不同击实功对新疆非耕地固化戈壁土力学性能的影响

2019-11-07吴乐天宋兵伟马皓诚史慧锋

新疆农业科学 2019年9期

吴乐天，宋兵伟，慈军，王亮，马皓诚,史慧锋，

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院农业工程公司，乌鲁木齐 830091；3.农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站，乌鲁木齐 830091；4新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】西北地区针对沙地、盐碱地、砂石地等非耕地上发展设施农业开展了墙体性能、栽培技术、蓄热储能、结构优化各项技术的研究[1-9]。非耕地固化戈壁土日光温室的墙体采用就地取材的戈壁土，利用固化剂、水泥、戈壁土的拌合及碾压手段，有效解决了墙体强度及耐久性问题，为新疆非耕地戈壁土墙体固化夯实和填筑施工提供理论基础和技术支持，为新疆非耕地日光温室戈壁土墙体建造提供新技术和方法。【前人研究进展】目前国内外对戈壁土的各种性能进行了大量的研究，例如ZhihongNie[10]对戈壁土的湿陷性进行了研究，发现浸水后戈壁土的变形分为三个阶段：压缩变形阶段、湿陷变形阶段和复合变形阶段；杨斌[11]、夏琼等[12]对新疆戈壁土的颗粒级配行了研究，发现新疆非耕地戈壁土地区的戈壁土填料中1～2 mm粒径含量偏少，是造成填料级配不良的主要原因；马学宁[13]、杨有海等[14]对新疆非耕地戈壁土地区戈壁土作为路基填料的现场填筑施工工法展开了试验研究，发现采用戈壁土做填料时，填料的颗粒直径应小于等于60 mm，并采用取土场挖坑灌水渗透方法进行填料拌水施工；Ishizuka[15]、Liang Yin等[16]对原状戈壁土的变形性能研究发现，戈壁土具有变形稳定快、压缩性低的特点；侯彦凯[17]对戈壁土地基的湿陷特性研究发现，戈壁土在浸水后分为压缩变形、湿陷变形和复合变形三个变形阶段；史新等[18]击实试验得出以粉质黏土和黏土为细粒料的宽级配砾质土的渗透系数均随击实功的增加呈指数函数形式下降；李耀国[19]对黄土路基压实度影响因素研究得出，随着压实功的提高,土体的最大干密度增大,最佳含水量减小；吴福泉[20]研究红粘土的击实特性发现击实功越大,最大干密度越大、最佳含水率越小。【本研究切入点】选取新疆乌恰县日光温室的戈壁土样和离子型固化剂，对固化戈壁土土样在不同击实功、不同龄期的无侧限抗压强度和抗压回弹模量进行研究，通过对比固化戈壁土在不同击实功下的最优含水率、最大干密度和无侧限抗压强度的变化，研究不同击实功对固化戈壁土的最优含水率、最大干密度、无侧限抗压强度和抗压回弹模量的影响，并优选出满足施工和后期运行的固化戈壁土的击实功。【拟解决的关键问题】研究戈壁土墙体的力学性能随压实程度及龄期的变化规律，为新疆日光温室固化戈壁土墙体碾压施工提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

固化剂：离子型固化剂(棕黑色液体，可溶于水，密度1.15 g/cm3)。

戈壁土：新疆乌恰县日光温室园区土样，取样深度为地表以下0～1 m(土体比重2.59，最小干密度1.97 g/cm3，最大干密度2.28 g/cm3，含水率0.38%)。

水泥：选用新疆天山P·O42.5普通硅酸盐水泥，(密度3.09 g/cm3，比表面积361 m2/kg，初凝时间270 min，终凝时间330 min)。

水：生活用水。

1.2 方法

1.2.1 颗分试验

对戈壁土样进行颗粒分析试验，绘制土样颗粒级配曲线，分析土样类别和级配情况。颗粒分析试验按《土工试验方法标准》[21](GBT50123-1999)中的相关规程进行试验，对于粒径介于0.075～80 mm的颗粒土样采用筛分法，对于粒径小于0.075 mm的土样采用密度计法。

1.2.2 击实试验

试验采用STDJ-3型数显多功能电动击实仪，按《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》[22](JTG E51-2009)中的相关规程进行试验。不同击实功通过改变击实试验的击实次数来实现，试验击实功取125%、100%、75%、50%、25%标准击实功，土料分3层击实制成圆柱体试件(试件高12 cm，直径15.2 cm)。表1

