稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的研究_丑亚玲.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 1 2 7-0 9稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的研究丑亚玲*,韩航天(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:在西北季节冻土区广泛分布着盐渍土,其在空间分布上连续性差,工程性质极其不稳定;且浅层盐渍土受冻融作用的反复影响,其力学性质长期处于动态的变化之中,给工程设计与建设带来了极大的挑战.鉴于此,通过压缩试验及无侧限抗压强度试验,研究稻壳灰对盐渍土的改良效果.结果表明,稻壳灰可以显著地改善盐渍土的压缩特性,并提高其无侧限抗压强度,且改良土的压缩系数与抗压强度之间呈现出负相关的线性关系.随着掺灰量和养护龄期的增加,改良土的压缩系数不断减小,无侧限抗压强度呈现出不断增加的趋势,最大可增加4倍左右.以抗压强度损失率为指标对改良土的抗冻性进行了评价,发现改良土的抗冻性随着掺灰量的增加呈现出先增强后减弱的趋势,且在1 5%的掺灰量时,其抗冻性效果最显著;相对而言,养护龄期对于改良土的抗冻性影响较小.关键词:盐渍土;稻壳灰;压缩试验;无侧限抗压强度试验;抗冻性中图分类号:TU 4 1 1 文献标志码:AE x p e r i m e n t a l s t u d yo nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n df r e e z i n gr e s i s t a n c eo f r i c eh u s ka s hi m p r o v e ds a l i n e s o i lCHOUY a-l i n g,HAN H a n g-t i a n(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:S a l i n es o i l i sw i d e l yd i s t r i b u t e d i nt h es e a s o n a l f r o z e ns o i l a r e ao fN o r t h w e s tC h i n a,w h i c hh a sp o o rc o n t i n u i t y i ns p a t i a ld i s t r i b u t i o na n de x t r e m e l yu n s t a b l ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s.M o r e o v e r,t h em e-c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s h a l l o ws a l i n es o i l a r e i nd y n a m i cc h a n g e s f o ra l o n gt i m ed u et ot h er e p e a t e d i n f l u-e n c eo f f r e e z i n ga n d t h a w i n g,w h i c hb r i n g sg r e a t c h a l l e n g e s t oe n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n.I nv i e wo f t h i s,t h r o u g ht h ec o n s o l i d a t i o nc o m p r e s s i o nt e s t a n dt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t,t h e i m-p r o v e m e n t e f f e c to f r i c eh u s ka s ho nc h l o r i d es a l i n es o i lw a ss t u d i e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t