基于正交设计的红层软岩改良土压缩模量试验研究

张渭军, 王永胜, 马 滔

(1. 甘肃第三建设集团公司, 甘肃 兰州 730000 2. 兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室, 甘肃 兰州 730050)

0 引言

红层是指红色为主的陆相碎屑岩,广泛分布于湖南、四川、云南和甘肃等地,其中北方地区红层约占红层总面积的40%[1],是基坑、道桥等项目建设中时常接触的岩土体。由于红层亲水性强、胶结较差,特别是遇水崩解,使其成为一种工程性质较差的路基回填料,因此若要用作回填料必须对其进行改良。首先,部分学者通过添加外加剂进行改良,例如采用水泥、石灰等材料[2-7],也有采用离子型固化剂等化学制剂[8-9];其他学者通过改进施工工艺使回填料的工程性质满足要求[10-12]。

以上学者通过添加外加剂或改良工艺,并结合试验和数值模拟等手段对红层软岩或泥岩进行改良,并对其击实效果、强度和崩解性等进行研究,少有学者针对改良土的压缩模量进行研究。此外,添加单一外加剂后的改良土压实效果不佳,最大干密度仅1.89 g/cm3[6],由于压实效果直接影响后期填土的压缩性和渗透性,因此为提高土的压实效果,杨宏等[13]将黄土加入提高了最大干密度至2.11 g/cm3,但是上述学者并未考虑其浸水前后物理力学性质的变化。

本文以西北某地铁深基坑工程为依托,采用水泥和黄土作为添加剂,通过正交试验研究上述添加剂在不同掺量下对红层软岩压缩模量的影响,并通过浸水试验研究其水稳定性,评价该改良土在工程中推广的可行性。

1 试验材料及正交试验方案

1.1 试验材料

试样取自某地铁深基坑(图1),其物理力学性质列于表1。由表可知,该红层试样的孔隙比较大,压缩模量较小,根据《工程岩体分级标准》[14],该基坑岩体属于较软岩。水泥采用复合硅酸盐水泥,黄土为兰州本地黄土。

图1 现场取样图Fig.1 Field sampling

表1 红层试样的物理力学性质指标

1.2 正交试验方案及方法

正交试验根据试验的影响因素及其不同取值采用格式化的表格进行试验设计。通过正交表格中数量较少的实验组数得到较为可靠的结论。本次试验选取黄土、水泥两种因素,每种因素5个水平(取值),将压缩模量作为评价指标。试验因素水平列于表2,共25组,每组试验共两个改良样,试验结果取平均值。

表2 正交试验因素水平表

将岩样人工捣碎拌匀后,采用重型击实方法照《公路土工试验规程》[15]制备试样,并按照此规程进行固结压缩试验,养护时间为7天。

2 正交试验结果分析

试验结果列于表3。分别采用极差分析和方差分析对表3进行分析,并评价水泥和黄土对红层软岩改良试样(以下简称改良试样)压缩模量的影响大小及影响规律。

表3 正交试验结果表

2.1 极差分析

表4 黏聚力极差分析表

(1) 水泥与压缩模量的关系

水泥和压缩模量的关系如图2所示(图2曲线仅代表试验因素和评价指标的趋势关系,图3也是如此)。

图2 水泥与压缩模量关系Fig.2 Relation between cement and compression modulus

图3 黄土与压缩模量关系Fig.3 Relation between loess and compression modulus

由图2可知,红层软岩改良土的压缩模量与水泥掺量呈较好的正比关系。同时水泥水化反应增强了改良土颗粒间的黏结;同时,水化生成的CaCO3加强固化了改良土,增加了其抗压能力。

(2) 黄土与压缩模量的关系

图3为黄土和压缩模量的关系。由图可知,压缩模量随黄土掺量的增大而有一定幅度的增长,其斜率明显小于图2关系趋势线的斜率,不同于水泥产生的化学反应,对于破碎后的红层软岩,颗粒粒径组合单一,级配不良,但加入黄土后,粗细颗粒混合,改善了其级配,从而在相同的压实功下,压实效果更好,密实度提高,从而减小了土的压缩性。

