淺談改良土試驗的幾點體會

沈忠炎 丁其兵 許永斌

0 引言

改良土作為一種建筑施工材料，大量用于路基的碾壓填方，主要控制指標:1)其強度要求(以美國加州承載比CBR表示);2)它的水理性能(脹縮總率及水穩(wěn)定性)。由于天然土的性質(zhì)大都不適于直接用作填壓路基的材料，需要實施必要的改良措施。改良材料的摻入劑量亦并非多多益善，以能夠達到設(shè)計控制要求且經(jīng)濟合理為宜。

1 常用的改良配比材料及作用機理

最常用的改良材料有石灰、水泥和粉煤灰等，既可以單獨摻加，也可配合使用，如石灰穩(wěn)定土、二灰穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土。摻入適量的石灰能增強土的抗貫入強度和減小土的脹縮性，適用于多種土類，是最常用的改良材料，其改良作用機理可分為離子交換作用、凝絮作用、碳化作用、膠結(jié)作用四種作用，其中膠結(jié)作用對土強度的提高起決定作用。水泥的改良作用是由于鈣酸鹽和鋁的水化物和顆粒間的膠結(jié)作用及膠結(jié)物的逐漸脫水和新生礦物的結(jié)晶作用，摻入水泥可顯著提高土的抗壓強度和耐久性，改善土的水穩(wěn)定性。水泥和粉煤灰主要用于粘性土的改良，也有在砂性土或粉土中摻入水泥和粉煤灰的改良實例。粉煤灰改良土的作用機理主要是灰—土反應(yīng)，包括短期反應(yīng)和長期反應(yīng)，這些反應(yīng)的結(jié)果使土顆粒的結(jié)合水膜變薄，粘土膠粒絮凝，產(chǎn)生晶體膠結(jié)物，經(jīng)過長期作用這些膠結(jié)物逐漸由膠凝狀態(tài)向晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而改善土的剛度、強度和水穩(wěn)定性。

石灰質(zhì)量是試驗中需要嚴格控制的環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計要求，有時采用生石灰，有時指定采用消石灰，甚至對石灰的質(zhì)量也有明確要求，以模擬今后的現(xiàn)場施工。尤其注意消石灰若長時間存放，容易變質(zhì)形成碳酸鈣，直接影響到改良的效果，條件允許的話，最好是現(xiàn)制，并用化學(xué)方法檢測石灰的有效含量。水泥質(zhì)量一般還是有保證的，應(yīng)注意選擇正規(guī)的廠家，采用指定標號的水泥，如沒有特別的要求，一般多采用 325普通硅酸鹽水泥。水泥應(yīng)在干燥環(huán)境下保存，防止吸潮板結(jié)。粉煤灰一般取自干燃煤電廠的工業(yè)廢碴，至于粉煤灰如何控制和鑒別質(zhì)量，筆者也缺少經(jīng)驗。若能由委托方提供試驗的配比用料是最好的。材料的質(zhì)量及來源應(yīng)在報告中注明。

2 摻入劑量對改良土性能的影響

石灰的摻入量對改良土的強度有較大影響，通常的石灰摻入量為 2%～8%，甚至更高，隨著石灰摻入量的逐漸增大，土的強度表現(xiàn)為:顯著增大→趨穩(wěn)→衰降，一般在 6%左右達到最佳摻量(強度最大)，土性不同或有差別。過多的石灰摻量使得成本增加且對強度的改善無益。水泥的摻入量一般在 2%～5%，水泥改良土對強度的提高較石灰改良土更為顯著，且隨著劑量的增大而增大，水穩(wěn)定性亦有所改善，但水泥改良土的無側(cè)限抗壓曲線呈硬脆性破壞的形態(tài)，這一點與石灰改良土有所區(qū)別(石灰改良土的無側(cè)限抗壓曲線的破壞形態(tài)較為鈍緩)。添加粉煤灰對強度的貢獻效果不及石灰和水泥(一般與石灰或水泥配合使用)，但摻加適量粉煤灰對改善土的水穩(wěn)定性效果明顯。摻入粉煤灰后的最優(yōu)含水率明顯增大，且密度與含水率關(guān)系曲線在最優(yōu)含水率之前有較長一段平緩的變化階段，表明其水穩(wěn)定性得到較好的改善。

3 室內(nèi)試驗中的壓實度控制

壓實度控制是路基設(shè)計中的重要概念，干密度與最大干密度的比值以百分數(shù)表示。室內(nèi)試驗通常用靜壓法和擊實法兩種方法控制試件的壓實度。制備指定壓實度的試件以采用靜壓法方便可行，可以通過液壓脫模機的反力框架實現(xiàn)靜壓制樣，按筆者的經(jīng)驗，按靜壓法制樣時，其總體塊密度雖符合壓實度控制要求，但內(nèi)部不同位置的密度仍存在相當?shù)恼`差，表明壓制的試件內(nèi)部密實程度并不一致，大致呈現(xiàn)中間小兩端大的分布。采用靜壓法制樣再按環(huán)刀法制備脹縮試驗試件時，這種誤差直接影響到試驗的結(jié)果。為消除試件內(nèi)部不同位置用環(huán)刀切制樣品的密度差異，我們曾嘗試采用直徑 10 cm，高度 10.2 cm的金屬壓塊代替高度為 2.7 cm的金屬壓塊，按靜壓法將樣品制備成徑高比為 1∶4的薄試件，再按環(huán)刀法切制樣品，由于試件的體積較小，由此引起的靜壓制樣的誤差被放大了，實際效果似乎并不理想，因此某種意義上實現(xiàn)壓實度的精確控制仍是一道難題。

