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水泥改良西藏林芝地区粉土路用性能试验研究

更新时间:2009-03-28

随着“一带一路”战略的实施,西藏地区基础建设步伐加快,其中道路的建设对于地区经济发展与文化交流至关重要,然而西藏地区广泛分布的粉土给公路建设带来了巨大麻烦,由于粉土具有失水成灰、吸水成泥的显著不良特征,且粉粒含量较多而黏粒和粗粒含量相对较少,在路基填筑时由于难以压实、CBR值较低以及无侧限抗压强度较小常常被弃置或改良。常用的处理方法有物理改良[1]、化学改良[2-5]以及加强粉土路基的排水和隔水。此外,西藏地区年温差大和冬季昼夜温差大的独特气候对区域粉土的性质有较大影响[6],因此开展该地区路基粉土的力学特性研究及如何进行改良使其路用性能满足要求具有十分重要的意义。本文提出利用水泥改良该区域粉土,通过试验以确定合适水泥掺量使其满足公路路基填土的要求。

1 试验研究方法

1.1 土的基本性质

本次实验用西藏林芝地区八一镇比日神山山脚下的坡积粉土,取土深度为土层表面以下1~2 m处,其中粘粒(d<0.005 mm)含量占8.8%,粉粒(0.005~0.075 mm)的含量占74.7%,具体物理力学性质指标见表1。本文选用海螺牌32.5普通硅酸盐水泥,初凝时间为4 h,符合规范要求[7]

1.2 试验思路与设计

本文首先对不同掺量(0%、2%、4%、6%、8%)水泥改良粉土进行击实试验,以确定不同掺量水泥改良粉土的最优含水率和最大干密度,然后制作对应含水率和干密度的试样进行水稳定性试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验,以及考虑冻融循环作用下无侧限抗压强度试验。目的是分析获得不同水泥含量在不同冻融循环次数作用下的力学特性和水泥最佳配合比。其中冻融循环设定为先将养护28 d的试样密封放在-20℃的低温箱中,冷冻12 h,之后将试样取出,放在20℃的养护箱中融化12 h,此为一个循环。

2 试验结果与分析

2.1 压实特性试验研究

素土和不同掺量(2%、4%、6%、8%)水泥改良粉土击实试验如图1。水泥改良粉土的最优含水率基本稳定在17.5%左右,最大干密度随着水泥掺量的增加,呈现微弱的增长。即从2%掺量时的1.71 g/cm3,4%掺量时为1.72 g/cm3,6%掺量时为1.72 g/cm3,在水泥掺量为8%时,达到1.73 g/cm3。因此,获得素土和不同掺量(2%、4%、6%)的水泥改良粉土最优含水率为17.5%。

1.意识形态性较少。哈贝马斯认为,与传统的意识形态相比,科学技术所具有的意识形态性更为隐秘,更具有欺骗性甚至显露出“非意识形态性”的特征。科学技术成为了第一生产力,极大地满足了人们的需求,由此不断的麻痹、消解着社会成员的反抗与批判意识,使其产生一种错觉,即政治的科学技术化——政治舆论的消失,彻底掩盖了资本主义政治的不合理性。

2.2 CBR试验结果分析

通过试验可以得出水泥改良粉土经过不同次数的冻融循环后其静载峰值强度如图9。由图可知,经过第1次冻融循环后其强度衰减最明显,平均强度衰减均在200 kPa以上。5次冻融循环后强度基本都趋于稳定,强度衰减均变化不大。对于掺量2%试样,在冻融循环15次时,强度仍有降低,而4%、6%试样在冻融5次后均开始有微弱的反弹出现(曲线反翘),这说明掺量较高时,试样28 d龄期时水泥改良粉土的水化反应仍在进行,使试样强度在经受冻融作用后强度有轻微的“自愈合”现象,但这种水化反应导致的强度增长已经极为缓慢,这与文献[8]的结论类似。

回弹模量是表征水泥土在受到正向压力时产生变形,且在正向压力卸载后,能够完全恢复的一段变形所对应的模量。在无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线上,其表现为峰值应力前的某一段直线阶段。考虑到水泥改良粉土应力应变曲线在应变为0%~0.5%这一段也趋近弹性变形的直线段,为了计算简便,本文以0.5%应变所对应的变形模量,作为水泥改良粉土的回弹模量。计算出的不同冻融循环次数后改良粉土的回弹模量的变化如图11。

