基于冲击夯下的回填土填料改性研究

闫敏 方军 王永军 沙仁陶格斯 乔在雄

摘 要：对基于冲击夯下的回填土夯实的填料进行改性处理，研究了水泥、石灰和粉煤灰配比对路基填料最佳含水率、最大干密度、粘聚力、内摩擦角和无侧限压缩强度的影响。结果表明，4种改性土的最佳含水率都高于素土，且最佳含水率从高至低顺序为：S4>S1>S3>S2。改性土的最佳含水率都相较素土有所增加，而最大干密度有所减小，最大干密度从大至小顺序为S3>S4>S2>S1。改性土的28d粘聚力明顯高于7d粘聚力，且改性土粘聚力从大至小顺序为S4>S3>S2>S1，且都明显高于素土;S3改性土的内摩擦角最大。随着龄期从7d增加至28d，素体和改性土的无侧限压缩强度都有不同程度提高;改性土的7d和28d无侧限压缩强度都明显高于素土，且改性土的7d和28d无侧限压缩强度从高至低顺序为S4>S3>S2>S1。

关键词：回填土;冲击夯;素土;改性土;性能

中图分类号：TU411.7 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0127-04

Research on Modification of Backfill Soil Filling Based on Impact Ramming

Yan Min1， Fang Jun2， Wang Yongjun3， Sharen Tauges4， Qiao Zaixiong5

（1.Ordos Institute of Technology， Ordos 017010， China; 2. Ordos City Government Investment Project Agent Construction Center， Ordos 017010， China; 3. Inner Mongolia Yitai Real Estate Group Co.， Ltd.， Ordos 017010， China; 4. Ordos City Construction Engineering Quality Supervision Station， Ordos 017010， China; 5. Xingtai Construction Group Co.， Ltd.， Ordos 017010， China）

Abstract：Modified fillers based on rammed backfills under impact ramming were performed， and the effect of the ratio of cement， lime and fly ash on the optimum moisture content， maximum dry density， cohesion， internal friction angle and unconfined compressive strength of subgrade filling is studied. The results show that the best moisture content of the four modified soils is higher than that of the plain soil， and the best moisture content from high to low is S4 > S1 > S3 > S2. The best moisture content of the modified soil is higher than that of the plain soil， but the maximum dry density is decreased. The order of the maximum dry density is S3 > S4 > S2 > S1. The 28d cohesion of the modified soil is significantly higher than that of the 7d， and the cohesion of the modified soil is S4 > S3 > S2 > S1， which is obviously higher than that of the plain soil; the internal friction angle of S3 modified soil is the largest. With the increase of age from 7d to 28d， the unconfined compressive strength of both plain and modified soil increased in varying degrees; the 7d and 28d unconfined compressive strength of modified soil was significantly higher than that of plain soil， and the order of 7d and 28d unconfined compressive strength of modified soil from high to low was S4 > S3 > S2 > S1.

Key words：backfilled soil; impact ramming; plain soil; modified soil; performance

冲击夯是利用冲击和冲击振动作用分层夯实回填土的压实机械，在公路路基施工工程的回填土夯实中有较为广泛的应用，可以对粘性土、砂及砾石等散状物料进行振动冲击夯压实[1]。随着我国公路路基基建规模的不断扩大，路基填料作为公路施工环节中的重要支撑部分，对整体公路稳定性和耐久性起着至关重要的作用[2-3]。由于我国粉砂土覆盖面积较广，粉砂土通常作为路基填料使用，而由于这种填料存在强烈的毛细作用，在实际应用过程中容易损坏而难以满足应用需求[4-5]。在此基础上，结合公路路基填料的应用需求，对粉砂土填料进行改性处理已成为必然趋势[6]，文章以水泥、石灰和粉煤灰为改性材料，考察其配比对粉砂土填料各项物性指标的影响，以期为粉砂土填料改性及高质量路基填料开发提供技术支撑。

1 试验材料与方法

取某地区地表层粉砂土（素土）为原料，依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》对土体进行筛分，结果表明粒径0.075～2mm和<0.075mm的占比分别为69%和30%，含水率为7.9%。为了对路基填料粉砂土进行改性，以水泥（表观相对密度3.05、粒度<0.5mm为100%）、石灰（含水率0.53%、0.71mm方孔筛余0.43%）和粉煤灰（细度14%、烧失量7.0%、堆积密度0.75g/cm3、含水率0.11%）作为主要原料。

结合基于冲击夯下的回填土夯实的路基填料的实际应用需求，设计了表1所示的正交试验表。其中，水泥含量分别为2%和4%，石灰含量分别为5%和7%，粉煤灰含量分别为2%和4%。

根据JTG E40-2007《公路土工试验规程》和JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行击实试验，测试素土和改性土的最佳含水率和最大干密度;根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行直剪试验，测试7d和28d剪切强度;根据JTG E51-2009进行改性土和素土的无侧限压缩强度试验，取5组试样的平均值作为测试结果。

2 试验结果与分析

图1为素土和改性土的最佳含水率测试结果。对比分析可知，对于未添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，其最佳含水率为12%;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量2%、石灰含量5%和粉煤灰含量2%时，改性图S1的最佳含水率为12.62%;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量2%、石灰含量7%和粉煤灰含量4%时，改性图S2的最佳含水率为12.43%;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量4%、石灰含量5%和粉煤灰含量4%时，改性图S3的最佳含水率为12.5%;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量4%、石灰含量7%和粉煤灰含量2%时，改性土S4的最佳含水率为13.1%。4种改性土的最佳含水率都高于素土，且最佳含水率从高至低顺序为：S4>S1>S3>S2。

