冻融作用下粉煤灰/石灰改良粉砂土静力特性研究

王丽霞，韩 兵，张云龙，王 静，孙 爽，张馨月

吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118

0 引言

粉砂土在自然情况下具有含水率较低、细颗粒毛细作用发达等特性,粉砂土路基冻结时易发生水分迁移和积聚的现象[1].我国季冻区分布广泛,路基土随着季节性或长期性温度变化等因素进行了冻结、融化的过程,这种冻融循环严重影响路基的承载力和耐久性[2-6].由于季冻区和粉砂土分布的广泛,在道路工程建设时难以避免遇到季冻区粉砂土路基,完全换填会使工程成本大幅增加，故在冻融循环作用下研究改良粉砂土路基很有必要.

目前,有关冻融循环作用下石灰改良路基土的效果得到了广泛的认可,但研究的土质一般为膨胀土、黏土、软土、盐渍土和黄土等路基土[7-14]且采用石灰和粉煤灰/石灰(以下简称二灰)改良粉砂土路基的研究却不多.已有研究表明,改良土的抗冻融耐久性良好,但并不是掺量越多越好,而是需要确定最佳掺量.

本文通过对石灰改良粉砂土的静力特性研究,找到石灰改良粉砂土中的石灰最佳掺量,再以此掺量为基础,加入粉煤灰进行二灰改良,找到粉煤灰/石灰改良粉砂土中的二灰最佳掺量比,为季节性冻土区粉砂土路基底层填料的改良设计提供参考.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

土样取自松原,为东北的粉砂土质,试验选用石灰掺合料对粉砂土进行改良.根据《公路土工试验规程》[15],获得土样基本物理参数如表1所示.

表1 土样基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of soil samples

1.2 试验设计

分别选取0 %，4 %，6 %，8 %和10 %的石灰掺量,在不同冻融循环次数和围压下进行静三轴试验[16-17].选择冻结温度为-20、冻结时间为12 h,融化温度为20 ℃、融化时间为12 h,此过程为1个周期的循环 (24 h).冻融循环次数为0次 ～ 12次.冻融循环完成后,取出试样,进行静三轴不固结不排水(Unconsolidated undrained,英文缩写为UU)剪切试验.

通过对比分析各石灰掺量下粘聚力、内摩擦角和抗剪强度,确定并获得石灰改良路基粉砂土中的石灰最佳掺量,并在此石灰最佳掺量基础上外掺粉煤灰进行二灰改良,选取的粉煤灰:石灰掺量比分别为1∶1,2∶1,3∶1和4∶1,进行不同冻融循环次数和围压下的静三轴试验.

1.3 试验过程

图1 TSZ全自动三轴仪Fig.1 TSZ automatic tri-axial instrument

石灰改良粉砂土的主要步骤:首先,将一定量石灰加入土样并初步搅拌,加入达到最佳含水率所需的蒸馏水量,并拌匀,密封,浸润一夜.利用击实器分三层击实使石灰土达到96 %的压实度,所得试样尺寸为高度H=80.0 mm、直径D=39.1 mm,用保鲜膜包裹密封后,为了达到自然养护180 d的最终效果,放在60 ℃高温养护箱中进行养护,养护时间为7 d. 第8天开始进行冻融循环试验.本试验仪器选用南京智龙科技开发有限公司出厂的TSZ全自动三轴仪(见图1),围压为20 kPa，50 kPa和80 kPa,加载速率为0.8 mm/min,控制应变为19 %(峰值停止).

二灰改良粉砂土所用养护条件和试验方法同上.

2 石灰改良粉砂土试验

通过击实试验,得到石灰改良粉砂土在各掺量下的最佳含水率和最大干密度,结果如表2所示.

表2 石灰改良粉砂土的最佳含水率和最大干密度Table 2 Optimum moisture content and maximum dry density of silty soil improved by lime

2.1 冻融对石灰改良粉砂土粘聚力的影响

各掺量下石灰改良粉砂土粘聚力与冻融循环次数的关系如图2所示.各掺量下石灰改良粉砂土前后粘聚力相对变化量[即:(石灰改良粉砂土的粘聚力-素土的粘聚力)/素土的粘聚力]与冻融循环次数的关系如图3所示.

