粉砂改良土抗剪强度特性试验研究

叶朝良,李 青,岳祖润

(石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 050043)

粉砂改良土抗剪强度特性试验研究

叶朝良,李 青,岳祖润

(石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 050043)

通过无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、三轴压缩试验,对纯砂和水泥改良粉砂的强度特性进行试验研究,结果表明:该粉细砂存在一定的黏聚力,其最优水泥的掺入比为3.5%;水泥掺入对粉砂来说主要体现在c值的增长上,对φ值的影响不明显;水泥改良粉砂的强度随着龄期的延长而增加。

路基填料;粉砂;水泥改良土;强度;试验

汉宜铁路正线路基全长125.0 km,占全线长度42.8%,但铁路沿线路基A、B组填料缺乏,而C组填料(指当地的粉砂)分布广泛,但由于粉砂土特殊的颗粒组成和形状导致其路用性能极差,高速公路和高速铁路的路基施工中基本不采用粉砂土作为填筑材料。高速铁路对路基的工后沉降有严格的要求,无砟轨道路基工后沉降应符合扣件调整能力和线路竖向线圆顺的要求,工后沉降不宜超过15 mm;当沉降比较均匀且竖曲线型圆顺时,允许的工后沉降为30 mm。高速铁路路堤的填料宜选用A、B组填料和C组碎石、砾石类填料;当选用C组细粒土填料时,应根据填料性质进行改良后填筑[1]。

近年来,对粉砂改良土的研究相对较少。孙四平[2]等人针对秦沈客运专线东段优质填料严重缺乏,对沿线大量的粉砂土通过掺和角砾土进行了物理稳定改良,现场试验表明,物理改良后的填料,力学指标满足填筑要求,压实方便。章国辉[3]结合秦沈客运专线A14～A20标段沿线广泛分布粉砂土,无法满足路堤压实标准的要求,对粉砂土物理改良配比进行了试验,进而提出了一套改良土施工工艺。李希明等[4]基于Soilfix固化剂改良粉砂土的最优配合比,进行了改良粉砂土的CBR试验、回弹模量试验和干湿循环试验,结果表明Soilfix固化剂能明显提高粉砂土的路用性能。陈湘亮[5-6]等根据相关文献及试验测试结果,对武广高速铁路中弱-强风化泥质粉砂岩物理改良土进行综合评价并对弱-强风化泥质粉砂岩用作高速铁路路堤填料的适宜性进行了试验研究,王思海[7]研究了粉砂土的工程性质、压实机理和路基边坡水毁机理,结果表明水毁破坏一般发生在边坡表面。胡向东[8]对上海灰黄色粉砂开展水泥改良土冻胀融沉性质的试验研究揭示了水泥改良土拟制冻胀融沉的机理、检验水泥改良地层治理冻胀融沉的有效性。赵勇[9]对泥质粉砂岩全风化物化学改良土路基的动力特性进行了测试研究。尹正贵等[10]通过对多种改良粉砂土进行击实试验,得到改良土所对应的最佳含水量与最大干密度,并对试验结果进行分析,说明双掺石灰、水泥在增强粉砂土压实度方面的效果更好。

为因地制宜利用当地粉砂填料,拟采用水泥为改良剂对粉砂进行改良。结合工程实际要求,通过重型击实试验、无侧向抗压强度试验确定出最优水泥掺入比。在此基础上,进行了不同龄期的直接剪切试验、固结试验、无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验等,研究其强度特性。

1 粉砂基本物性指标

试验所用粉砂土取于湖北省仙桃市境内。试验得到粉砂土的颗粒密度为2.71g/cm3。采用筛分法和移液管法相结合,得到粉砂的颗粒级配见表1,级配曲线见图1。

表1 粉砂的颗粒分析试验结果%

图1 粉砂1～6号样级配曲线

颗粒分析试验结果表明,其粒径单一,颗粒分布均匀,大于0.075 mm的颗粒含量在76.9%～81.9%左右,根据文献[11]判定为粉砂;根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)的要求,粉砂属于C组填料,不满足高速铁路路基设计的要求。级配曲线的曲率系数Cc和不均匀系数Cu值,均不能同时满足Cu＞5,Cc= 1～3的要求,故该粉砂级配不良,粒径在0.075～0.25 mm的颗粒含量在75%左右,说明粉砂在粒径0.075～0.25 mm大量集中。