表1 击实功试验参数

Table 1 Compaction experimental parameters

型号Apparatus实验编号Experimentalnumber标准击实百分比StandardFixingpercentage(%)击实功Compactionwork(KJ/m3)装土层数(层)Numberofsoillayers每层击实数(次)NumberperblowSTDJ-3型数显多功能电动击实仪STDJ-3MultifunctionalelectromechanicalactuatorA1125%33603123A2100%2677398A375%2022374A450%1339349A525%683325

1.2.3 试件养护

制备好的固化戈壁土试件，每个试件用塑料袋密封后放在恒温恒湿的养护室中养护温度(20±2)℃，相对湿度在95%以上)，分别养护7、28、60和90 d，养护至龄期前1 d将固化戈壁土试件放置到(20±2)℃的清水中浸泡养护24 h。

1.2.4无侧限抗压强度和抗压回弹模量试验

无侧限抗压强度和抗压回弹模量试验依据《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》[22](JTG/E51-2009)中的相关规程进行(试件为圆柱形试件，试件尺寸：直径150 mm，高150 mm)。

2 结果与分析

2.1 颗粒分析

颗粒分析试验是测定土样中不同粒径颗粒质量占总干土质量的质量分数，用百分数表示。戈壁土土样颗粒级配组成绘制出新疆乌恰县戈壁土原状土样颗粒级配曲线。新疆乌恰县戈壁土剔除60 mm以上颗粒土样颗粒级配曲线。图1，图2

图1 原状土样颗粒级配曲线

Fig.1 Undisturbed soil particle gradation curve

图2 剔除60 mm以上颗粒土样颗粒级配曲线

Fig.2 Grain grading curves for particles with particle sizes above 60 mm

计算得到新疆乌恰县戈壁土料的不均匀系数为93.3，曲率系数为1.1，相关规范[23]可知该土样为级配良好的圆砾土。由马学宁[13]、杨有海[14]等的研究可知当填筑料为戈壁料圆砾土时，填筑料的粒径应在小于等于60 mm，所以试验用土是将大于60 mm的戈壁料去除后的土样。

剔除60 mm以上粒径的戈壁土样的不均匀系数为76.2，曲率系数为0.55，查相关规范可知该土样剔除60 mm后为级配不良的圆砾土。戈壁土中粒径在1～2 mm颗粒占总土样的比例偏少，只有2.03%，粒径2～60 mm含量为67.89%。图2

2.2 不同击实

根据《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》[22](JTG E51-2009)中的要求，将固化戈壁土土样分三层击实，确定不同击实功下最优含水率和最大干密度。图3、图4

图3 不同击实次数下固化戈壁土的击实曲线

Fig.3 Curing curves of solidified Gobi soil under different compaction times

图4 不同击实次数下固化戈壁土对应的最优含水率和最大干密度

Fig.4 The optimal moisture content and maximum dry density corresponding to the Gobi soil under different compaction times

随着在击实次数的增加，当达到125%标准击实数时比100%、75%、50%、25%标准击实数下的最优含水率小，最大干密度大；最大干密度随着击实次数的降低呈减小的趋势，最优含水率随着击实数的降低呈增长的趋势。这是由于戈壁土体在击实功的作用下，戈壁土颗粒克服颗粒间的摩阻力，产生了位移，土颗粒重新在击实过程中排列，同时随着击实功的作用戈壁土颗粒发生了不同程度的破碎，击实功越大破碎率越高，反之破碎率越低，随着固化戈壁土体的大颗粒破碎，使得土体中细小颗粒增多，颗粒级配发生变化，在击实功的作用下戈壁土的颗粒级配的改变和颗粒自生的位移使得土体之间的空隙填充的更加密实，所以,随着击实功的增大最大干密度增加。当击实功降低时，固化戈壁土中有部分空隙未被填充密实，由一部分自由水填充，致使随着击实功的降低，最优含水率在增大。图3，图4

2.3 不同龄期无侧限抗压强度试验

为了进一步研究不同击实功对墙体不同龄期强度的影响规律，对固化戈壁土在不同击实功下的试件进行了7、28、60、90 d龄期的无侧限抗压强度试验，分析固化戈壁土在不同击实功、不同龄期等条件下的无侧限抗压强度变化规律。图5