r i c eh u s ka s hc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so f s a l i n es o i l a n di n c r e a s e i t su n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h,a n dt h e r e i san e g a t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ta n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f i m p r o v e ds o i l.W i t ht h e i n c r e a s eo f r i c eh u s ka s ha n dc u r i n ga g e,t h e c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t o ft h e i m p r o v e ds a l i n es o i l c o n t i n u e s t od e c r e a s e,a n dt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hs h o w sa n i n c r e a s-i n gt r e n d,w h i c hc a nb ei n c r e a s e db ya b o u t4t i m e s.B yu s i n gt h el o s sr a t eo fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha se v a l u a t i o nc r i t e r i a,t h ef r o s tr e s i s t a n c eo f t h e i m p r o v e ds o i lw a se v a l u a t e d.I tw a sf o u n dt h a tt h e f r o s t r e s i s t a n c eo f t h e i m p r o v e ds o i l i n c r e a s e f i r s t a n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f t h ea m o u n to fa s h,a n dt h ef r o s tr e s i s t a n c ee f f e c t i st h em o s ts i g n i f i c a n tw h e nt h ea m o u n to fa s hw a s1 5%.R e l a t i v e l ys p e a k i n g,t h ec u r i n ga g eh a s l i t t l ee f f e c to nt h e f r o s t r e s i s t a n c eo f t h e i m p r o v e ds a l i n es o i l.K e yw o r d s:s a l i n es o i l;r i c eh u s ka s h;c o n s o l i d a t i o nc o m p r e s s i o nt e s t;u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t;f r o s t r e s i s t a n c e 盐渍土是自然地质形成过程中产生的一种具有 收稿日期:2 0 2 0-0 5-1 8 基金项目:国家自然科学基金(5 1 7 6 9 0 1 3)通讯作者:丑亚玲(1 9 7 6-),女,甘肃合水人,博士,教授,博导.E m a i l:c h o u y a l i n g l z b.a c.c n盐胀、溶陷、腐蚀等不良工程性质的地质体,是一种非连续性和不确定性的复杂结构体,其特殊的物理性质和力学行为一直是困扰岩土工程界的重大工程问题,对各类浅表层轻型结构(如工业民用建筑、水利、铁道、公路等工程)建设和工程运营起到了极大第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3的破坏作用.