冰水堆积体路基填料水泥改性试验研究_罗永巍.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206031开放科学（资源服务）标识码（OSID）冰水堆积体路基填料水泥改性试验研究罗永巍1，陈显福1，王 强2，李修磊3，曾 彬3，吴进良2（1.四川省交通建设集团股份有限公司，成都610041；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；3.重庆交通大学河海学院，重庆400074）摘要：采用成乐高速公路桩号 K71+000 处冰水堆积体土样，水泥掺量分别为 3%、4%、5%、6%，开展土工击实、承载比、无侧限抗压强度、直剪试验等，得到改良前后颗粒级配、塑性指数、CBR 值、无侧限抗压强度和抗剪强度等参数，探究冰水堆积体用作路基填料可行性。研究表明：改良后冰水堆积体最大干密度、CBR 值、无侧限抗压强度（7、14、28 天）、黏聚力和内摩擦角均随水泥掺量增加而增大；水泥掺量小于 5%时，指标随水泥掺量近似呈线性增大；水泥掺量大于 5%时，指标随水泥掺量增加，增大幅度有明显减弱。确定出最佳水泥掺量为 5%，各项指标均符合路基填料规范要求，冰水堆积体经改良后可用作路基填料。关键词：冰水堆积体；路基填料改良；水分损失试验；土工击实试验；水泥掺量中图分类号：U416文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0013 05 0 引言冰水堆积体是一种介于碎裂岩体和均质土体之间的第四纪或近代冰川融水搬运沉积物，是由冰川携带的大量松散物质在间冰期受冰川运动及融水搬运作用所形成的典型堆积地层1-2。在我国西南地区的高原河谷地带广泛分布着第四纪冰水堆积体，由于冰水堆积体成因特殊、成分复杂，未得到广泛使用。近年来，随着西南地区交通建设的不断发展，越来越多的公路修筑在冰水堆积体上或存在大量冰水堆积体挖方，这些冰水堆积体路用性能较差，不能直接用作路基填料3-4。为了避免大量弃方造成环保问题，有必要对冰水堆积体作为路基填料的改良方法进行系统深入研究。目前，对于冰水堆积体作为路基填料研究较少，工程经验也较少5，冰水堆积体不能直接作为路基填料，需进行改良过后使用。翟世聪等6探讨了颗粒组成对冰水堆积体路基填料工程特性影响，为指导现场调整填料颗粒级配提升工程特性提供依据；祝敏刚等7通过冰水堆积体石灰改性试验，得出石灰掺入可很好地改良冰水堆积体，最佳掺灰比为 7%。在土体改良中，由于取材方便、施工简便，水泥常作为改良材料8-9，且均取得不错效果，在不良路基土改良处理中得到广泛应用10。本文通过加入不同掺量的水泥对乐山地区冰水堆积体进行改良，得出冰水堆积体在不同水泥掺量改良方案中击实特性与强度性能的变化趋势，从而确定最佳水泥掺量，为该区域工程设计、施工与质量控制提供参考依据。1 试样和试验方法 1.1 试样基本信息试验样品取自成乐高速公路靠近乐山地区桩号 K71+000 取土点，采样现场，见图 1。土样属于含细粒土砂类，主要由漂卵砾石土组成，呈土黄色。图1冰水堆积体采样现场 粒径筛分试验是分析各种粒径土颗粒在土体中的含量，土体颗粒的大小及不同粒径土颗粒的含量对土体本身的工程性质有着重要影响，与土的工程应用密切相关11。通过筛分试验可以得出试验土样 收稿日期：2022 10 15基金项目：四川省交通建设集团股份有限公司课题：成乐高速扩容建设项目冰水堆积体路基施工质量控制关键技术研究（川交建养护（2020）-CL-93）作者简介：罗永巍（1982），男，四川广元人。工程师，主要从事建设工程施工管理方面的工作。E-mail：。罗永巍，等：冰水堆积体路基填料水泥改性试验研究 13 的级配曲线，见图 2。公路路基设计规范12规定：作为路堤填料土的液限需小于 50%且塑性指数要小于 26。3 处土样的液限及塑性指数试验结果均相差很小，可认为试验土样具有一定的代表性。通过试验测定得到未经水泥改良冰水堆积体原始土样的基本物理力学性质，见表 1。