图2 不同掺量石灰改良粉砂土粘聚力与冻融循环次数的关系Fig.2 Relation between the cohesion and the numberof freezing-thawing cycles of the silty soil improved by different contents of lime

图3 不同掺量石灰改良粉砂土粘聚力相对变化量与冻融循环次数的关系Fig.3 Relation between the relative variable quantity in cohesion and the number of freezing-thawing cycles of the silty soil improved by different contents of lime

由图2可知,在相同条件下,冻融循环次数增加时,土体粘聚力的大小呈波动状态.粘聚力初期的减小可能是由于土体刚开始进行冻融,环境的突然变化导致土体中水分变化较大,颗粒间进行了重组,粘结能力降低.掺入的石灰与土体中的水反应生成有胶结作用的物质,使土颗粒结合更加紧密,粘聚力增加.因此,土体中发生的化学变化和冻融循环导致的颗粒重组是引起粘聚力不断波动的原因.在本文所涉及到的石灰各掺量中,当石灰掺量为6%时,石灰改良粉砂土粘聚力受冻融循环作用的影响最小,表明6 %石灰掺量的石灰改良粉砂土抗冻性较好.

由图3可知,粘聚力波动幅度随石灰掺量的增大而减小,当掺量为6 %时,不同冻融循环次数下粘聚力的最大值是素土(即未改良土)的4.67倍;在掺量相同时,一般在第4次冻融循环后粘聚力的增幅最小,第8次冻融循环后粘聚力的增幅最大.与石灰掺量为8 %，10 %的改良粉砂土相比,石灰掺量为4 %，6 %的改良粉砂土粘聚力的增幅相对较大,且与石灰掺量为4 %的改良粉砂土比较,石灰掺量为6 %的改良粉砂土粘聚力更稳定.综合考虑经济性和稳定性,以粘聚力为目标指标时,石灰掺量为6 %较合理.

2.2 冻融对石灰改良粉砂土内摩擦角的影响

各掺量的石灰改良粉砂土内摩擦角与冻融循环次数的关系如图4所示.各掺量的石灰改良粉砂土前后内摩擦角相对变化量[即:(石灰改良粉砂土的内摩擦角-素土的内摩擦角)/素土的内摩擦角]与冻融循环次数的关系如图5所示.

由图4～图5可知,石灰改良后的粉砂土的内摩擦角明显大于素土的内摩擦角.当石灰掺量相同时,内摩擦角的变化与冻融循环次数无明显关系,基本在10°～25°之间波动,且在第5次冻融循环时增幅较为明显.当冻融循环次数相同时,随石灰掺量的增加,内摩擦角基本上呈先增后减趋势且一般当石灰掺量为8 %时内摩擦角最大.因此,当以内摩擦角为指标时,石灰掺量为8 %较合理.

图4 不同掺量石灰改良粉砂土内摩擦角与冻融循环次数的关系Fig.4 Relation between the internal friction angle andthe number of freezing-thawing cycles of the siltysoil improved by different contents of lime

图5 不同掺量石灰改良粉砂土内摩擦角相对变化量与冻融循环次数的关系Fig.5 Relation between the relative variable quantity ininternal friction angle and the number of freezing-thawingcycles of the silty soil improved by different contents of lime

2.3 冻融对石灰改良粉砂土抗剪强度的影响

土体通常都是因剪切而被破坏.土体产生剪切破坏是因为土颗粒的抗压能力较强且土体产生相对滑移的情况更为常见.将静三轴试验测得的参数代入下式：

τ=0.5(σmax-σmin)sin2(45°+0.5φ)

(1)

式中,τ为破坏面的剪应力,kPa;σmax为最大主应力,kPa;σmin为最小主应力,kPa;φ为内摩擦角,°.

由式(1)算出破坏面的剪应力,又因破坏面上的剪应力等于土的抗剪强度,因此可得抗剪强度,进而给出最佳含水率时不同石灰掺量的改良粉砂土在不同围压作用下抗剪强度与冻融循环次数之间的关系,如图6所示.