表2 不同养护龄期的无侧限抗压强度

Table 2 Unconfined compressive strength at different curing ages

实验编号Experimentalnumber每层击实次数(次)Numberofhits(times)标准击实百分比StandardFixingpercentage(%)无侧限抗压强度Unconfinedcompressivestrength(Mpa)养护龄期7d养护龄期28d养护龄期60d养护龄期90dA11231257.308.2810.0110.26A2981006.457.819.9610.16A374756.037.668.799.80A449506.007.548.459.61A525255.347.288.209.20

(a)同一龄期的抗压强度随击实次数的变化(b)不同击实次数的抗压强度随龄期的变化

图5 不同龄期的无侧限抗压强度

Fig.5 Unconfined compressive strength at different ages

研究表明，当养护龄期达到7 d时，固化戈壁土的无侧限抗压强度随击实数的增加呈增长趋势，击实123次比击实98次和25次的无侧限抗压强度分别提高了1.13和1.37倍；当养护龄期为28 d时明显可以看出,随击实次数的增加强度增幅与7 d的增幅速度相比有所减缓；当养护龄期到60～90 d时击实98次和击实123次的无侧限抗压强度增长微弱；

研究表明，击实25、49、74、98和128次的试件养护90 d比7 d的无侧限抗压强度分别增长1.72、1.60、1.63、1.58和1.41倍，同一击实数的试件无侧限抗压强度随着龄期的增长而增长，但强度增长的速度是趋于减小的趋势；击实次数越多，固化戈壁土试件早期无侧限抗压强度增幅越高，但随着试件养护龄期的增加，击实次数的增加超过标准击实次数时，无侧限抗压强度的变化逐渐趋于稳定，所以一味地增加击实次数对后期的固化戈壁土强度的增长贡献很小；根据当地日光温室对墙体承载能力的要求可知，固化戈壁土墙体的无侧限抗压强度达到5MPa即可满足需求，离子型固化剂固化戈壁土在击实25次时7 d的无侧限抗压强度可达5.34MPa，满足当地日光温室墙体承载能力要求，所以采用25%标准击实功来进行日光温室墙体的施工是可以满足设计要求的。表2，图1

2.4 不同击石数下固化戈壁土抗压回弹模量试验

固化戈壁土抗压回弹模量试验结果，在同一养护龄期内抗压回弹模量随着击实数的增加而增大，增加击实功可以提高固化戈壁土的承载能力；养护龄期在7、90 d时所对应的125%标准击实数试件的抗压回弹模量比25%标准击实数试件的抗压回弹模量分别增加了1.63和1.34倍，表明随着养护龄期的增长，增大击实功后所对应的抗压回弹模量的增长幅度逐渐减小；同一击实数的固化戈壁土试件随着养护龄期的增加，试件的抗压回弹模量呈增长趋势，25%和125%标准击实数的试件，养护90 d比养护7 d的抗压回弹模量增长了1.93和1.58倍，表明随着击实功的增加，延长养护龄期后所对应的抗压回弹模量的增长幅度也在逐渐减小。图6

图6 不同击实数下固化戈壁土抗压回弹模量变化

Fig.6 Variation diagram of the elastic modulus of solidified gobi soil under different hit Numbers

3 讨论

试验的结果中固化戈壁土在养护龄期7、28 d时无侧限抗压强度随着击实数增加而增大，当击实数达到标准击实数及以上时击实次数的增加对养护龄期在60、90 d固化戈壁土试件的无侧限抗压强度无明显提升，可知在标准击实次数时可以得到较好的固化效果，如想提高前期的无侧限抗压强度可增加击实功。这一结果无异于前人的试验结果，因为随着击实次数的增加，击实功在增大，击实功越大土样中小于5 mm的颗粒越多[24-26]，在外力机械的作用下使得戈壁土颗粒产生位移，颗粒之间重新排列和填充，减少了固化戈壁土中的空隙，使得固化戈壁土填充的更加密实。此外掺入水泥后，早期发生水化反应在试件的孔隙处形成了不溶于水的C-S-H凝胶和C-A-H晶体，将戈壁土颗粒胶凝在一起形成一个整体，提高了固化戈壁土的早期强度；离子型固化剂与含有一定水分的戈壁土混合后发生化学反应，生成不溶于水的网状晶体，在戈壁土中可以起到强度骨架的作用。戈壁土颗粒与固化剂发生化学反应，生成了一些不溶于水且强度较高的物质，填充于土体骨架之中，使固化土形成不可逆的坚实板体，并具有良好的稳定性和耐久性。此外，固化土样经过压力机压实等作用，固化土颗粒相互靠近，减少了固化土中的空隙，使固化土体更加密实，进一步提高了固化戈壁土的抗压能力。