干湿循环下水泥改良高液限黏土力学特性试验

2022-11-24张海凤

高速铁路技术 2022年5期

张海凤

（鲁南高速铁路有限公司，济南 250014）

公路和铁路路基建设过程中常遇到高液限黏土。高液限黏土具有天然含水率大、渗透性及水稳性较差、压实困难等特点，属于工程中的典型不良土。为满足工程应用，需要对高液限黏土进行改良处理。

水稳性差的土常可采用化学方法进行改良。工程中常见的化学改良方法包括水泥改良、石灰改良和粉煤灰改良等。通常利用常规试验条件下的CBR 试验、无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验和直剪试验对化学改良高液限黏土的强度特性开展研究，并根据强度指标大小评价改良效果，以确定改良土的最优配合比［1-4］。然而，常规试验条件没有考虑干湿循环作用的影响，与工程实际相差较大。在我国南方地区，由于地区雨水充足，地下水位上升和下降是十分常见的事情，干湿循环的影响是路基出现病害的主要原因［5］。因此，对于很多路基工程项目，即便路基填料在常规试验条件下的强度满足工程项目或规范要求，路基仍会因干缩湿胀而出现开裂、不均匀沉降和滑塌等病害。为此，许多学者对改良土的干湿循环特性进行了研究，针对木质素改良土，夏林枫等［6］设计了干湿循环条件下的三轴压缩试验，在分析干湿循环作用对黏聚力和内摩擦角影响的基础上，评价改良效果；崔宏环等［7］利用干湿循环试验研究了干湿循环对CBR 值的影响，评价了水泥改良粉质黏土的改良效果。目前，现有研究通常是采用单一的试验指标评价改良效果和确定最优的改良技术参数［8-11］，工程应用效果通常较差。

本文对不同水泥掺量的试样开展干湿循环条件下的三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验，分析黏聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度等强度参数与干湿循环次数之间的关系，综合试验结果评价改良效果，确定最优水泥掺量等技术参数，工程应用效果通常较差。

1 试验方案

1.1 制样和试样干湿循环处理

土样取自广西百色市，塑性指数为22.1，液限是56.8%，为高液限黏土。考虑到工程应用中改良土内掺入水泥的质量百分比（以下简称水泥掺量）通常大于3%［12-15］，在高液限黏土中分别掺入质量百分比为4%、5%、6%、8%和10%的水泥，根据相应的最优含水率和最大干密度制作试样。素土（水泥掺量为0）和水泥改良土的塑性指数、液限、最大干密度和最优含水率等物理参数如表1所示。

表1 素土和水泥改良土的物理参数表

针对土样的干湿循环处理，目前尚未有统一的试验标准。本文参照文献［10］提出的方法对试样进行干湿循环处理：首先，对试样实施标准养护，当养护龄期达到28 d 后，在室温条件下让试样自然风干，直至试样的含水率减少30%。然后，利用真空饱和法让试样吸水饱和，此操作过程为对试样进行1 次干湿循环处理。重复该操作过程可以对试样开展多次干湿循环处理。对于本文试验，干湿循环次数记为M，M取值为0、2、4、8 和14，即本文试验需要对经历0、2、4、8和14 次干湿循环处理的试样开展试验。

1.2 三轴压缩试验

利用TSZ-6A 型应变控制式三轴仪对经过干湿循环处理的试样开展固结不排水三轴压缩试验。试样为圆柱体，高度为80 mm，直径为39.1 mm。围压分别为S=100、150、300 kPa。先在试样侧向和轴向施加围压，让试样等向固结，然后在轴向施加偏压荷载。用应变控制模式进行轴向加载，轴向加载速率为0.06%／min。

试样的水泥掺量方案有5 种，水泥掺量分别为4%，5%，6%、8%和10%。对应任意1 种水泥掺量方案，每个围压加载下均需要5 个水泥掺量相同的试样，这5 个试样分别经历0、2、4、8 和14 次干湿循环处理。由于加载时的围压为3 个，因此，三轴压缩试验一共需要75 个试样。

对试验数据进行处理，根据摩尔库伦强度准则得到土的黏聚力和内摩擦角。对于经过M 次干湿循环处理的试样，试样的黏聚力和内摩擦角分别记为CM和。由试验结果可以得到水泥掺量不同试样的CM～M 关系和～M 关系。

1.3 无侧限抗压强度试验

利用电液伺服的无侧限抗压试验仪对经过干湿循环处理的试样开展无侧限抗压强度试验。试样为圆柱体，直径为50 mm，高为50 mm。加载模式为力加载。在试样轴向施加力，加载速率为0.8 mm／min。和三轴压缩试样一样，无侧限抗压强度试样的水泥掺量方案同样有5种（水泥掺量分别为4%，5%，6%、8%和10%）。对应任意1 种水泥掺量方案，均需要制作5 个水泥掺量相同的试样，并对这5 个试样分别进行0、2、4、8 和14 次干湿循环处理，因此，无侧限抗压强度试验所需试样数为25 个。

2.试验结果及分析

2.1 三轴试验结果及分析

（1）干湿循环对黏聚力的影响

对于水泥掺量不同的改良土，黏聚力和干湿循环次数之间的关系（CM～M）如表2所示。

表2 黏聚力和干湿循环次数关系表

从表2可看出，当水泥掺量一定时，黏聚力CM随干湿循环次数M 的增加而衰减。例如，当水泥掺量为5%时，随着M 从0 增加到14，CM从221.2 kPa 衰减到164.8 kPa。例如，当水泥掺量为8%时，随着M 从0 增加到14，CM从285.6 kPa 衰减到260.8 kPa。

为反映黏聚力的衰减程度，设干湿循环条件下黏聚力的衰减率为：

由图1可知，水泥改良土的黏聚力的衰减率随干湿循环次数的增大而增大，M=14 时黏聚力的衰减率最大，即最大。当水泥掺量为4%、5%、6%、8%和10%时，α14分别为25.5%、19.2%、14.3%、8.7%和7.5%。随着水泥掺量的增大，黏聚力的最大衰减率减小，这表明随着水泥掺量的增加，改良土的黏聚力受干湿循环的劣化影响减小。当水泥掺量大于8%时，黏聚力的衰减率较小，最大衰减率小于10%。

图1 黏聚力衰减率随干湿循环次数变化曲线图

（2）干湿循环对内摩擦角的影响

对于不同水泥掺量的改良土，其内摩擦角和干湿循环次数之间的关系（～M）如表3所示。当水泥掺量一定时，内摩擦角随干湿循环次数M 的增加而衰减。当水泥掺量为4%时，随着M 从0 增加到14，从34.6 ° 衰减到31.5°；当水泥掺量为6%时，随着M 从0 增加到14，从37.8 ° 衰减到35.8 ° 。

表3 内摩擦角和干湿循环次数关系表

为反映内摩擦角的衰减程度，设干湿循环条件下内摩擦角衰减率为：

由图2可知，水泥改良土的内摩擦角衰减率随干湿循环次数的增大而增大，M=14 时内摩擦角的衰减率最大，即β14最大。当水泥掺量为4%、5%、6%、8%和10%时，β14分别为9.0%、7.2%、5.3%、3.4%和2.8%，均小于10%。随着水泥掺量的增大，内摩擦角的最大衰减率逐渐减小，且最大衰减率较小。由此可见，干湿循环作用虽然对内摩擦角产生一定的劣化影响，但影响较小。