風(fēng)化砂對膨脹土性能的影響

風(fēng)化砂對膨脹土性能的影響

膨脹土是一種具有斷裂和收縮性的特殊粘性土壤。其礦物成分以親水性較強的蒙脫石和伊利石為主,遇水后強度大幅度下降。膨脹土對公路的破壞作用主要表現(xiàn)在路基的濕脹干縮變形導(dǎo)致路面的開裂,使柔性路面凹凸不平和翻漿冒泥,因裂縫滲水導(dǎo)致強度下降而引起路塹和路堤坍塌、滑坡、縱裂和沉陷等。膨脹土對公路的破壞通常具有多發(fā)性、反復(fù)性、長期潛在性。很多學(xué)者對采用摻石灰、水泥、粉煤灰改良膨脹土的強度特性進行了大量的試驗研究,通過研究可知:膨脹土摻入石灰之后,改良膨脹土的早期強度很低,經(jīng)過很長時期的養(yǎng)生之后強度才會提高,并且對養(yǎng)生的條件要求較高,不利于現(xiàn)場施工控制。摻水泥改良膨脹土能夠明顯地提高改良膨脹土的強度,但是改良土容易因水泥的收縮而產(chǎn)生裂縫,且存在著應(yīng)力峰值,在荷載的長期作用下,強度會降低;由于水泥的硬化較快,所以摻水泥改良膨脹土施工操作時間較短,現(xiàn)場施工控制難度較大。摻粉煤灰改良膨脹土能夠提高膨脹土的抗剪強度,但是對無側(cè)限抗壓強度的影響較小,摻粉煤灰改良膨脹土施工對于現(xiàn)場養(yǎng)生、拌和條件,以及施工控制要求較高,成本相對較高。以往由于過多地注重對膨脹土的膨脹變形研究,常常忽視了對其強度特性的研究。事實上,由于膨脹土的力學(xué)特殊性和分布的廣泛性,研究膨脹土的強度特性有著重要的現(xiàn)實意義。本研究擬通過在膨脹土中摻入不同含量的風(fēng)化砂,找到一種新的改良方法,并通過室內(nèi)試驗,為風(fēng)化砂改良膨脹土提供理論參考。1膨脹土基本性質(zhì)試驗用膨脹土取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)小溪塔至鴉鵲嶺一級公路K24+000—K26+000段,膨脹土土樣顏色為灰色,有滑感,黏土質(zhì)較重,肉眼可看到少量的白色鈣質(zhì)結(jié)核;風(fēng)化砂顏色為土黃色,顆粒較細。通過對膨脹土進行顆分試驗、液塑限試驗、自由膨脹率試驗及含水率等指標測定可得到試驗用膨脹土基本性質(zhì)指標,見表1。由表1可知,該膨脹土為含水率較高的中液限黏土;膨脹等級為弱膨脹,活性指數(shù)較大。通過對風(fēng)化砂進行顆分試驗、含水率等試驗可得到試驗用風(fēng)化砂的基本性質(zhì)指標,見表2。由表2可知,風(fēng)化砂土樣中粒徑大于0.075mm的含量達73.35%(大于50%),且不均勻性系數(shù)2.84(小于5),曲率系數(shù)0.86(小于1),為級配不良的粉砂。風(fēng)化砂的活性指數(shù)比膨脹土的要小得多。2砂土的量比砂土將風(fēng)化砂按照不同的摻入率摻入到膨脹土中,并進行對比試驗。本試驗摻砂率(質(zhì)量比)采用六種情況:1)砂∶土為0∶100;2)砂∶土為10∶90;3)砂∶土為20∶80;4)砂∶土為30∶70;5)砂∶土為40∶60;6)砂∶土為50∶50;對應(yīng)的試樣編號為1號、2號、3號、4號、5號、6號。膨脹土摻砂效果1)摻入風(fēng)化砂之后,改變了膨脹土的顆粒分布曲線,降低了膨脹土中黏粒和粉粒的含量,提高了膨脹土中粗粒的含量。摻砂之后,黏粒含量比摻砂之前下降了18%,粉粒含量比未摻砂之前下降了31.5%,粗粒含量比摻砂前提高了6.9%。2)摻入風(fēng)化砂之后,改變了膨脹土的含水特性,提高了膨脹土的塑限,降低了膨脹土的液限和塑性指數(shù),說明摻砂改良膨脹土是可行的。3)摻入風(fēng)化砂之后,明顯降低了膨脹土的活性指數(shù),說明摻砂能夠降低膨脹土的親水性,增加膨脹土的水穩(wěn)定性,但是由于風(fēng)化砂與膨脹土的相對密度比較接近,所以摻砂對相對密度的影響較小。4)隨著摻砂率的增大,摻砂膨脹土塑限增大的趨勢先慢后快,當摻砂率小于10%,塑限增長的趨勢較慢,當摻砂率大于10%時,塑限增長的趨勢逐漸加快。