盐渍土的研究最早服务于农业,主要偏向于盐渍土的农耕改良.本世纪以来,国内外学者对盐渍土的研究更加多元化,高科技技术手段开始广泛应用于盐渍土的研究中.近些年来,岩土工程界在盐渍土物理力学行为1、冻融过程及基本性质2-3、病害机理4、改良治理5等方面均取得了丰硕的成果.由于盐渍土的特殊性和对气候变化的敏感性,导致其在自然条件下对工程建设会产生较大的危害.目前研究的主要方向是在盐渍土特殊性研究的复杂、繁乱的体系中达到统一化、系统化、标准化,试图使其形成一个统一的认识,这是一个非常重要、但又非常复杂的难题.盐渍土作为一种特殊土,抵抗冻融破坏作用的能力较弱,经过反复的冻融作用以后,其物理力学指标下降较为明显,对实际工程不利.文献6-7 对国内外有关盐渍土形成机理、盐渍化评价、分布分类、力学性质、工程特性、处理技术及对气候环境变化的响应等方面做了全面而详细的综述,其中也涵盖了盐渍土的研究历史、研究方法、研究内容、最新进展等.基于以上论述,本文以改良后的盐渍土为研究对象,从物理力学性质以及抗冻性两个方面对相关研究成果进行补充综述.张宝行等8以水泥和石灰二者为外掺剂,以抗压强度与融陷系数作为评价指标,研究其对于氯盐渍土的改良效果.杨晓松等9也以氯盐渍土为研究对象,通过添加粉煤灰来研究其对于氯盐渍土的强度和变形特性方面的影响.除了使用水泥和石灰等传统的加固材料以外,学者们也在积极寻求新型加固材料来进行盐渍土的加固改良.吕擎峰等1 0以水玻璃、石灰和粉煤灰三者为添加剂,采用核磁共振技术,以抗压强度为评价指标来研究其对盐渍土的改良效果.廖晓兰等1 1利用丙烯酰胺作为土体添加剂,分别探讨加热温度、加热时间、添加剂用量和龄期对于固化盐渍土抗折和抗压强度的影响,发现在适当条件下,土样的抗折强度和抗压强度提高了四到五倍,并且试样的耐水性能也得到了显著提高.王博1 2采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术对盐渍土的改良效果进行研究,发现其具有良好的效果.周琦等1 3和史颜照1 4发现在滨海盐渍土中加入石灰以及S H固化剂等,一方面可以提高盐渍土的工程力学性质,另一方面也可以显著地改善盐渍土的抗冻性,从而满足工程建设需要.但是以上外掺剂作为化工产品,价格昂贵,不利于在实际工程中的大范围应用.而稻壳作为农业产物,其燃烧生成的稻壳灰产量大、价格低,其在实际工程中具有广泛的应用前景.M u h a mm a d1 5的研究指出,稻壳灰作为一种火山灰材料,如果与石灰或者水泥混合,能够有效地提高路基土的承载性能.G h o r b a n i等1 6以部分稻壳灰代替水泥加入到土体中,以无侧限抗压强度为评价指标,发现当水泥掺量较高时,以一半的稻壳灰代替水泥能得到更高的无侧限抗压强度.李丽华等1 7将稻壳灰分别与土工织物和土工格栅混合,研究两种不同情况下土体的应力应变曲线和抗剪强度的变化特征,得出在稻壳灰掺量为1 0%1 5%的情况下,以土工格栅作为辅助,此时对土体的加固效果较优.综上所述,关于稻壳灰作为土体加固材料可查阅的文献并不少见,但是有关其对盐渍土改良的相关研究则几乎是空白的.稻壳灰作为土体加固材料,主要是因为其中含有大量的活性S i O2,其在碱性环境下与C a2+等结合生成水化硅酸钙,从而起到加固土体的作用1 7.因此本文在进行稻壳灰对于盐渍土的改良研究时,掺入一定比例的石灰,并以养护龄期和掺灰量为影响因素,探究这两者对改良盐渍土的压缩变形特性及无侧限抗压强度的影响.同时,以冻融作用后抗压强度损失率作为评价指标,研究养护龄期和掺灰量对于改良盐渍土的抗冻性能影响.1 试验材料与试验方案1.1 试验材料本文通过在室内人工配制盐渍土来研究稻壳灰对于盐渍土的改良加固效果.试验用土取自兰州理工大学某施工场地.在试验中,考虑到配制弱盐渍土进行试验无法体现稻壳灰对于盐渍土的改良效果,而强盐渍土和超盐渍土在实际工程中并不常见,对其进行研究意义不大.因此,以室内人工配制的中盐渍土为研究对象,研究稻壳灰对于盐渍土的改良效果.在室内进行盐渍土的配制时,由于洗盐会破坏土体本身的多孔架结构,加之洗盐会使土颗粒细化,从而影响土体的结构和级配1 8.因此,在室内配制盐渍土时,采取直接在土体中加入氯化钠的方法来配制含盐量为3%的中盐渍土,而不再对土体进行洗盐.试验用石灰产自兰州市永登县,属于二级灰.