风化砂对膨胀土性能的影响

风化砂对膨胀土性能的影响

膨胀土是一种具有断裂和收缩性的特殊粘性土壤。其矿物成分以亲水性较强的蒙脱石和伊利石为主,遇水后强度大幅度下降。膨胀土对公路的破坏作用主要表现在路基的湿胀干缩变形导致路面的开裂,使柔性路面凹凸不平和翻浆冒泥,因裂缝渗水导致强度下降而引起路堑和路堤坍塌、滑坡、纵裂和沉陷等。膨胀土对公路的破坏通常具有多发性、反复性、长期潜在性。很多学者对采用掺石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土的强度特性进行了大量的试验研究,通过研究可知:膨胀土掺入石灰之后,改良膨胀土的早期强度很低,经过很长时期的养生之后强度才会提高,并且对养生的条件要求较高,不利于现场施工控制。掺水泥改良膨胀土能够明显地提高改良膨胀土的强度,但是改良土容易因水泥的收缩而产生裂缝,且存在着应力峰值,在荷载的长期作用下,强度会降低;由于水泥的硬化较快,所以掺水泥改良膨胀土施工操作时间较短,现场施工控制难度较大。掺粉煤灰改良膨胀土能够提高膨胀土的抗剪强度,但是对无侧限抗压强度的影响较小,掺粉煤灰改良膨胀土施工对于现场养生、拌和条件,以及施工控制要求较高,成本相对较高。以往由于过多地注重对膨胀土的膨胀变形研究,常常忽视了对其强度特性的研究。事实上,由于膨胀土的力学特殊性和分布的广泛性,研究膨胀土的强度特性有着重要的现实意义。本研究拟通过在膨胀土中掺入不同含量的风化砂,找到一种新的改良方法,并通过室内试验,为风化砂改良膨胀土提供理论参考。1膨胀土基本性质试验用膨胀土取自湖北省宜昌市夷陵区小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24+000—K26+000段,膨胀土土样颜色为灰色,有滑感,黏土质较重,肉眼可看到少量的白色钙质结核;风化砂颜色为土黄色,颗粒较细。通过对膨胀土进行颗分试验、液塑限试验、自由膨胀率试验及含水率等指标测定可得到试验用膨胀土基本性质指标,见表1。由表1可知,该膨胀土为含水率较高的中液限黏土;膨胀等级为弱膨胀,活性指数较大。通过对风化砂进行颗分试验、含水率等试验可得到试验用风化砂的基本性质指标,见表2。由表2可知,风化砂土样中粒径大于0.075mm的含量达73.35%(大于50%),且不均匀性系数2.84(小于5),曲率系数0.86(小于1),为级配不良的粉砂。风化砂的活性指数比膨胀土的要小得多。2砂土的量比砂土将风化砂按照不同的掺入率掺入到膨胀土中,并进行对比试验。本试验掺砂率(质量比)采用六种情况:1)砂∶土为0∶100;2)砂∶土为10∶90;3)砂∶土为20∶80;4)砂∶土为30∶70;5)砂∶土为40∶60;6)砂∶土为50∶50;对应的试样编号为1号、2号、3号、4号、5号、6号。膨胀土掺砂效果1)掺入风化砂之后,改变了膨胀土的颗粒分布曲线,降低了膨胀土中黏粒和粉粒的含量,提高了膨胀土中粗粒的含量。掺砂之后,黏粒含量比掺砂之前下降了18%,粉粒含量比未掺砂之前下降了31.5%,粗粒含量比掺砂前提高了6.9%。2)掺入风化砂之后,改变了膨胀土的含水特性,提高了膨胀土的塑限,降低了膨胀土的液限和塑性指数,说明掺砂改良膨胀土是可行的。3)掺入风化砂之后,明显降低了膨胀土的活性指数,说明掺砂能够降低膨胀土的亲水性,增加膨胀土的水稳定性,但是由于风化砂与膨胀土的相对密度比较接近,所以掺砂对相对密度的影响较小。4)随着掺砂率的增大,掺砂膨胀土塑限增大的趋势先慢后快,当掺砂率小于10%,塑限增长的趋势较慢,当掺砂率大于10%时,塑限增长的趋势逐渐加快。