01000 100 1010.1 0.01 0.00110080604020 小于某粒径的土质量百分数/%土颗粒粒径/mm图2冰水堆积体试样的级配曲线 表1冰水堆积体试样的物理力学指标不均匀系数天然含水率/%干密度/（gcm3）液限/%塑限/%塑性指数曲率系数黏聚力/kPa内摩擦角/（）33.8632.161.8941.2627.114.160.4434.527 1.2 试验方法 1.2.1 水分损失试验对冰水堆积体改良目的：提高其强度以适应交通荷载；降低其含水率以改善现场压实效果。采用烘干法测定试验之前冰水堆积体的天然含水率，再拌合不同水泥掺量的土样，放入塑料袋闷料 12 小时后，测定拌合后改良土的含水率。1.2.2 土工击实试验土工击实试验主要步骤为闷料、击实和数据整理。将原土过 40 mm 筛，放入 105110 的烘箱内烘干后，再按照 10%、12%、13%、14%、15%的含水率制备土样，共准备 5 份试样，每份试样不小于 6 kg，加入水后闷料一夜。在垫块上放置薄膜，将之前闷好的土样分 3 层依次均匀加入试筒内，每层加入的土样控制在 1 700 g 左右，用击实仪击实 98 次。击实完毕后称土与试桶的质量，取出试样，从试样中心处取代表性的土样计算含水率。击实试验现场，见图 3。a 重型击实仪 b 振动击实试 现场图3击实试验现场 水泥改良土的击实试验选用振动压实法。土样中有部分 40 mm 以上的颗粒，而重型击实仪适用的最大颗粒粒径为 40 mm，如果直接筛出这部分土，将会出现试验土样与现场土体的颗粒级配有较大的误差，因此，需要对土样中大于 40 mm 的颗粒进行预处理。采用等效替代法4，即选用与粒径超出 40 mm 部分土粒等质量的 540 mm 的颗粒，加权平均替代后进行击实，此方法可以使土样更接近原样土的结构。1.2.3 承载比试验根据室内击实试验的结果，加入适量的水充分拌和，保证试验土的状态处于最佳含水率附近，闷料备用；然后准备 3 组试件，每组试件每层击实30、50、98 次，共分 3 层；将击实完成后的试筒放入水中浸泡 96 小时13，试样浸水现场，见图 4；最后使用路强仪进行贯入试验。图4现场部分试样浸水 1.2.4 无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验14-15参照击实试验结果，按照最大干密度与最佳含水率的状态制样，静置试样 24 小时后进行压力机击实；试样脱膜后立即用保鲜膜封住，并迅速放入保温箱养生；最后，测其不同养生龄期下的无侧限抗压强度，压力机保持变形速率为1 mm/min，加载直到试样破坏16。试样在制备过程中加水量要比计算值少一些，预留的水需在试样成型前 1 小时内再加入进行充分拌和，使水泥与水的拌和效果更好。1.2.5 直接剪切试验直接剪切试验采用全自动直剪仪，见图 5。图5全自动直剪仪 本次试验选用固结快剪，先施加垂直荷载，使试样中的水分排出，然后以 0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平推力，土样在几乎不排水的状态下路基工程 14 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）迅速被剪切破坏，过程控制在 35 分钟内。试验土样选用取样点一处土，试样直径 61.8 mm、高20.0 mm。2 试验结果分析 2.1 水分损失试验水泥改良土试样试验前后含水率，见表 2。冰水堆积体水泥改良土的水分损失率随着水泥掺量的提高而增大，水泥对于降低冰水堆积体天然含水率是有效果的。水泥掺量 3%时，试验土样的含水率与试验前相比降低了 0.76%，水泥掺量提高到6%时，试验土样的含水率较 5%掺量土仅降低了 0.31%，其含水率降低的百分点随着掺量的提高开始呈减小趋势。水泥掺量小于 5%时，水泥对冰水堆积体天然含水率的降低作用较显著。表2水泥改良土试样试验前后含水率水泥掺量/%3456试验前/%32.1632.1632.1632.16试验后/%31.4030.8530.2729.96 2.2 土工击实试验不同掺量的水泥改良土的最大干密度与最佳含水率，见表 3。