试验所用稻壳灰由河南郑州某电厂生产,具体成分见表1所示.表1 稻壳灰成分T a b.1 C o m p o s i t i o no f r i c eh u l l a s h成份S i O2F e2O3A l2O3C a OM g O烧失量含量/%8 0.6 13.5 63.1 65.3 40.4 95.4 6821 兰州理工大学学报 第4 9卷1.2 试验方法在进行稻壳灰改良盐渍土的研究时,主要是研究稻壳灰对于盐渍土的改良,而石灰只是作为碱性激发剂存在的.因此,固定石灰含量为1 0%,在此掺量下,控制稻壳灰的掺量分别为5%、1 0%、1 5%、2 0%,并对每种稻壳灰掺量下的改良土分别进行为期3、7、1 4、2 8d的养护,养护采用恒温恒湿的方式,温度为2 0,湿度为9 0%1 9.由击实试验结果确定试验所用改良盐渍土的干密度为1.5g/c m3,含水量为1 6%.无侧限抗压强度试验的试样尺寸为:直径6 1.8mm,高度1 2 5mm;压缩固结试验的试样尺寸为:直径6 1.8mm,高度2 5mm.研究稻壳灰改良土的抗冻性能时,以无侧限抗压强度损失率为评价指标,控制试样在-2 0 下冻结1 2h,在室温(1 71 9)下融化1 2h,以此为一个冻融循环周期,进行0、1、3、5、1 0次的冻融循环试验,从而研究稻壳灰掺量和养护龄期对于改良土抗冻性能的影响.2 试验结果分析2.1 击实试验结果分析击实试验作为路基回填施工过程中的重要试验项目,主要是研究土体的干密度随含水量的变化趋势.本文通过研究二者的变化规律,确定土体的最优含水量与最大干密度,从而对施工过程进行质量控制.图1和图2为不同稻壳灰掺量下改良土的最优含水量和最大干密度随掺灰量的变化曲线图.可以看出,随着稻壳灰掺量的增加,改良土的最优含水量不断增加,最大干密度不断减小.具体来看,当稻壳灰掺量从5%增加到2 0%时,其最大干密度减少了1 3.1 5%,而最优含水量增大了9.8 8%.分析上述现象产生的原因,大致可以归结为以下两方面:一方面是因为在盐渍土中加入了稻壳灰与石灰,发生了一系列的物理化学反应,生成的胶凝物会形成团聚结图1 改良土的最优含水量随掺灰量的变化规律F i g.1 E f f e c to fa s hc o n t e n to nt h eo p t i m a lm o i s t u r ec o n t e n to f i m p r o v e ds o i l图2 改良土的最大干密度随掺灰量的变化规律F i g.2 E f f e c to fa s hc o n t e n to nt h em a x i m u md r yd e n s i t yo f i m p r o v e ds o i l构,使得土体吸收的水分变多,因此其最优含水量增大;另一方面是因为稻壳灰具有较大的比表面积,其相对土颗粒来说能吸附更多的水分,且其密度较小.因此,当稻壳灰添加到土体中时,其取代了部分原本属于土颗粒的位置,从而导致其最大干密度减小,最优含水量增加2 0-2 1.2.2 压缩特性分析在实际工程中,由于上部结构的荷载作用而使地基土发生压缩,从而导致建筑物发生不同程度的沉降,在进行地基设计时,必须控制建筑物的沉降量,使其在某一允许范围之内.因此,必须研究地基土的压缩特性进而控制建筑物的沉降.在本试验中,通过分析土体的压缩系数从而来研究稻壳灰对于土体压缩特性的影响.图3和图4为掺加稻壳灰前后盐渍土的压缩系数随掺灰量和养护龄期的变化特征.图3为未改良土以及不同掺灰量下改良土压缩系数随养护龄期的变化情况.整体上可以看出,改良土的压缩系数要远小于未改良土,且龄期越长,这种差距越明显.具体来看,对于改良土来说,其压缩系数随着养护龄期的增加而减小,这种减小趋势大致可以分为两个阶段:第一阶段为龄期小于1 4d时,此图3 改良土的压缩系数随养护龄期的变化情况 F i g.3 E f f e c t o f c u r i n ga g eo nc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t o fi m p r o v e ds o i l921第1期 丑亚玲等:稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的试验 图4 改良土的压缩系数随掺灰量的变化情况F i g.4 E f f e c t o f a s hc o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n to f i m p r o v e ds o i l时压缩系数随着龄期的增加而减小的趋势较为明显;第二阶段为龄期大于1 4d的时候,此时压缩系数随着龄期的增加而减小趋势明显变弱.