2.2 方差分析

由2.1节可知各添加剂对红层软岩改良土压缩模量的影响大小,为明确试验结果变化的影响因素,同时量化外加剂对压缩模量的影响,对试验结果进行方差分析(表5)。

表5 压缩模量方差分析结果

由表5方差分析结论可知:

(1) 对改良土压缩模量影响的主次顺序为水泥→黄土,与2.1节直差分析结果相同,水泥和黄土均对压缩模量的影响显著,且水泥影响性大于黄土。

(2) 对于红层软岩改良土最佳配合比,考虑到造价因素及回填土的压实效果,选取黄土20%,水泥7%。

3 最佳配比下改良土试验

根据第2节正交试验结果得出红层软岩改良土最佳配合比,为进一步研究该改良土的水稳定性,对改良土进行浸水前后的压缩模量试验,同时考虑龄期影响,试验方法同1.2节,部分浸水前后改良试样如图4所示。

图4 试样浸水图Fig.4 Water immersion diagram of sample

由图4可以看出,浸水1天后的改良试样未出现崩解,且盆中水十分清澈,未出现多余杂质,说明改良后的试样耐崩解性得到显著提高,水泥增强了其水稳定性,且黄土并未对改良土造成明显影响,改良土整体性较好。不同养护时间下改良土浸水前后固结压缩曲线如图5所示。

图5 不同龄期下浸水前后改良土的固结压缩曲线Fig.5 Consolidation compression curve of improved soil before and after immersion at different ages

由图可以看出,养护时间较短时,试样曲线遇水前后变化较大;当养护时间为14天时,试样随着垂直压力的加大其曲线出现较大的变化,但总体变化减小;养护时间为21天时,改良试样曲线的斜率放缓且无显著改变;当龄期为28天时,在100～200 kPa时曲线有较小差异,随着固结压力增大,差异变小,说明水对该改良红层试样影响变小。不同龄期下浸水前后改良试样压缩模量如图6所示。

图6 不同龄期下浸水前后改良土的压缩模量Fig.6 Compression modulus of improved soil before and after immersion at different ages

养护龄期为7天时,遇水前改良试样的压缩模量为407.55 MPa,浸水后的试样为378.21 MPa,下降7.2%,由图可以看出浸水后有一定下降幅度,但也存在试验误差的影响;

养护龄期为14天时,遇水前改良试样的压缩模量为536.34 MPa,同比增长31.6%,且增长幅度较大,浸水后的试样为520.78 MPa,下降5.1%;

养护龄期为21天时,浸水前改良试样的压缩模量为648.65 MPa,同比增长18.2%,浸水后的试样为620.76 MPa,下降4.3%,由图可以看出浸水前后试样的压缩模量变化较小;

养护龄期为28天时,浸水前改良试样的压缩模量为694.70 MPa,同比增长7.1%,浸水后的试样为672.47 MPa,下降3.2%,下降幅度更小;

综上,养护时间对改良土压缩模量有较大影响。养护时间较短时,其压缩模量增强显著,但其增长幅度随时间增长有所减弱。另一方面,随着时间增长,遇水后改良试样压缩模量下降减少,说明水对其影响有限。由此可见,改良后红层软岩的压缩模量和水稳定性都得到大幅度增长,黄土的加入在提高了最大干密度和压实效果的同时并未影响到改良试样的水稳定性。

4 结论

本文通过正交试验研究了添加了水泥和黄土的红层软岩改良土压缩模量的变化,并对最佳配比下改良土进行浸水前后试验,初步结论如下:

(1) 根据正交试验结果及其极差分析,黄土和水泥对压缩模量影响显著,压缩模量大小和水泥、黄土等的含量成正比关系,水泥对其提高的程度大于黄土;由此建议在改良土比例为20%黄土和7%水泥。

(2) 对最佳配合比下改良土试验表明,当养护龄期为7～14天时,压缩模量提高较多;当养护龄期为21～28天时,压缩模量提高7.1%,提高最小,但其压缩模量在浸水后仅有3.2%变化。

(3) 改良土的压缩模量在得到大幅增长的同时其水稳定性较好,试验证明黄土的加入在提高了最大干密度和压实效果的同时并未对改良试样造成负面影响,因此该改良土作为回填料具有一定的可行性。