图2为素土和改性土的最大干密度测试结果。对比分析可知，对于未添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，其最大干密度为1.81g/cm3;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量2%、石灰含量5%和粉煤灰含量2%时，改性图S1的最大干密度为1.74g/cm3;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量2%、石灰含量7%和粉煤灰含量4%时，改性圖S2的最大干密度为1.76g/cm3;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量4%、石灰含量5%和粉煤灰含量4%时，改性图S3的最大干密度为1.79g/cm3;对于添加水泥、石灰和粉煤灰改性的素土，当水泥含量4%、石灰含量7%和粉煤灰含量2%时，改性图S4的最大干密度为1.78g/cm3。结合图1的素土和改性土的最佳含水率测试结果可知，当对素土进行改性后，改性土的最佳含水率都相较素土有所增加，而最大干密度有所减小，这主要是因为水泥、石灰和粉煤灰改性过程中会发生水化反应而消耗部分水，造成改性土的最佳含水率有所最大;此外，水化反应过程中形成的胶浆物会吸附部分素土颗粒而形成蜂窝结构，造成改性土的最大干密度减小。

图3为改性土的7d剪切强度曲线。对于S1试样，随着垂直压力从100kPa增加至400kPa，S1改性土的剪切强度呈现逐渐增加的趋势;改性土S2、S3和S4的垂直压力-剪切强度曲线中同样可见剪切强度随着垂直压力增加而逐渐增大的趋势。

图4为改性土的28d剪切强度曲线。与改性土7d剪切强度曲线相似的是，随着垂直压力从100kPa增加至400kPa，S1改性土的剪切强度呈现逐渐增加的趋势;改性土S2、S3和S4的垂直压力-剪切强度曲线中同样可见剪切强度随着垂直压力增加而逐渐增大的趋势。

表2为素体与改性土的7d和28d剪切强度指标。可见，素土的7d和28d内摩擦角都为32.01°、粘聚力都为8.71kPa;对于S1改性土，7d内摩擦角和粘聚力分别为40.76°和74.49kPa，28d内摩擦角和粘聚力分别为40.26°和269.96kPa;对于S2改性土，7d内摩擦角和粘聚力分别为44.96°和125kPa，28d内摩擦角和粘聚力分别为44.81°和308.53kPa;对于S3改性土，7d内摩擦角和粘聚力分别为46.86°和142.19kPa，28d内摩擦角和粘聚力分别为47.5°和337.51kPa;对于S4改性土，7d内摩擦角和粘聚力分别为41.63°和152.79kPa，28d内摩擦角和粘聚力分别为39.86°和442.43kPa。改性土的28d粘聚力明显高于7d粘聚力，且改性土粘聚力从大至小顺序为S4>S3>S2>S1，且都明显高于素土;S3改性土的内摩擦角最大，这主要与S3改性土的最大干密度较大，在粒径级配和矿物成分等差异较小时，密度是影响内摩擦角的最大因素。

对于未经过改性的素土，7d和28d无侧限压缩强度分别为190kPa和230kPa;S1改性土的7d和28d无侧限压缩强度分别为595kPa和1570kPa;S2改性土的7d和28d无侧限压缩强度分别为695kPa和1725kPa;S3改性土的7d和28d无侧限压缩强度分别为720kPa和2150kPa;S4改性土的7d和28d无侧限压缩强度分别为740kPa和2210kPa。随着龄期从7d增加至28d，素体和改性土的无侧限压缩强度都有不同程度提高;改性土的7d和28d无侧限压缩强度都明显高于素土，且改性土的7d和28d无侧限压缩强度从高至低顺序为S4>S3>S2>S1。

3 结论

（1）4种改性土的最佳含水率都高于素土，且最佳含水率从高至低顺序为：S4>S1>S3>S2。

（2）对素土进行改性后，改性土的最佳含水率都相较素土有所增加，而最大干密度有所减小，最大干密度从大至小顺序为S3>S4>S2>S1。

（3）改性土的28d粘聚力明显高于7d粘聚力，且改性土粘聚力从大至小顺序为S4>S3>S2>S1，且都明显高于素土;S3改性土的内摩擦角最大。

（4）随着龄期从7d增加至28d，素体和改性土的无侧限压缩强度都有不同程度提高;改性土的7d和28d无侧限压缩强度都明显高于素土，且改性土的7d和28d无侧限压缩强度从高至低顺序为S4>S3>S2>S1。

參考文献

[1] 岳爱敏，李焕坤，黄明利.粉砂土在高速公路路基填料中的应用研究[J].市政技术，2018，36（06）：35-37.

[2]王道领.泡沫轻质土在道路扩建工程中的应用研究[J].合成材料老化与应用，2019（06）：92-96.

[3]张刚，李宏波.水泥硅灰粉砂土剪切强度实验研究[J].宁夏大学学报，2014，35（04）：339-342.

[4]Arizzi A，Viles H，Cultrone G.Experimental testing of the durability of lime-based mortars used for rendering historic buildings[J].Construction & Building Materials，2012，28（1）：807-818.

[5]Baltazar L G，Henriques F M A，Cidade M T.Contribution to the design of hydraulic lime-based grouts for masonry consolidation[J].Statyba，2015，21（6）：698-709.

[6]Pachta V，Papadopoulos F，Stefanidou M.Development and testing of grouts based on perlite by-products and lime[J].Construction and Building Materials，2019，207：338-344.