除此之外可以看出,不同掺灰量下改良土的压缩系数随龄期的增加而减小的幅度也明显不同,对于5%掺灰量的盐渍土来说,当龄期由3d增加到2 8d时,其压缩系数减小了2 9.6 8%,减小幅度较小;而对于2 0%掺灰量的盐渍土来说,其压缩系数减小的幅度接近8 0%,减小幅度较大.结合曾庆军等2 2对于水泥土压缩特性的研究,并结合稻壳灰加固土的机理,分析养护龄期对于改良土压缩系数的影响,主要是因为,随着养护龄期的增加,稻壳灰的火山灰反应不断进行,水化胶凝产物不断增加,颗粒间的胶结作用不断增强,土体的压缩性不断减弱.当掺灰量较小时,在较短的龄期内,稻壳灰的火山灰反应便可以充分进行,因此后续龄期的增加对于胶凝产物数量的增加并不十分明显,因此压缩系数在前期减小幅度较大,而后期变化趋势明显变弱;而随着掺灰量的增加,不同养护龄期下生成的水化胶凝产物的数量差距较大,因而,此时改良土的压缩特性差异较大,压缩系数下降较为明显.图4为掺灰土的压缩系数随掺灰量的变化情况.可以看出,整体上改良土的压缩系数随着掺灰量的增加而逐渐减小,且当掺灰量从0%增加到5%时,其减小的幅度较大,表明掺入稻壳灰对于土体压缩特性的改善效果较为明显.同时可以看到,当掺灰量较小时,不同龄期下改良土的压缩系数差值较小,而这种差值随着掺灰量的增加而逐渐变大.分析掺灰量对于改良盐渍土压缩系数的影响,主要是因为掺灰量的不同,导致其生成的胶凝产物的数量也不同,对于土体的胶结作用也有差异,因此导致其压缩变形特性差别较大.当掺灰量较少时,不同龄期下固化盐渍土的胶凝产物数量相差也较小,因此它们压缩特性相差不多,压缩系数差值也较小;随着掺灰量的增加,龄期较长的盐渍土水化胶凝产物增加较多,而龄期较短的盐渍土水化胶凝产物增加较少,此时不同龄期下固化盐渍土的压缩系数差值也就越大.除此之外,还可以看出,当掺灰量从5%增加到1 5%时,土体的压缩系数减小的幅度较为显著;而当稻壳灰含量从1 5%增加到2 0%的时候,其对土体的压缩特性改善效果并不明显.而李丽华等1 7在研究稻壳灰改良普通土时,也发现其力学性质在特定的掺灰量下会达到一个极值,这与试验结果较为接近.分析产生上述现象的原因,一方面是因为改良土的石灰含量一定,单纯的增加稻壳灰含量并不能促进火山灰反应的持续进行,因而其胶凝产物也不会大幅度增加;另一方面因为过多的稻壳灰不仅会存在于土体的孔隙之中,还有一部分占据了盐渍土中原本属于土颗粒的位置,从而破坏了土颗粒之间的胶结作用,削弱了土体结构,导致一味地增加稻壳灰含量并不能十分明显地改善土体的压缩特性.2.3 无侧限抗压强度特性分析2.3.1 抗压强度试验结果分析无侧限抗压强度试验作为测定土体灵敏度指标的主要方法,由于其操作简单,一方面被用于描述土体的工程性质,另一方面也常常用于评价外掺剂对于土体的改良效果.图5和图6为掺加稻壳灰前后盐渍土的无侧限抗压强度随掺灰量和养护龄期的变化曲线图.图5为未掺灰土与改良土的抗压强度随龄期的变化规律.可以看出,改良土较未改良土来说,其抗压强度有显著的提高,且龄期越长,提高的幅度越明显.具体来看,对于5%掺灰量的改良土来说,其抗压强度随龄期的增加而增大的趋势在前期较为明图5 养护龄期对改良土无侧限抗压强度的影响F i g.5 E f f e c to fc u r i n ga g eo nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fi m-p r o v e ds o i l031 兰州理工大学学报 第4 9卷图6 掺灰量对改良土无侧限抗压强度的影响F i g.6 E f f e c t o f a s hc o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho fi m p r o v e ds o i l显,而后期龄期的增加对于其强度的增大效果并不显著.而对于2 0%掺灰量的改良土来说,其抗压强度与龄期的变化关系大致符合线性的关系变化.