由图2可知在相同压实度条件下,改良粉土的CBR值与水泥掺量有良好的线性关系。表现为不同压实度的改良粉土CBR值均随水泥掺量的增长呈现线性增长。由图3可知,在相同掺量条件下,改良粉土的CBR值随压实度的增长而显著增长,增长速率越来越快。水泥掺量越高的改良粉土,在同压实度段,其曲线越陡,即水泥掺量越高,其CBR值增长越快。90%、93%压实度的改良粉土即使掺入6%的水泥,其CBR值24.4%、36.2%也小于掺量2%,压实度96%改良粉土的CBR值40.2%。这表明,在水泥改良粉土的压实度和水泥掺量两个控制指标中,压实度对CBR值的影响更大。因此,在实际水泥改良粉土施工中,压实度是更为重要的控制指标。

 

表1 土的基本物理性质指标Tab.1 Results of physical behaviors of soil speciments

  

天然含水率/% 有机质含量/% 易溶盐含量/% 液限WL17/% 塑限WP/% 塑性指数Ip 比重GS 13~24 0.71 0.018 31.5 22 9.5 2.63

  

图1 不同掺量水泥改良粉土击实曲线Fig.1 Concrete compaction curve of different dosage cement

  

图2 CBR随水泥掺量的变化规律Fig.2 Variation of CBR with cement content

2.3 无侧向抗压强度试验

无侧限抗压强度是路基填料的一项重要指标。基于以上击实和CBR试验,制作含水率为17.5%,相对压实度为96%,掺量分别为0、2%、4%、6%、8%的水泥改良粉土经过7 d标准养护后,进行浸水24 h后的无侧限抗压强度试验。

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2.4.4 冻融循环对水泥改良粉土回弹模量的影响

世界各国可以成为命运共同体,因为各国之间存在着共同利益、人类整体利益。当今世界,人类整体面临的问题越来越超越人类之间的分歧和对抗。网络空间更是如此,世界各国在网络空间的合作远远大于竞争。

  

图3 CBR值随压实度的变化规律Fig.3Variation of CBR with compaction

  

图4 强度随掺量的变化规律Fig.4 Variation of strength with cement content

2.4 考虑冻融循环的力学特性试验研究

通过计算得出不同掺量的水泥改良粉土的抗冻性指数变化如图10。水泥改良粉土的抗冻性能在3%掺量时抗冻指数BDRα为61.4%,4%掺量时为73.8%,5%时为78.2%,6%时为79.7%,即随掺量的增加,BDRα逐渐增长,但增长趋势逐渐趋缓。这是由于水泥水化生成的结晶物使土体形成抗冻性能较散体颗粒结构强的骨架结构,掺量越高,骨架结构之间的联结越紧密,导致胶结作用越强,即抗冻性能越强。

2.4.1 融循环作用对不同掺量水泥改良粉土应力应变的影响

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通过观察水泥改良粉土在无侧限抗压强度试验中的破坏规律,可以发现试样的破坏过程如下:在低应变加载下,试样处于弹性阶段;随着正向压应力的增大,试样产生塑性变形;在达到峰值强度后,内部的微弱裂隙快速变大,颗粒发生错动,在外观上看,即为图5(a)试样表面的纵向裂缝;随着应力的进一步增大,表面裂缝越来越大,试样顶部形成典型的“锥型破坏”,这是一种明显的脆性破坏模式,如图5(b)。

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从图6、图7、图8可以看出,水泥掺量2%、4%或6%的试样随着冻融循环次数的增长,改良粉土的无侧限抗压强度逐渐降低,10次时最低,但和冻融5次试样相比,应力应变曲线趋于重合。因此,建议在实际工程中可以以冻融循环5次后的强度作为水泥改良粉土的设计参考强度。如果以应变达到5%(2.5 mm)时应力应变曲线上对应的应力作为残余强度,在相同掺量条件下,未冻融改良粉土的残余强度比冻融后的大。

2.4.2 冻融循环对水泥改良粉土静载峰值强度影响

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图5 加载过程中的破坏形态Fig.5 Damage during loading

  

图6 含2%水泥粉土的单轴应力应变曲线Fig.6 Uniaxial stress-strain curve with 2% cement silt

  

图7 含4%水泥粉土的单轴应力应变曲线Fig.7 Uniaxial stress-strain curve with 4% cement silt

  

图8 含6%水泥粉土的单轴应力应变曲线Fig.8 Uniaxial stress-strain curve with 6% cement silt

  

图9 改良粉土经不同冻融次数后的峰值强度Fig.9 Peak intensity of modified silt by different freezing and thawing times

由于在实际的路基施工完成后,路基一般不会出现立即浸水饱和现象,而是需要几天甚至数月才可能完全浸水饱和。因此,为了模拟真实工况下的水泥改良粉土的CBR值增长情况,在本次试验时采用先将改良粉土试件气养3 d,之后再浸水养护4 d。