5)随着掺砂率的增大,液限减小的趋势先快后慢,当掺砂为0%~30%时,液限减小的幅度较大,当掺砂率大于30%时,液限降低的趋势逐渐变缓慢,最后趋于平缓。6)随着掺砂率的增大,塑性指数减小的趋势先快后慢,当掺砂率为0%~30%时,塑性指数减小的趋势基本上呈直线下降,当掺砂率大于30%时,塑性指数减小的幅度逐渐变小。7)随着掺砂率的增大,掺砂膨胀土的活性指数减小的趋势逐渐变缓。当掺砂率为0%~30%时,活性指数减小的幅度较快,当掺砂率大于30%,活性指数减小的趋势逐渐变缓。3风砂不同加入率对膨胀土膨胀性指标的影响根据JTGE40—2007规定,对上述6种风化砂改良膨胀土试样进行养护,并分别进行自由膨胀率、有荷膨胀率、无荷膨胀率、膨胀力试验,找出风化砂不同掺入率对膨胀土膨胀特性指标的影响规律,验证风化砂改良膨胀土方案的可行性。风化砂不同掺入率对膨胀土膨胀性指标的影响情况,见图2。由图2可见:1)掺砂膨胀土的自由膨胀率比未掺砂前显著降低,说明掺砂对于抑制弱膨胀土的膨胀起到了一定的作用。2)随着风化砂掺入率的增大,无荷膨胀率逐渐减小,无荷膨胀率从9.39%减小到6.83%。掺砂膨胀土的膨胀率比未掺砂前低,但是掺砂之后无荷膨胀率减少的量不是很明显,说明掺砂对膨胀土的无荷载膨胀率的影响较小。3)掺砂膨胀土的有荷膨胀率随着掺砂率的增大逐渐减小;随着掺砂率的增大,掺砂膨胀土的有荷膨胀率减小的幅度逐渐增大。4)随着掺砂率的增大,掺砂膨胀土的膨胀力逐渐减小,说明掺砂对于抑制膨胀土的膨胀起到了一定的效果;随着掺砂率的增大,掺砂膨胀土的膨胀力减小幅度逐渐变缓慢。4不同的风化砂含量对土壤肥力指数的影响4.1掺砂率对摩擦角的影响根据JTGE40—2007,试验前先分别将膨胀土和风化砂碾碎之后过2mm标准筛,在105~110℃下烘干至恒重,然后在干燥器中冷却后按照设计的配合比分别配制不同掺入率的掺砂土样。根据重型击实试验得到的最佳含水率和最大干密度,见表3,制作不同掺砂率下的直剪试验的试样,试样直径61.8mm、高20mm。直接剪切试验采用四联应变控制式直剪仪,将不同掺砂率下的试样分别在100,200,300,400kPa竖向压力下进行快剪试验,每个编号的掺砂土样做4组平行试验,取平行试验差值满足精度要求的四组结果的平均值作为最终试验结果。掺砂率对内摩擦角φ、黏聚力c的影响见图3、图4。由试验结果能看出:膨胀土中掺入风化砂之后,土样的内摩擦角增大,且随着掺砂率的增大而增大,但增大量相对来说较小,说明掺砂对膨胀土的内摩擦角的影响较小。掺砂膨胀土的黏聚力随着掺砂率的增大,土样的黏聚力先增大后减小,当掺砂10%时,黏聚力达到最大,当掺砂量大于40%时,掺砂土样的黏聚力小于纯膨胀土的黏聚力;随着掺砂率的增大,掺砂土样黏聚力变化的趋势也逐渐改变,当掺砂量小于10%,土样的黏聚力增大的趋势较快,当掺砂量大于10%,黏聚力开始下降,下降的趋势较慢,当掺砂量大于40%时,黏聚力下降的趋势变快。4.2掺砂率对抗压强度的影响将风干碾细的膨胀土土样和风化砂分别过5mm标准筛,在105~110℃下烘干至恒重,然后在干燥器中冷却后按照设计的配合比分别配制不同掺入率的土样。参照JTGE51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中无侧限抗压强度试验规程焖料制样,采用圆柱形试验,高度和直径比为1,试验尺寸为ue78810×100mm,含水率控制在最佳含水率,压实系数控制为0.96。