水泥改良膨脹土次固結特征的試驗研究

程天成,張承帥,占雪芳

(1.中交投資有限公司，北京 100029；2.中南林業科技大學，湖南 長沙 410007)

0 引言

目前，常采用水泥、石灰等無機材料對膨脹土進行化學改良[1]。近年來，也有學者探討采用砂石類材料對膨脹土進行物理改良的方法[2]。工程實踐中，主要針對改良膨脹土的施工控制參數、施工工藝等方面開展研究，而改良膨脹土的次固結特性方面的研究成果較少。

次固結的形成機理尚未形成統一的認識，因而有多種定義。有學者認為，次固結是在超靜孔隙水壓排出，主固結完成之后土體所發生的二次固結[3]。也有學者認為，土體在固結過程中因土骨架的蠕變而產生的固結為次固結[4]。

目前，常采用SINGH等[5]提出的次固結系數經驗公式，對土體的長期壓縮特性進行描述[6]。有學者認為次固結系數的大小隨豎向壓力增大而減小[7]，或者隨固結壓力增大而增大、達到峰值后而減小[8]；也有學者認為次固結系數是一個常量[9]。我國有關行業規范規定次固結系數為常數，與荷載無關[10]?，F有研究表明，次固結系數并不是一個常數，而是隨時間而發生改變[11]，并且與固結壓力、應力歷史、含水率、孔隙比、結構性等密切相關[12-16]。

本文以水泥改良膨脹土的次固結特性為研究對象，通過一維長期固結試驗分析次固結系數與初始含水率、初始干密度、固結壓力之間的關系；并且通過干濕循環條件下的一維長期固結試驗，分析水泥改良膨脹土的次固結系數與干濕循環次數之間的關系。

1 一維長期固結試驗

1.1 試驗材料

膨脹土土試樣取自湖南某高速公路特殊土，取土深度約1.5～2.0 m，新鮮土樣呈黃褐色夾灰白色，手摸感到有很細的砂粒，可見蠟狀光澤，表層土干燥時呈硬塊狀，濕水后成粘泥巴狀，其物理力學指標為：含水率19%、液限59%、塑限32%、塑性指數27%、自由膨脹率51.3%、標準吸濕含水率5.5%、脹縮總率5.8%。篩分結果為：<0.002 mm顆粒含量14.2%、0.002～0.005 mm顆粒含量37.5%、0.005～0.075 mm顆粒含量40.3%、>0.075 mm顆粒含量8.0%。該土樣為中膨脹土。

試驗用水泥為湖南省內某水泥廠生產的P.C 32.5水泥，其基本性能為：安定性1.4 mm，初凝和終凝分別為：213 min和331 min，3 d抗壓強度為13.9 MPa。

1.2 試驗方案

a.試驗想法。

通過設定不同的初始含水率、初始干密度的土樣，研究土樣在不同的固結壓力下的次固結系數隨含水率、干密度、固結壓力的變化規律；通過設計干濕循環試驗，研究干濕循環次數對土樣次固結系數的影響。

b.水泥摻加量。

前期研究中，通過脹縮總率(50 kPa有荷膨脹率)、CBR試驗，7%的水泥改良膨脹土的脹縮總率、CBR值分別為0.72%、7.88%，符合《公路路基施工技術規范》(JTG F10-2006)[17]規定的要求。因此，本試驗中的水泥摻加量為膨脹土干質量的7%。

c.土樣制作。

先將膨脹土土樣風干至易碾散為止，根據試驗所需土樣數量，將碾散的膨脹土土樣過10 mm的標準土壤篩，并測定膨脹土的風干含水率。重型標準擊實試驗，得到水泥改良膨脹土的最佳含水率和最大干密度分別為18%、1.68 g/cm3。

試樣采用靜壓法制備，試件土樣為圓柱形，其高度與直徑比值為2.5，直徑為40 mm，高度為100 mm，標準養護7 d。

d.試驗土樣的初始狀態。

試驗土樣的初始含水率設為：14%、16%、18%、20%、22%。土樣的初始干密度設為：1.18、1.28、1.38、1.48、1.58 g/cm3。

e.干濕循環方法。

試驗土樣的干濕循環方法，參考文獻[18]的方法。干濕循環試驗土樣的含水率、干密度分別設定為：18%、1.50 g/cm3。干濕循環次數設定為：3、6、9、12、15次。

f.試驗標準和加載方式。

試驗標準為《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)[19]。采用GDJ-800三聯低壓固結儀進行一維長期固結試驗，試驗數據人工采集。

一維固結試驗采用分級加載方式，荷載等級為25 kPa至800 kPa，其中固結壓力為25、50、100 kPa時各保載24 h；固結壓力為200、300、400、600、800 kPa時的單級荷載各持續7 d[20]。

2 試驗結果與分析

次固結系數Ca的計算方法參見文獻[20]。試驗結果見表1。

2.1 初始含水率對次固結系數的影響

圖1給出了不同初始含水率、而初始干密度為1.58 g/cm3的試驗土樣，在固結壓力為800 kPa下的e-lgt曲線，圖中時間t的單位為min。次固結系數Ca的試驗結果見表1。對于不同初始干密度的試驗土樣，其初始含水率w的變化對次固結系數Ca的影響規律，如圖2所示。