粗颗粒土的性质主要取决于土的颗粒级配,与其物理力学性质有着一定的关系。由于粉砂粒径较小,磨圆度好,且级配不良,在工程荷载作用下一般不会发生颗粒被压坏或挤坏,容易产生滑移,难以压实,容易受到水的冲刷作用,产生表层溜滑。

2 水泥改良粉砂最优配合比的确定

2.1 重型击实试验

通过纯砂和水泥掺入比分别为3%、5%、8%、10%土样的重型击实试验得到不同掺入比下的最大干密度和最佳含水率,击实试验结果见表2。

_________表2 纯砂及水泥改良粉砂击实试验成果

从表2和图2、图3中可以看出:粉砂的最大干密度随着水泥掺入比的增加几乎成线性增大,但增加幅度不大;最佳含水率随着掺入比的增加呈下降的趋势。

图2 水泥掺入比与最优含水率的关系

图3 水泥掺入比与最大干密度的关系

按照规范[12]规定进行。通过重型击实试验,确定出不同水泥掺入比条件下的最大干密度和最佳含水率;然后按照不同的压实系数进行制样并养护,按照规范要求养生期取7 d,养生期最后一天放入水中浸泡24 h,之后进行无侧限抗压强度试验,进而确定出满足规范要求的水泥掺入比,并进行验证试验。

2.2 无侧限抗压强度试验

按照规范要求的压实系数(K=92%、K=95%)进行制样,无侧限抗压强度测定仪器采用三轴压缩仪,试样的变形速率为0.9 mm/min。养护到期后进行试验。7 d无侧限抗压强度试验结果见表3和图4。

___________表3 7 d无侧限抗压强度试验数据

图4 水泥掺入比、压实度与无侧限抗压强度的关系

通过表3和图4可看出,水泥改良粉砂的无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而不断提高。水泥掺入比为3%时,K=95%比K=92%的平均强度提高了大约43.3%;水泥掺入比为5%时,K=95%比K=92%的平均强度提高了大约38.0%,水泥掺入比为8%时, K=95%比K=92%的平均强度提高了大约5.0%。随着掺入比的增加,压实系数对水泥改良土影响越来越弱。当水泥掺入比为8%时,强度随压实系数的提高不是特别显著。

遵照高速铁路路基设计规范,根据上述试验结果,结合现场施工工艺,从安全角度出发,确定室内试验的最优水泥掺入比为3.5%。

3 水泥改良粉砂抗剪强度特征

通过对纯砂和水泥掺入比为3.5%时土样进行直接剪切和三轴压缩试验,分析粉砂改良前后强度的变化,以及压实度、龄期对其抗剪强度的影响。

3.1 直接剪切强度

直接剪切试验结果见表4,抗剪强度参数c、φ随龄期的变化见图5和图6。

从表4中数据可以看出纯砂的c值和φ值,随着压实系数的增长而略有增长。一般认为,纯砂的c值应该为0,而本地区粉砂的c值大于0,并与粉土比较相近,产生这一结果的原因是在粉砂中含有一定量的细粒土;另一方面是由于粉砂是在最佳含水率的条件下进行测定的,水的存在使粉砂具有负孔隙水压,从宏观上就表现为一定的“假黏聚力”。

3.5 %水泥的加入对粉砂的抗剪强度的影响是比较明显的,特别是对c值的影响,当压实系数K=92%时,从纯砂的21.3 kPa到3 h30 min的38.3 kPa提高了近1倍,再到28 d的93.1 kPa,提高了约3.5倍。但掺入水泥后对φ值的影响比较小,随着龄期的增长,K= 92%时变化范围为33.5°～41.8°、K=95%时变化范围为35.8°～42.5°。由此可以得出,3.5%的水泥加入对粉砂的影响将主要体现在c值的影响上,而且在龄期为14 d之前增长较快也比较明显。随着龄期的增长c值也在提高,增幅有逐渐减小的趋势。

压实系数对水泥改良粉砂抗剪强度的影响,在龄期为7 d时,压实系数K=95%的水泥改良粉砂的c值是K=92%的1.37倍;14 d为1.37倍;28 d时为1.24倍。压实系数对其的影响也是体现在c值上,对φ值的影响不明显。

_______________表4 直接剪切试验成果________________

图5 直剪试验改良粉砂c值与龄期的关系

图6 直剪试验改良粉砂φ值与龄期的关系

3.2 三轴剪切强度

对纯砂和水泥掺入比为3.5%的改良粉砂进行固结不排水(CU)试验,据水泥改良粉砂在工程中实际工作的应力状态选择围压分别为50、100 kPa和200 kPa,得到水泥改良粉砂的抗剪强度指标c值和φ值(表5),抗剪强度参数c、φ值与龄期的关系见图7和图8。