其中BDRα为掺量α时改良土的抗冻性指数; R0为28 d龄期未冻融的无侧限抗压峰值强度;Rmin为28 d龄期在15次冻融循环过程中峰值强度的最小值。

本文采用计算水泥改良粉土的抗冻性能公式[7]

 

2.4.3 水泥改良粉土抗冻性能与水泥掺量的关系

为了探讨冻融循环对水泥改良粉土强度的影响,本文通过对不同掺量水泥改良粉土经28 d养护后,进行不同冻融循环,最后在万能试验机上进行无侧限抗压强度试验。

其中纯粉土试样由于入水10 min内完全崩解,未进行浸水24 h;掺量2%改良粉土浸水24 h后只有极个别试样出现轻微颗粒剥落的现象;掺量4%及以上的改良粉土试样未发生明显的软化或颗粒剥落情况。得到水泥改良粉土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增长规律如图4。无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而呈线性增长,在掺量达到4%时,改良粉土的7 d龄期无侧限抗压强度达到0.815 MPa,满足二级公路改良粉土底基层7 d无侧限抗压强度≥0.8 MPa的要求。

在改良土击实试验的数据基础上,对90%、93%、96%三种压实度以及2%、4%、6%共3种掺量的改良土进行浸水CBR实验,以评价改良粉土的CBR值。由表2可知不处理粉土在96%压实度的情况下,CBR值也只有4.9%,不能满足二级公路填方路基上路床CBR值≥6%的要求,因此必须采取措施。

  

图10 抗冻性指数随水泥掺量的变化规律Fig.11 Variation law of frost resistance index with cement content

由图11可以看出,随着冻融次数的增加,水泥改良粉土的回弹模量逐渐降低,从第5次冻融开始降低越来越缓,几乎不变。随着掺量的增加,回弹模量降低越少。

2.4.5 冻融循环对改良粉土冻胀率和融沉率的影响

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图12和图13分别给出了水泥掺量为4%改良粉土的冻胀率和融沉率随冻融次数变化规律,由图可知在掺入4%水泥时,试样的相对最大冻胀率出现在第1次冻胀时,为0.57%。之后的第2次冻胀,冻胀率减小到只有0.22%,其后环比冻胀率逐次减弱,至第7次时,几乎稳定在0左右。而试样的相对最大和最大融沉率出现在第1次融沉时,最大值0.25%,后面的第2次融沉,融沉率降低至0.15%,之后逐次降低,直至第4次基本稳定,至第7次不再融沉。同时得出,在密封不给水的条件下,可以以第1次的冻胀率和融沉率作为设计参数,水泥掺量为4%时可满足路基填料冻胀率小于1%的规定。

3 结语

1)不同掺量的水泥改良粉土的最优含水率几乎不变,最大干密度随掺量增加缓慢增大。

2)西藏地区不处理的粉土的CBR不能满足二级公路填方路基上路床CBR≥6%的要求。

3)在冻融循环作用下水泥改良粉土仍为脆性破坏模式,在实际工程可以以冻融循环5次后的强度作为水泥改良土的设计参考强度。

4)结合强度试验和冻胀融沉试验结果,4%以上掺量的水泥改良粉土能够满足规范对路基填料水稳定性、CBR值、无侧限抗压强度和冻胀融沉率的要求。

  

图11 回弹模量随冻融次数的变化规律Fig. 11 Variation law of resilient modulus with freezing and thawing times

  

图12 冻胀率随冻融次数变化规律Fig. 12 Variation rule of frost heave rate with freezing and thawing times

  

图13 融沉率随冻融次数变化规律Fig.13 Variation law of thawing rate with freezing and thawing times

参考文献:

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[3]武庆祥,彭丽云,龙佩恒.石灰、水泥对粉土的改良研究[J].公路,2015,60(9):14-19 .

[4]张 涛,刘松玉,蔡国军,等.木质素改良粉土热学与力学特性相关性试验研究[J]. 岩土工程学报,2015,37(10):1876-1885.

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[5]姜 冲,黄 珂,杜 伟,等.水玻璃改良低液限粉土的室内试验研究[J].河北工程大学学报:自然科学版,2016,33(4):42-46.

[6]陈肖柏,刘建坤,刘鸿绪,等.土的冻结作用与地基[M].北京:科学出版社,2011:18-19.

[7] JTG E51-2009,公路工程无机结合稳定材料试验规程[S].

[8]袁赛峰.水泥改良林芝粉土路用性能试验研究[D].南京:河海大学,2016:55-80.

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施海建,张福海,袁赛峰,袁明月
《河北工程大学学报(自然科学版)》2018年第01期文献

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