结合J h a等2 3进行的稻壳灰改良土的试验研究探究产生这种现象的原因,主要是因为,对于较低掺灰量的改良土来说,在前期所有的稻壳灰就已经基本参与到反应中去,而后期没有多余的稻壳灰能够继续反应,这就使得改良土的抗压强度在前期增长较快,而后期其增长速率和增长幅度明显变缓;对于较高掺灰量的改良土来说,由于其能保证具有充足的稻壳灰能够持续不断的参与固化反应,因此其抗压强度随着龄期的增长而不断增加.图6为改良土的无侧限抗压强度随掺灰量的变化规律.可以看出,当掺灰量由0%增加到2 0%时,改良土的无侧限抗压强度出现了不同程度的增大.对于较低龄期下的改良土来说,掺灰量的增加对于其强度的改善效果并不显著,而当龄期为2 8d时,掺灰量的增加对于其抗压强度的改善效果十分显著.例如,对于养护龄期为3d的改良土来说,当稻壳灰掺量从5%增加到2 0%时,其抗压强度增加了3 1.9k P a;而对于养护龄期为2 8d的改良土来说,同等条件下,其抗压强度则增加了3 6 5.5k P a,是前者的1 0倍左右.分析上述现象产生的原因,主要是因为当龄期较短时,对于任何掺量的稻壳灰改良土来说,其火山灰反应均不能进行完全,其水化产物较少,对于土体的加固作用并不十分明显,故此时不同掺灰量下的改良土的强度差值较小;当龄期较大时,不同掺灰量下改良土的固化反应都进行得较为充分,此时,掺灰量小的改良土,其生成的胶凝产物也相对较少,掺灰量大的改良土,其生成的胶凝产物也相对较多,故它们的强度特征差距也较大.此外,当掺灰量从1 5%增加到2 0%时,土体的抗压强度增长幅度相对较小,甚至出现了下降的趋势.这是因为,石灰含量一定,增加稻壳灰含量并不能保证胶结产物的数量增加,且此时的稻壳灰含量较高,会占据土体中原本属于土颗粒的位置,破坏土体原本的胶结作用,从而导致土体强度增加幅度变缓甚至减小.而对于石灰等外掺剂改良土体的工程性质时,也存在类似的变化趋势2 4.由以上的分析可以看出当掺灰量大于1 5%时,其强度增长并不明显,并且考虑到经济性因素,在实际工程应用中,可以考虑将1 5%掺灰量作为最佳掺灰量,这与文献1 7 的研究结果类似.2.3.2 改良土强度的回归方程分析在试验过程中,改良土的无侧限抗压强度随着稻壳灰的掺量和龄期的变化情况十分明显,因此尝试建立稻壳灰掺量和龄期的变化对于改良土的无侧限抗压强度的影响模型.以期通过该模型,在牵涉到关于稻壳灰改良盐渍土的工程实例时,可以直接套用模型求得改良土的无侧限抗压强度.通过观察上述试验数据可以发现,不同掺灰量下改良土的无侧限抗压强度随着养护龄期的变化情况大致符合幂函数的变化形式,如式(1)所示:q=atb(1)式中:q为改良土的抗压强度,k P a;t为龄期,d;a、b为系数,无量纲.将不同掺灰量下改良土的无侧限抗压强度的实测值与拟合曲线绘制于图7,不同掺灰量下拟合公式中a,b值以及拟合的相关系数如表2所示.分析表中a,b值的变化情况可以看出:对于不同掺灰量图7 改良土的抗压强度与龄期的拟合曲线F i g.7 F i t t i n gc u r v eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n da g eo fi m-p r o v e ds o i l131第1期 丑亚玲等:稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的试验 表2 不同掺灰量下参数a、b的值T a b.2 V a l u e so fp a r a m e t e r s aa n dbu n d e rd i f f e r e n t a s hc o n-t e n t掺灰量/%ab相关系数55 1.6 80.5 20.9 71 05 1.2 30.6 50.9 91 55 0.8 10.7 20.9 82 05 1.0 40.7 50.9 9的改良土来说,a值在一个很小的范围内波动,因此,可以认为掺灰量对于a值来说没有影响,取表中四个数值的平均值5 1.1 9作为其代表值;而b值则随着掺灰量的增加而增大,尝试用式(2)来描述b值与掺灰量的关系,并将拟合结果绘制于图8中.由图可以看出其拟合系数为0.9 7,这表明用式(2)来描述这二者之间的关系是合理的.b=1.1 40.2 6(2)式中:为掺灰量,%.图8 参数b随掺灰量的变化曲线F i g.8 V a r i a t i o nc u r v eo fp a r a m e t e rbw i t ha s hc o n t e n t将式(2)代入式(1)即可得到稻壳灰改良盐渍土的无侧限抗压强度随掺灰量和养护龄期的模型如式(3)所示.q=5 1.1 9t1.1 40.2 6(3)式中,各字母物理意义及单位见式(1)及式(2).