_______________表5 三轴剪切试验成果________________

图7 三轴试验改良粉砂c值与龄期的关系

图8 三轴试验改良粉砂φ值与龄期的关系

从表5、图7和图8可以看出,三轴剪切试验结果与直剪试验结果相似,3.5%水泥的加入对粉砂的抗剪强度的影响仍然主要体现在c值上,而且随着龄期的增长而逐渐增长,3 d之内c值的提高是比较快的,以后增幅变小,但是对φ值影响不明显。压实系数对改良粉砂的c值影响比较大,对φ值的影响比较小。

水泥改良粉砂的抗剪强度参数的变化是基于水泥的固化作用而产生的。水泥的加入强化了颗粒间的联结强度,提高了颗粒之间的胶结作用,致使水泥改良粉砂的强度提高,这对于粉砂的压实效果和粉砂路基的边坡稳定有着重要价值。

4 结论

通过无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、三轴压缩试验,对纯砂和水泥改良粉砂所表现出的强度特性进行了试验研究分析,主要结论如下。

(1)通过试验数据分析,结合工程实际和规范要求,选定了水泥的掺入比为3.5%。同时,证明随着养护龄期的延长,水泥改良粉砂的无侧限抗压强度随着龄期的延长而增加。

(2)纯砂的直剪试验和三轴压缩试验(Cu)结果表明汉宜高速铁路粉砂含有一定的细粒土,从而使粉砂具有一定的黏聚力,这对于路基强度和稳定性来说是有利的。

(3)3.5%水泥掺入比对粉砂来说主要体现在c值的增长上,水泥的加入改善了粉砂的内部结构,大大提高了黏聚力c值,从而提高改良粉砂的抗剪强度,但对φ值的影响不是特别明显。水泥的加入强化了颗粒间的联结强度,提高了颗粒之间的胶结作用,致使水泥改良粉砂的强度提高,这对于粉砂的压实效果和粉砂路基的边坡稳定有着重要价值,改良效果是明显的。

[1] 铁道第一勘察设计院.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 孙四平,等.秦沈客运专线粉砂土机械稳定改良试验[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2001,24(6):1101-1104.

[3] 章国辉.粉砂土物理改良配比试验及分析[J].铁道标准设计, 2001(10):42-43.

[4] 李希明,叶为民,冯守中.Soilfix改良粉砂土路用性能试验研究[J].低温建筑技术,2012(12):99-102.

[5] 陈湘亮,等.泥质粉砂岩物理改良土路基长期动力稳定性分析[J].中南大学学报:自然科学版,2012,43(9):3619-3624.

[6] 陈湘亮等.泥质粉砂岩改良土路基填料适宜性试验分析[J].中南大学学报:自然科学版,2013,44(10):4287-4293.

[7] 王思海.高速公路粉砂土路基边坡水毁研究[J].筑路机械与施工机械化,2013(5):73-75.

[8] 胡向东.上海灰黄色粉砂水泥改良土冻胀融沉性质实验[J].煤炭学报,2009,34(3):334-339.

[9] 赵勇.泥质粉砂岩化学改良土动力特性测试与分析[J].铁道工程学报,2012(3):22-25.

[10]尹正贵,等.黄泛区粉砂土路基处理方法的研究[J].河南科学, 2013,31(5):616-620.

[11]铁道第一勘察设计院.TB10077—2001铁路工程岩土分类标准[S].北京:中国铁道出版社,2001.

[12]中铁第一勘察设计院集团有限公司.TB10102—2010铁路工程土工试验规程[S].北京:中国铁道出版社,2011.

Experimental Study on Shear Strength Performance of Cement-improved Silty Sand

YE Chao-liang,LI Qing,YUE Zu-run
(College of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

The strength performance of pure sand and cement-improved silty sand is studied with unconfined compressive strength test,direct shear test and triaxial compression test.The test results show that the silty sand has certain cohesion,the best content of cement is 3.5%;silty sand mixed with cement increases mainly the cohesion and influences less obviously the internal friction angle and the strength of cement-improved silty sand increases with curing age prolonged.

Subgrade fillings;Silty sand;Cement-improved soil;Strength;Test

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.009

1004-2954(2014)12-0036-04

2014-04-19;

20140507

国家科技支撑计划(2012BAG05B00)

叶朝良(1969—),男,教授,工学博士,E-mail:yechl001@ 163.com。