通過調(diào)整擊實錘擊數(shù)的方法亦可控制壓實度在大致的范圍，因不同土質(zhì)樣品被壓實的難易程度差別較大，砂性土較容易被密實，即使控制每層錘擊數(shù)為 20擊或更少，其實測壓實度也可能大于 95%，需要憑經(jīng)驗或通過多次試驗找到適當?shù)目刂棋N擊數(shù)，達到控制壓實度的目的。采用這種方法制備的試件，其內(nèi)部密度也同樣具有不均勻性，自上而下呈增大趨勢。

兩種制樣方法各有優(yōu)劣，適用于不同的試驗?zāi)康摹Ｒ蛲恋膹姸韧ǔｋS著壓實度的增大而增大，因此強度試驗中可通過測定相鄰壓實度的強度按內(nèi)插法求得指定壓實度的強度。試驗規(guī)程中規(guī)定承載比試驗應(yīng)按擊實法制備樣品，用內(nèi)插法求得指定壓實度的 CBR強度，無側(cè)限抗壓強度試驗應(yīng)按靜壓法制備指定壓實度的樣品，那么，無側(cè)限抗壓強度試驗?zāi)芊駞⒖汲休d比試驗的方法，亦采用擊實法制樣，按插值法計算，這個問題值得探討，關(guān)鍵是何種制樣方法更接近于工程施工的實際情況。

改良土的脹縮性試驗應(yīng)按何種方法制備樣品，規(guī)范中未見明確規(guī)定，但為了與強度試驗中的壓實度控制相一致，按靜壓法制樣較為適宜，但據(jù)筆者的經(jīng)驗，按此方法制樣測得的脹縮性指標與壓實度的相關(guān)性不明顯，是由于方法不當還是另有原因，需要更深入的探討研究。

4 不同制樣方法對試驗結(jié)果的影響

按不同的制樣方法進行一些比較試驗是有趣的設(shè)想，為此筆者對一組試樣首先按擊實法制樣并實測壓實度，再按靜壓法控制相同的壓實度，在相同條件下養(yǎng)護，分別進行了相同壓實度下素土和摻石灰土的承載比和無側(cè)限抗壓強度的對比試驗，試驗結(jié)果見表 1(粉質(zhì)粘土，塑性指數(shù) 12，實際壓實度 95%)。結(jié)果表明，兩種制樣方法的試驗結(jié)果相差較大，缺少可比性。當然，單個樣品比較缺乏說服力，只有取得大量的對比數(shù)據(jù)才有可能建立兩種方法的對比關(guān)系，這種工作量遠非個人能力所及。因此，至少在目前，兩種制樣方法不宜通用或混淆，如規(guī)范和設(shè)計要求未明確指明制樣方法，試驗中具體采用了何種制樣方法應(yīng)在提交資料時加以注明。

表1 兩種制樣方法的對比試驗結(jié)果

另外，采用擊實法制樣時，建議采用相同規(guī)格的擊筒，即使不考慮土的適用性，雖然大小兩種規(guī)格的擊實筒理論上的單位擊實功是相同的，但實際上由于錘擊時對土的覆蓋位置不同，對筒內(nèi)土的有效做功可能并不相同，兩種方法擊實后的土密度存在偏差，經(jīng)驗表明，小筒的密度可能會略高于大筒。

5 室內(nèi)試驗的幾點經(jīng)驗

總結(jié)一些試驗案例，得到這樣幾點經(jīng)驗、教訓(xùn):1)取土量要充足，以滿足試驗和可能的補點及返工需土量，這一點很關(guān)鍵。如果樣品不足，重復(fù)補取時，很難保證兩次取土的一致性;2)石灰的質(zhì)量是重要的控制要點，確保其符合試驗及設(shè)計的要求，多次試驗所用石灰的質(zhì)量應(yīng)保持一致;3)試驗前應(yīng)進行必要的物理性質(zhì)試驗以掌握土的性質(zhì)，并根據(jù)具體土性按經(jīng)驗預(yù)估其最優(yōu)含水率和最佳改良劑量，精心設(shè)計試驗方案，避免試驗的盲目性;4)碾制加工樣品時要充分拌和均勻，對于含大顆粒的混石土，切勿隨意舍棄，注意保持土樣的代表性。配料，加水，拌和，燜制，壓實，養(yǎng)護，測試，每一個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，不容差錯，爭取一次成功，返工或補點時，應(yīng)保持試驗方法和試驗樣品的一致性;5)嚴格控制試驗的環(huán)境條件，尤其是收縮試驗所需的試驗周期較長，溫濕度變化及輕微振動對試驗進程和結(jié)果的影響都是可想而知。

6 結(jié)語

室內(nèi)改良土試驗是一個環(huán)節(jié)較多、影響因素復(fù)雜、工作量十分繁重的試驗項目，在諸多控制要素中，樣品的加工制備對試驗的成功至關(guān)重要，對于壓實度的控制，現(xiàn)有的方法各有優(yōu)劣，適用于不同的試驗?zāi)康摹＝㈧o壓法和壓實法兩種制備方法的比較關(guān)系可能是土工試驗和設(shè)計人員感興趣的。

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