5)隨著摻砂率的增大,液限減小的趨勢先快后慢,當摻砂為0%~30%時,液限減小的幅度較大,當摻砂率大于30%時,液限降低的趨勢逐漸變緩慢,最后趨于平緩。6)隨著摻砂率的增大,塑性指數(shù)減小的趨勢先快后慢,當摻砂率為0%~30%時,塑性指數(shù)減小的趨勢基本上呈直線下降,當摻砂率大于30%時,塑性指數(shù)減小的幅度逐漸變小。7)隨著摻砂率的增大,摻砂膨脹土的活性指數(shù)減小的趨勢逐漸變緩。當摻砂率為0%~30%時,活性指數(shù)減小的幅度較快,當摻砂率大于30%,活性指數(shù)減小的趨勢逐漸變緩。3風(fēng)砂不同加入率對膨脹土膨脹性指標的影響根據(jù)JTGE40—2007規(guī)定,對上述6種風(fēng)化砂改良膨脹土試樣進行養(yǎng)護,并分別進行自由膨脹率、有荷膨脹率、無荷膨脹率、膨脹力試驗,找出風(fēng)化砂不同摻入率對膨脹土膨脹特性指標的影響規(guī)律,驗證風(fēng)化砂改良膨脹土方案的可行性。風(fēng)化砂不同摻入率對膨脹土膨脹性指標的影響情況,見圖2。由圖2可見:1)摻砂膨脹土的自由膨脹率比未摻砂前顯著降低,說明摻砂對于抑制弱膨脹土的膨脹起到了一定的作用。2)隨著風(fēng)化砂摻入率的增大,無荷膨脹率逐漸減小,無荷膨脹率從9.39%減小到6.83%。摻砂膨脹土的膨脹率比未摻砂前低,但是摻砂之后無荷膨脹率減少的量不是很明顯,說明摻砂對膨脹土的無荷載膨脹率的影響較小。3)摻砂膨脹土的有荷膨脹率隨著摻砂率的增大逐漸減小;隨著摻砂率的增大,摻砂膨脹土的有荷膨脹率減小的幅度逐漸增大。4)隨著摻砂率的增大,摻砂膨脹土的膨脹力逐漸減小,說明摻砂對于抑制膨脹土的膨脹起到了一定的效果;隨著摻砂率的增大,摻砂膨脹土的膨脹力減小幅度逐漸變緩慢。4不同的風(fēng)化砂含量對土壤肥力指數(shù)的影響4.1摻砂率對摩擦角的影響根據(jù)JTGE40—2007,試驗前先分別將膨脹土和風(fēng)化砂碾碎之后過2mm標準篩,在105~110℃下烘干至恒重,然后在干燥器中冷卻后按照設(shè)計的配合比分別配制不同摻入率的摻砂土樣。根據(jù)重型擊實試驗得到的最佳含水率和最大干密度,見表3,制作不同摻砂率下的直剪試驗的試樣,試樣直徑61.8mm、高20mm。直接剪切試驗采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀,將不同摻砂率下的試樣分別在100,200,300,400kPa豎向壓力下進行快剪試驗,每個編號的摻砂土樣做4組平行試驗,取平行試驗差值滿足精度要求的四組結(jié)果的平均值作為最終試驗結(jié)果。摻砂率對內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c的影響見圖3、圖4。由試驗結(jié)果能看出:膨脹土中摻入風(fēng)化砂之后,土樣的內(nèi)摩擦角增大,且隨著摻砂率的增大而增大,但增大量相對來說較小,說明摻砂對膨脹土的內(nèi)摩擦角的影響較小。摻砂膨脹土的黏聚力隨著摻砂率的增大,土樣的黏聚力先增大后減小,當摻砂10%時,黏聚力達到最大,當摻砂量大于40%時,摻砂土樣的黏聚力小于純膨脹土的黏聚力;隨著摻砂率的增大,摻砂土樣黏聚力變化的趨勢也逐漸改變,當摻砂量小于10%,土樣的黏聚力增大的趨勢較快,當摻砂量大于10%,黏聚力開始下降,下降的趨勢較慢,當摻砂量大于40%時,黏聚力下降的趨勢變快。4.2摻砂率對抗壓強度的影響將風(fēng)干碾細的膨脹土土樣和風(fēng)化砂分別過5mm標準篩,在105~110℃下烘干至恒重,然后在干燥器中冷卻后按照設(shè)計的配合比分別配制不同摻入率的土樣。參照JTGE51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中無側(cè)限抗壓強度試驗規(guī)程燜料制樣,采用圓柱形試驗,高度和直徑比為1,試驗尺寸為ue78810×100mm,含水率控制在最佳含水率,壓實系數(shù)控制為0.96。