图6 不同围压下不同掺量石灰改良粉砂土抗剪强度与冻融循环次数的关系Fig.6 Relation between the shear strength and the number of freezing-thawing cycles ofthe silty soil modified by different contents of lime under different confining pressure values

由图6可知,相同的石灰掺量和冻融循环次数条件下,抗剪强度随围压的增大而增大.当石灰掺量相同时,抗剪强度的变化与冻融循环次数无明显关系,但抗剪强度在一定范围内波动.在本文所涉及到的石灰各掺量中,当石灰掺量为6%时,石灰改良粉砂土抗剪强度受冻融循环作用的影响最小,表明6 %石灰掺量的石灰改良粉砂土抗冻性较好.

当冻融循环次数相同时,随石灰掺量的增大抗剪强度先增后减,且当石灰掺量为6 %时抗剪强度最大.因此,当以抗剪强度为指标时,掺量为6 %较合理.

综合考虑粘聚力、内摩擦角、抗剪强度、冻融和经济等因素,可得出石灰改良路基粉砂土的石灰最佳掺量为6 %.

3 粉煤灰/石灰(二灰)改良粉砂土试验

通过击实试验得到粉煤灰/石灰(二灰)改良粉砂土各掺入比下的最佳含水率和最大干密度,结果如表3所示.

表3 二灰改良粉砂土的最佳含水率和最大干密度Table 3 Optimum moisture content and maximum dry density of the silty soil improved by fly ash/lime

3.1 冻融对二灰改良粉砂土粘聚力的影响

不同二灰掺量比下改良粉砂土粘聚力与冻融循环次数的关系如图7所示.不同二灰掺量比下改良粉砂土与最佳石灰掺量的改良粉砂土之间粘聚力相对变化量[即:(二灰改良粉砂土的粘聚力-最佳石灰掺量(6 %)改良粉砂土的粘聚力)/最佳石灰掺量(6 %)改良粉砂土的粘聚力]与冻融循环次数的关系如图8所示.

图7 粉煤灰与石灰的不同掺量比改良粉砂土粘聚力与冻融循环次数的关系Fig.7 Relation between the cohesion and the numberof freezing-thawing cycles of the silty soil modifiedby different content ratios of fly ash to lime

图8 粉煤灰与石灰的不同掺量比改良粉砂土粘聚力相对变化量与冻融循环次数的关系Fig.8 Relation between the relative variable quantity incohesion and the number of freezing-thawing cycles of thesilty soil modified by different content ratios of fly ash to lime

由图7可知,二灰改良粉砂土的粘聚力明显高于石灰改良粉砂土的粘聚力.这是因为粉煤灰中含有活性氧化铝和氧化硅,在石灰的激活作用下,生成胶结物和晶体等物质,增强了土体的粘聚力.在二灰掺量比一定的条件下,随着冻融循环次数的增加,粘聚力的变化没有固定规律,但在第1次冻融循环后,粘聚力大体呈增大趋势,随后呈波动状态,并在第8次冻融循环后粘聚力基本达到最小值,在本文所涉及到的二灰各掺量比中,在粉煤灰∶石灰为1∶1时,二灰改良粉砂土粘聚力受冻融循环作用的影响最小,表明1∶1的二灰改良粉砂土抗冻性较好,但其粘聚力偏低.在冻融循环次数一定的条件下,粘聚力随二灰掺量比的增加而增大.

由图8可知,当粉煤灰∶石灰=1∶1时,与单掺石灰相比,粘聚力增大幅度并不明显,相对增幅最大为1.48.当粉煤灰∶石灰=2∶1 ～ 4∶1时,与单掺石灰相比,粘聚力增幅增大,且当粉煤灰∶石灰=4∶1时,相对增幅最大可达3.84 .对粘聚力单一指标而言,二灰改良粉砂土中的粉煤灰∶石灰最佳掺量比为4∶1.

