化，对路基性能进行预测，根据强度影响因素指导路基现场施工。水泥改良粉土剪切波速与压缩强度的函数关系如表8所示，表中y表示压缩强度，x表示剪切波速。