不同掺砂率下的土样,每组做9个平行试样,采用万能压力试验机进行试验,压力机加载速率控制在1mm/min。同一组试验中,按照3倍的均方差剔除异常值,然后分别求出平均值Rc、标准差S、变异系数Cv和代表值Rc0.95,计算结果见表4。掺砂率对膨胀土的无侧限抗压强度平均值、代表值的影响见图5、图6。通过图5、图6可见:在无侧限的条件下,掺砂土样的抗压强度随着掺砂率的增大呈先增大后减小状,当掺砂率为10%时,土样的抗压强度最大。掺砂膨胀土的抗压强度变化趋势随着掺砂量的改变而改变,当掺砂量小于10%时,土样的抗压强度增大的幅度较大,此时掺砂对膨胀土抗压强度影响较大,当掺砂量大于10%,掺砂土样的抗压强度减小的趋势较快,当掺砂量大于30%时,掺砂土样的抗压强度减小的趋势趋于平缓,说明此时掺砂对膨胀土的抗压强度影响较小。4.3风基膨胀土体性能的cbr值试验将风干碾细的膨胀土土样和风化砂过20mm标准筛,在105~110℃下烘干至质量恒定,然后在干燥器中冷却后按照设计的配合比分别配制不同掺入率的土样。根据重型击实试验得到的最佳含水率,分别配制最佳含水率状态下的掺砂土样,然后焖料24h制样,制样采用CBR试筒,按照要求分别制作不同压实度要求下的试验,然后浸水4d后测贯入度。试验采用多功能路面材料强度仪,每个土样做2组平行试验,取试验结果满足精度要求的两组试验的平均值作为最终的试验结果,见图7。由图7可见:掺入风化砂之后,膨胀土的CBR值比未掺砂之前增大,当掺砂量为10%时,掺砂土样的CBR值比纯膨胀土的CBR值增大了79%,当掺砂量达到40%时,掺砂土样的CBR值比纯膨胀土的CBR值增大了243%,说明掺入风化砂对膨胀土的CBR值影响较大。随着掺砂率的增大,掺砂土样的CBR值增大的趋势也逐渐改变,当掺砂量小于10%时掺砂土样的CBR值增大的幅度较大,当掺砂率大于10%时,掺砂土样的CBR值增大的趋势逐渐变缓慢,当掺砂率大于30%时,掺砂土样的CBR值变化的趋势逐渐变快。4.4土样回弹模量的测定将风干碾细的膨胀土土样和风化砂过20mm标准筛,在105~110℃下烘干至恒重,然后在干燥器中冷却至恒温后按照设计的配合比分别配制不同掺入率的土样。根据重型击实试验得到的最佳含水率,分别配制不同掺砂率最佳含水率状态下的土样,然后焖料制样,试样直径152mm、高120mm,采用重型击实标准进行制样。回弹模量试验方法采用承载板法,仪器采用杠杆压力仪。每个土样做三组平行试验,取平行试验差值满足精度要求的三组结果的平均值作为最终试验结果,见图8。由图8可见:随着掺砂率的增大,掺砂土样的回弹模量呈先增大后减小,当掺砂率为10%时,回弹模量最大;当掺砂率大于10%时,回弹模量逐渐减小,当掺砂率大于30%后,改良土的回弹模量小于纯膨胀土的回弹模量。随着掺砂率的增大,掺砂土样的回弹模量值改变的趋势也逐渐改变,当掺砂量小于10%时,掺砂土样的回弹模量值增大的趋势较快,当掺砂率大于10%时,掺砂土样的回弹模量值减小的趋势先快后慢,当掺砂率大于40%时,掺砂土样的回弹模量值变化的趋势逐渐平缓。5掺砂率对膨胀土的影响1)掺入风化砂之后,改变了膨胀土的颗粒分布曲线,降低了膨胀土中黏粒和粉粒的含量,提高了粗粒的含量;改变了膨胀土的含水特性,提高了膨胀土的塑限,降低膨胀土的液限和塑性指数;能够明显降低膨胀土的活性指数,说明掺砂能够降低膨胀土的亲水性,增加膨胀土的水稳定性,掺砂改良膨胀土是可行的。2)掺砂膨胀土的自由膨胀率比未掺砂前有显著的降低,随着掺风化砂率的增大,无荷膨胀率逐渐减小,掺砂膨胀土的有荷膨胀率随着掺砂率的增大逐渐减小,随着掺砂率的增大,掺砂膨胀土