该公式可用于预测掺入稻壳灰的改良盐渍土的强度.在实际工程中,可以根据式(3),结合稻壳灰的掺量和龄期来预测稻壳灰改良盐渍土的强度大小.2.4 压缩系数与抗压强度的关系在已有的研究中可以看出,关于孔隙比与土体强度之间关系的试验研究较多2 5,而同样作为描述土体压缩特征的压缩系数,其与土体强度之间关系的研究较少,因此本文尝试描述二者之间的定量关系.由以上的试验结果可以看出,随着掺灰量和养护龄期的增加,土体的抗压强度不断增大,而其压缩系数却不断减小,因此,猜测二者存在一个负相关的变化关系.以不同龄期下改良土的压缩系数为横坐标,以抗压强度为纵坐标,绘制于坐标图中,如图9所示,二者之间的关系表达式如表3所示.其中x代表压缩系数,MP a-1;y代表抗压强度,k P a.图9 压缩系数与抗压强度的拟合曲线F i g.9 F i t t i n gc u r v eo fc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ta n dc o m-p r e s s i v e s t r e n g t h表3 抗压强度与压缩系数的拟合关系式T a b.3 T h ef i t t i n gr e l a t i o nb e t w e e nc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t养护龄期/d拟合公式相关系数3y=2 3 3.1 4-5 7 9.6 5x0.9 97y=3 7 5.9 3-1 0 7 5.8 1x0.8 81 4y=4 9 5.7 2-1 5 7 6.1 2x0.9 72 8y=7 1 8.1 7-2 6 7 9.4 0 x0.9 6由表3所示的拟合结果可以看出,不同龄期下改良土的抗压强度与压缩系数呈现出一个线性负相关关系,且用一次函数对其进行拟合,其相关系数较高.分析产生这种现象的原因,主要是因为,土体的压缩系数越小,土体的结构越密实,内部孔隙越少,土颗粒之间的接触作用越强,土体抵抗外力破坏的能力越强,相应的,土体的抗压强度也越大.3 改良土的抗冻性分析当土体处于周期性的正温和负温交替作用下,土中的水分相态不断发生变化.水在负温状态下冻结,体积膨胀9%左右,当由此产生的膨胀力大于土颗粒之间的胶结力时,土体之间的胶结作用会被破坏,土样的宏观力学强度就会下降2 6.因此,研究冻融作用下稻壳灰改良盐渍土的力学特征变化情况,能够为其在季节性冻土区的使用提供理论依据.图1 0为不同掺灰量下的改良土经过1 0次冻融循环再进行无侧限抗压强度试验后的破坏图.由图可以看出,对于5%掺灰量的改良土来说,231 兰州理工大学学报 第4 9卷图1 0 冻融循环后不同掺灰量改良土的破坏图F i g.1 0 D e s t r u c t i o nd i a g r a mo f i m p r o v e ds o i lw i t hd i f f e r-e n t a s hc o n t e n t a f t e r f r e e z e-t h a wc y c l e其受压破坏后试样的破坏面形式为单斜缝型,且贯穿整个试 样,土体的 脱落现象较 为明显;而对 于1 5%掺灰量的改良土来说,其在破坏后,试样的整体性仍然较好,无明显的贯穿破裂面发展,大体呈鼓胀破坏.这说明较高掺灰量的改良土,抵抗冻融作用的能力较强.以上分析只是定性地分析改良土的抗冻性,为了能够定量地描述土体的抗冻性能,参考王海飙等2 7的研究成果,以多次冻融作用以后土体的强度损失率作为评价指标,来对土体的抗冻性进行描述,其具体描述如式(4)所示.=q0-qnq0(4)式中:为土体强度损失率,%;q0、qn分别为未冻融以及n次冻融以后改良土的抗压强度,k P a.经过多次冻融作用以后,土体强度损失率越低,表明土体的抗冻性越好;反之则说明土体的抗冻性较差.3.1 掺灰量对改良土的抗冻性分析对不同掺灰量的改良土进行2 8d的标准养护后,依次进行不同次数的冻融循环,然后探究改良盐渍土的无侧限抗压强度变化规律,从而得出掺灰量对于改良盐渍土的抗冻性的影响,试验结果如图1 1所示.可以看出,随着冻融循环次数的增加,不同掺灰量下改良土的抗压强度都随着冻融循环次数的增加而减小,且当冻融次数由5次增加到1 0次时,土体的强度值减小的幅度十分微弱.