随着水泥掺量的增加，水泥改良冰水堆积体混合料的最佳含水率有轻微的增大，是由于当水泥加入到冰水堆积体时，水泥与土中水分发生水化反应，同时土颗粒的凝聚也增大了水泥改良土的最佳含水率，但总体的最佳含水率变化幅度不大，且都略高于原状土的最佳含水率17。随着水泥掺量的变化，改良土的最大干密度几乎保持不变，说明水泥对于冰水堆积体的最大干密度影响较小。4 种掺量的水泥改良土在含水率处于 16%18%范围时，其干密度下降幅度较大，体现了这种土的压实性能极易受到水的影响。表3不同掺量水泥改良土的最大干密度与最佳含水率水泥掺量/%03456最大干密度/（gcm3）1.8901.9111.8871.9201.925最佳含水率/%14.4014.1014.6014.7014.70 2.3 承载比试验CBR 值的计算结果，见表 4。在 96%的压实度下，不掺加水泥的冰水堆积体浸水后的 CBR 值为 6.68%，不能满足路床填料的最小承载比要求。水泥掺量 3%时，冰水堆积体的 CBR 值达 49.38%，增大了约 6 倍，可较好地满足路床填料的最小承载比要求。随着水泥掺量增加，CBR 值呈现出明显的增长趋势，且增长幅度较大，掺量 6%时，增强效果可达到近 13 倍，增长幅度十分显著。表4压承载比（CBR）试验结果水泥掺量/%03456CBR/%6.6849.3865.1277.8386.34 2.4 无侧限抗压强度试验水泥改良土无侧限抗压强度，见表 5。随着水泥掺量的增加，冰水堆积体水泥改良土的无侧限抗压强度有着非常明显的提升，水泥的掺量对改良土的强度影响十分显著18。表5水泥改良土无侧限抗压强度水泥掺量/%03456无侧限抗压强度/kPa7 d 543.5 802.7 934.11108.61201.214 d 543.5 894.21027.31263.91394.028 d 543.51001.61294.71465.41580.3随着试样养护龄期的增加，水泥与土体的反应越加充分，改良土的无侧限抗压强度也都同步增长。不同掺量水泥的冰水堆积体改良土，7 天龄期的强度基本呈线性关系。水泥掺量 5%时，7、14 天无侧限抗压强度增长较快；水泥掺量 4%时，28 天无侧限抗压强度增长较快；水泥掺量 6%时，无侧限抗压强度的增长幅度开始趋于缓慢。原因在于水泥掺入到冰水堆积体中会发生水解水化反应，其化学产物会促使改良土强度增大；随着水泥掺量的增加，生成物不断增多，改良土的强度随之增大，但生成物的离子浓度也逐渐增大，水解水化反应速率逐渐减缓，甚至出现逆反应，造成改良土强度增大的幅度减小19。2.5 直剪试验冰水堆积体水泥改良土的抗剪强度参数，见表 6。冰水堆积体的黏聚力随着水泥掺量的增加逐渐增大，近乎成线性关系。水泥掺量 5%时，其黏聚力增长最快，掺量 6%时，其黏聚力可达到未加水泥前的近 5 倍。内摩擦角与水泥掺量成正相关的关系。水泥掺量 6%时，内摩擦角比未加入水泥时增大约五分之一。表6水泥改良土抗剪强度水泥掺量/%03456黏聚力c/kPa34.573.291.5122.8145.3内摩擦角/（）27.030.231.3 32.9 33.4 3 最佳水泥掺量的确定根据以上试验数据，当水泥掺量从 3%增加到 6%时，冰水堆积体拌和后的含水率由 31.40%罗永巍，等：冰水堆积体路基填料水泥改性试验研究 15 下降到 29.96%，下降了约 1.5%；在标准击实作用下的最大干密度从 1.911 g/cm3增大到 1.925 g/cm3，最佳含水率从 14.40%增大到 14.70%，最大干密度及最佳含水率均略微增大，意味着水泥改良对冰水堆积体的击实特性具有一定的提升效果；CBR 值从 49.38%增大到 86.34%，提升了接近一倍，7 天无侧限抗压强度从 802.7 kPa 增大到 1 201.2 kPa，增加了50.00%；黏聚力从73.2 kPa 增大到145.3 kPa，可见水泥对冰水堆积体的强度特性增强效果显著。水泥改良方案对该地区冰水堆积体