不同摻砂率下的土樣,每組做9個平行試樣,采用萬能壓力試驗機進行試驗,壓力機加載速率控制在1mm/min。同一組試驗中,按照3倍的均方差剔除異常值,然后分別求出平均值Rc、標準差S、變異系數(shù)Cv和代表值Rc0.95,計算結(jié)果見表4。摻砂率對膨脹土的無側(cè)限抗壓強度平均值、代表值的影響見圖5、圖6。通過圖5、圖6可見:在無側(cè)限的條件下,摻砂土樣的抗壓強度隨著摻砂率的增大呈先增大后減小狀,當摻砂率為10%時,土樣的抗壓強度最大。摻砂膨脹土的抗壓強度變化趨勢隨著摻砂量的改變而改變,當摻砂量小于10%時,土樣的抗壓強度增大的幅度較大,此時摻砂對膨脹土抗壓強度影響較大,當摻砂量大于10%,摻砂土樣的抗壓強度減小的趨勢較快,當摻砂量大于30%時,摻砂土樣的抗壓強度減小的趨勢趨于平緩,說明此時摻砂對膨脹土的抗壓強度影響較小。4.3風(fēng)基膨脹土體性能的cbr值試驗將風(fēng)干碾細的膨脹土土樣和風(fēng)化砂過20mm標準篩,在105~110℃下烘干至質(zhì)量恒定,然后在干燥器中冷卻后按照設(shè)計的配合比分別配制不同摻入率的土樣。根據(jù)重型擊實試驗得到的最佳含水率,分別配制最佳含水率狀態(tài)下的摻砂土樣,然后燜料24h制樣,制樣采用CBR試筒,按照要求分別制作不同壓實度要求下的試驗,然后浸水4d后測貫入度。試驗采用多功能路面材料強度儀,每個土樣做2組平行試驗,取試驗結(jié)果滿足精度要求的兩組試驗的平均值作為最終的試驗結(jié)果,見圖7。由圖7可見:摻入風(fēng)化砂之后,膨脹土的CBR值比未摻砂之前增大,當摻砂量為10%時,摻砂土樣的CBR值比純膨脹土的CBR值增大了79%,當摻砂量達到40%時,摻砂土樣的CBR值比純膨脹土的CBR值增大了243%,說明摻入風(fēng)化砂對膨脹土的CBR值影響較大。隨著摻砂率的增大,摻砂土樣的CBR值增大的趨勢也逐漸改變,當摻砂量小于10%時摻砂土樣的CBR值增大的幅度較大,當摻砂率大于10%時,摻砂土樣的CBR值增大的趨勢逐漸變緩慢,當摻砂率大于30%時,摻砂土樣的CBR值變化的趨勢逐漸變快。4.4土樣回彈模量的測定將風(fēng)干碾細的膨脹土土樣和風(fēng)化砂過20mm標準篩,在105~110℃下烘干至恒重,然后在干燥器中冷卻至恒溫后按照設(shè)計的配合比分別配制不同摻入率的土樣。根據(jù)重型擊實試驗得到的最佳含水率,分別配制不同摻砂率最佳含水率狀態(tài)下的土樣,然后燜料制樣,試樣直徑152mm、高120mm,采用重型擊實標準進行制樣?；貜椖Ａ吭囼灧椒ú捎贸休d板法,儀器采用杠桿壓力儀。每個土樣做三組平行試驗,取平行試驗差值滿足精度要求的三組結(jié)果的平均值作為最終試驗結(jié)果,見圖8。由圖8可見:隨著摻砂率的增大,摻砂土樣的回彈模量呈先增大后減小,當摻砂率為10%時,回彈模量最大;當摻砂率大于10%時,回彈模量逐漸減小,當摻砂率大于30%后,改良土的回彈模量小于純膨脹土的回彈模量。隨著摻砂率的增大,摻砂土樣的回彈模量值改變的趨勢也逐漸改變,當摻砂量小于10%時,摻砂土樣的回彈模量值增大的趨勢較快,當摻砂率大于10%時,摻砂土樣的回彈模量值減小的趨勢先快后慢,當摻砂率大于40%時,摻砂土樣的回彈模量值變化的趨勢逐漸平緩。5摻砂率對膨脹土的影響1)摻入風(fēng)化砂之后,改變了膨脹土的顆粒分布曲線,降低了膨脹土中黏粒和粉粒的含量,提高了粗粒的含量;改變了膨脹土的含水特性,提高了膨脹土的塑限,降低膨脹土的液限和塑性指數(shù);能夠明顯降低膨脹土的活性指數(shù),說明摻砂能夠降低膨脹土的親水性,增加膨脹土的水穩(wěn)定性,摻砂改良膨脹土是可行的。2)摻砂膨脹土的自由膨脹率比未摻砂前有顯著的降低,隨著摻風(fēng)化砂率的增大,無荷膨脹率逐漸減小,摻砂膨脹土的有荷膨脹率隨著摻砂率的增大逐漸減小,隨著摻砂率的增大,摻砂膨脹土