因此,以冻融1 0次以后改良土的强度损失率作为评价标准来研究掺灰量对于改良土抗冻性的影响,计算结果如表4所示.图1 1 2 8d龄期下不同掺灰量改良土无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化情况F i g.1 1 V a r i a t i o no f c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f s o i l sm o d i f i e dw i t hd i f f e r e n ta s hc o n t e n t sw i t ht h en u m b e ro ff r e e z e-t h a wc y c l e sa t 2 8d a y so fa g e表4 不同掺灰量2 8d龄期改良土冻融前后抗压强度对比T a b.4 C o m p a r i s o no f c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f2 8-d a ya g e i m-p r o v e ds o i lb e f o r ea n da f t e rf r e e z i n ga n dt h a w i n gu n-d e rd i f f e r e n t a s hc o n t e n t s掺灰量/%冻融0次的抗压强度/k P a冻融1 0次的抗压强度/k P a强度损失率/%05 7.1 32 3.0 75 9.6 252 4 5.6 81 4 0.2 14 2.9 31 04 4 4.2 72 7 9.6 73 7.0 51 55 5 8.2 23 6 5.6 83 4.4 92 06 1 1.1 53 9 5.8 23 5.2 3由表4可以看出,掺灰量对于改良土的强度损失率有明显的影响.当掺灰量从0%增加到1 5%时,改良土的强度损失率不断减小,表明其抗冻性提高;而当掺灰量从1 5%增加到2 0%时,改良土的强度损失率却呈现出一个递增的趋势,表明此时改良土的抗冻性变弱.将不同掺灰量下改良土抗压强度的损失率绘制于坐标图中,并绘制其拟合曲线,结果如图1 2所示.331第1期 丑亚玲等:稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的试验 图1 2 改良土的强度损失率随掺灰量的变化图F i g.1 2 C h a n g eg r a p ho fs t r e n g t hl o s sr a t eo fi m p r o v e ds o i lw i t ha s hc o n t e n t对试验结果拟合可得改良土的掺灰量与强度损失率的关系方程,如式(5)所示.=0.1 12-3.3 3+5 8.7 6(5)式中,各字母物理意义及单位见式(2)和式(4).由拟合关系式(5)可以看出,掺灰量与强度损失率之间符合二次抛物线的变化规律,拟合曲线与计算值拟合较好,其拟合系数达到了0.9 8.由二次函数的变化规律可以得到,当掺灰量为1 5.1 3%时,土体的强度损失率最小.综上分析并考虑经济性因素,可以认为1 5%的掺灰量为土体的最佳掺灰量.分析造成这种现象的原因,主要是因为当稻壳灰掺量较低时,其水化反应生成的胶凝产物之间的粘结力较强,可以抵挡水分冻结时形成的冻胀力,使得土体免于破坏,且稻壳灰掺量越高,水化产物越多,这种胶结作用越强,冻融作用对于土体的破坏作用就越弱;而当掺灰量过高时,大量的水化产物会对改良土产生膨胀作用,使改良土内部发生破坏,并且此时土体结构相对来说较为密实,内部孔隙较少,满足不了土体内部水分冻胀时所需要的空间,因而,强度损失率较高,其抗冻性能也较差,这与水泥土及石灰土的抗冻性试验结果相似2 7-2 8.3.2 龄期对于改良土的抗冻性分析选取掺灰量为1 5%的改良盐渍土分别进行不同龄期下的养护,并依次进行不同次数的冻融循环,探究改良盐渍土的无侧限抗压强度变化情况,从而得出养护龄期对于改良盐渍土的抗冻性能研究,试验结果如图1 3所示.可以看出,不同养护龄期下改良土的无侧限抗压强度都随着冻融循环次数的增加而减小,且当冻融次数由5次增加到1 0次时,土体的强度值减小的幅度也较小.所以仍然以冻融1 0次以后改良土的强度损失率作为评价标准来研究龄期对于改良土抗冻性的影响,计算结果如表5所示.可以看出,改良盐渍土的强度损失率随着龄期的增加而减小,但是其波动范围相较于掺灰量来说较小