3.2 冻融对二灰改良粉砂土内摩擦角的影响

不同二灰掺量比下改良粉砂土内摩擦角与冻融循环次数的关系如图9所示.不同二灰掺量比下改良粉砂土与石灰最佳掺量的改良粉砂土之间内摩擦角相对变化量[即:(二灰改良粉砂土的内摩擦角-最佳石灰掺量(6 %)改良粉砂土的内摩擦角)/最佳石灰掺量(6 %)的石灰改良粉砂土的内摩擦角]与冻融循环次数的关系如图10所示.

图9 粉煤灰与石灰的不同掺量比改良粉砂土内摩擦角与冻融循环次数的关系Fig.9 Relation between the internal friction angle and thenumber of freezing-thawing cycles of the silty soil modifiedby different content ratios of fly ash to lime

图10 粉煤灰与石灰的不同掺量比改良粉砂土内摩擦角相对变化量与冻融循环次数的关系Fig.10 Relation between the relative variable quantity in internalfriction angle and the number of freezing-thawing cycles of thesilty soil modified by different content ratios of fly ash to lime

由图9 ～ 图10可知,随着冻融循环次数增加,二灰改良粉砂土的内摩擦角没有明显的变化规律,只是在5°～ 45°之间波动,随着二灰掺量比的增加,内摩擦角的变化范围先增后减,且当粉煤灰∶石灰=2∶1时,内摩擦角的变化范围最大为31.7°;内摩擦角受粉煤灰掺入的影响并不大,与石灰改良土相比,后掺入粉煤灰改良土的内摩擦角平均相对变化量为0.26.

3.3 冻融对二灰改良粉砂土抗剪强度的影响

图11 不同围压下粉煤灰与石灰的不同掺量比改良粉砂土抗剪强度与冻融循环次数的关系Fig.11 Relation between the shear strength and the number of freezing-thawing cyclesof the silty soil modified by different content ratios of fly ash to lime under different confining pressure values

由图11可知,当二灰掺量比和冻融循环次数一定时,抗剪强度随围压增大而增大;未冻融时抗剪强度较大,随着冻融循环次数的增加,抗剪强度呈波动变化且在第8次冻融循环时达到最小值;在本文所涉及到的二灰各掺量比中,在粉煤灰∶石灰为1∶1时二灰改良粉砂土抗剪强度受冻融循环作用的影响最小,表明1∶1的二灰改良粉砂土抗冻性较好,但其抗剪强度偏低;在粉煤灰∶石灰为3∶1时二灰改良粉砂土抗剪强度受冻融循环作用的影响较小,表明3∶1的二灰改良粉砂土抗冻性较好和抗剪强度较大.围压一定时二灰改良粉砂土抗剪强度随粉煤灰掺入量的增加而增大.由于石灰能激活粉煤灰活性,随着粉煤灰掺量的增加,加大了土体中粉煤灰与石灰发生反应的可能性,因此,抗剪强度随改良粉砂土中粉煤灰掺量的增加而增大.

综上,得出当二灰改良路基粉砂土的掺量比粉砂土∶粉煤灰∶石灰为9∶3∶1 ～ 9∶4∶1时较好,且当不考虑抗冻性时其掺量比粉砂土∶粉煤灰∶石灰为9∶4∶1更合理.

4 结论

本文通过静三轴试验,分析了不同石灰掺量、二灰掺量改良路基粉砂土粘聚力、内摩擦角和抗剪强度的变化情况,得出如下结论:

(1) 采用石灰改良路基粉砂土时,应通过综合对比分析粘聚力、内摩擦角和抗剪强度等参数的变化情况,得出结论,确定石灰的最佳掺量.工程上,建议在路基粉砂土中掺入6 %的石灰进行改良较为合理.

(2) 在石灰掺量6 %改良粉砂土中再加入不同掺量的粉煤灰,形成粉煤灰/石灰(二灰)改良路基粉砂土,经试验得出结论,确定粉煤灰与石灰的最佳掺量比.工程上,建议在石灰最佳掺量6 %改良粉砂土中掺入粉煤灰,进行二灰改良,采用二灰配比(粉煤灰∶石灰)为4∶1时即当粉砂土∶粉煤灰∶石灰为9∶4∶1时效果较佳.