圖1 干密度為1.58 g/cm3的土樣的e-lgt曲線

(a)土樣干密度1.18 g/cm3

表1 試驗土次固結系數測試結果Table1 Experimentresultsaboutsecondaryconsolidationcoefficientoftestsamples固結壓力/kPa土樣初始含水率/%不同土樣初始干密度(g/cm3)的固結系數/×10-31.181.281.381.481.58141.8152281.7917811.7717101.7349111.718854162.0387151.9902311.9330361.8649781.805717200182.4680852.4883302.3792212.2854002.231852203.3389013.1579793.1478093.0916202.914648224.1830444.0692073.9757553.9335243.798026141.8910551.8844441.7915971.8057611.736459162.1112632.0804482.0053681.9571541.906343300182.5005342.4578932.4153592.3645602.334805203.4625843.4050003.2836643.2125123.083765224.3035254.2570534.0757434.0205283.911841141.9491581.9243591.8811221.8398871.795785162.1877722.1349592.0873402.0453912.010031400182.5444312.5024282.4410032.4062922.394498203.5378913.5168033.4171723.3819423.272249224.4745244.3085564.1883144.1726904.112736141.9902631.8832101.8869321.8683001.864091162.2124412.1703622.1157102.0814982.072603600182.6060082.5478292.4567462.4306052.408759203.5850123.5303933.4867343.4027493.367022224.4605344.4022474.2530074.2677224.240142142.0042431.9919941.8963461.8700101.866212162.2276652.1753612.1162412.1030942.091712800182.6488332.6129982.4793602.4532732.443383203.5900983.5783693.4671283.4557463.420624224.5824434.4391864.3294724.2534074.233779

根據試驗結果，試驗土樣的e-lgt曲線上出現直線段，即開始出現次固結的時間約在200～500 min的時間段上。土樣初始含水率w對次固結系數Ca的影響有以下特性：

①試驗土樣的次固結系數Ca隨土樣含水率w的增大而增大；②當試驗土樣的初始含水率w超過18%時，次固結系數Ca隨土樣含水率w線性增大；③次固結系數Ca隨土樣含水率w而增大的這種趨勢不隨固結壓力、土樣初始干密度而變化；④對于各級固結壓力、不同土樣的干密度，試驗土樣的次固結系數Ca與含水率w的關系曲線形式近乎一致，也不隨固結壓力、土樣干密度而變化。

2.2 初始干密度對次固結系數的影響

圖3給出了不同初始干密度、而含水率為18%的試驗土樣，在固結壓力為800 kPa下的e-lgt曲線。次固結系數Ca的試驗結果見表1。對于不同初始含水率的試驗土樣，其初始干密度ρd的變化對次固結系數Ca的影響規律，如圖4所示。

圖3 含水率為18%的土樣的e-lgt曲線

(a)土樣含水率14%

①在相同的固結壓力下，不同初始干密度的試驗土樣的e-lgt曲線形狀大致相同。說明在某一級固結壓力下，試驗土樣的初始干密度對次固結系數影響較?。虎谠诓煌墓探Y壓力下，試驗土樣的次固結系數隨初始干密度的增大而減小。當固結壓力小于400 kPa時，次固結系數與初始干密度呈現線性關系。當固結壓力大于400 kPa時，則呈現出非線性關系。

總的來說，試驗土樣的初始干密度對次固結系數影響較小。

2.3 固結壓力對次固結系數的影響

圖5給出了初始含水率為18%、初始干密度為1.58 g/cm-3的試驗土樣的e-lgt曲線。次固結系數Ca的試驗結果見表1。固結壓力對次固結系數的影響規律，如圖6所示。

圖5 不同固結壓力下的e-lgt曲線

(a)土樣含水率14%

①隨著固結壓力增大，不同初始干密度的試驗土樣的e-lgt曲線后段直線部分的斜率明顯增大，這說明了土體的次固結系數在增大。即固結壓力影響著試驗土樣的次固結系數；②當固結壓力不大于400 kPa時，試驗土樣的次固結系數增長較快；但隨著固結壓力的進一步增大，次固結系數變化較小，并且試驗土樣的初始干密度越小，該常數的值則越大；③固結壓力、次固結系數表現出明顯的非線性關系，并且試驗土樣的初始干密度越大，這種非線性關系越明顯。

(1)

式(1)表示了水泥改良膨脹土的次固結階段的壓縮沉降量與時間、固結壓力之間的關系，因而實際上是水泥改良膨脹土的次固結流變本構方程。

2.4 干濕循環次數對次固結系數的影響

圖7給出了干濕循環4次后的e-lgt曲線。試驗土樣的次固結系數與干濕循環次數的關系，如圖8所示。

圖7 干濕循環下土樣的e-lgt曲線

圖8 次固結系數與干濕循環次數的關系曲線

干濕循環條件下，試驗土樣的次固結系數隨干濕循環次數增加而顯著增大，并且趨向于某一定值，表現出對數函數關系，即：

Ca=a+blg(c+n)

(2)

式中：Ca為次固結系數；n為干濕循環次數；a、b、c為擬合參數。

3 結論

基于一維長期固結試驗，研究了水泥改良膨脹土的次固結特性，主要結論如下：

a.次固結系數隨試驗土樣初始含水率增大而增大。當初始含水率大于18%時，水泥改良膨脹土的次固結系數與初始含水率呈線性關系。

b.水泥改良膨脹土的次固結系數受初始干密度影響較小。

c.次固結系數變化與固結壓力成正比。當固結壓力不大于400 kPa時，這種增大的趨勢較快，而當固結壓力超過400 kPa時，這種增大的趨勢則變緩。次固結系數與固結壓力表現出顯著的非線性關系，并且隨初始干密度增大，這種非線性關系更為顯著。

d.次固結系數隨干濕循環次數而增大，兩者表現出對數函數關系。