橡膠顆粒二灰土對濕陷性黃土的改良性能分析

孫雨磊 趙 飛

(1.張家口市隆源供水有限公司,河北 張家口 075000;2.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

0 引 言

我國疆域遼闊,囊括各種地質條件,其中包含上千平方公里的黃土分布區.隨著我國經濟快速發展,處于黃土區的省份工程建設也在不斷發展壯大,對于黃土區的地基承載力要求也在不斷提高.但由于素黃土本身存在的濕陷性缺陷,使其難以滿足現代建設要求下的地基承載力要求,因此需要對濕陷性黃土進行進一步的處理,使其滿足承載力要求[1-4].早在上世紀六七十年代,美國學者在試驗中發現,將石灰與土按照一定比例混合后,能夠增強土的物理性質.隨著我國科研能力不斷增強,在學習國外成果的基礎上,通過研究發現在一定范圍內,摻入石灰只能夠增強土的物理性質,對于土體強度改變效果并不明顯[5].而灰土作為在我國延續使用上千年的建筑地基材料[6],一旦成型,歷經數百年仍可保持完好[7],因此目前仍有部分地區將灰土作為濕陷性黃土地基的主要處理手段之一[8].然而近些年來國家環保政策逐漸完善,對環境保護的要求也越來越高,石灰在地基處理中的使用逐漸受到限制.與此同時,灰土由于堆放風吹揚塵以及拌合揚塵等問題亦受到限制使用.而在社會經濟發展過程中,廢舊輪胎數量不斷攀升,逐漸成為難以處理的一大難題,如何將廢舊輪胎作為加筋材料應用到土木工程領域,我國學者做出諸多嘗試,在邊坡工程[9,10]、混凝土混合材料領域[11]都取得了優異成果.與此同時關于廢舊輪胎對于地基土體的改善研究亦在進行[12].

本研究在前人的研究基礎上,提出將石灰、粉煤灰以及廢舊輪胎中的橡膠顆粒拌合形成一種復合灰土,將復合灰土摻入黃土中達到改善濕陷性黃土的目的,可以減少石灰和粉煤灰的使用量,達到環境保護的目的同時,能夠為廢舊輪胎的使用提供新方向.

1 濕陷性黃土性質分析

本研究采用甘肅某地工程建設項目場地地基土體進行室內試驗,主要測定土體含水率、液塑限、密度等物理指標.取工程場地地表以下3.5～4m深度原狀土作為研究對象,得到土體性質如表1所示.

表1 土體基本指標

采用環刀取土,通過室內浸水壓縮試驗確定粉土濕陷性質,所用公式如式(1)所示:

(1)

式中:hp表示原始狀態下土樣施加壓力后,待穩定后下沉高度(mm);h＇p表示施壓穩定后試件在浸水作用下下沉穩定后的高度(mm);h0表示試件原高度(mm).

濕陷量計算如式(2)所示:

(2)

式中:δsi表示第i層土濕陷系數;hi表示第i層土厚度(mm);β表示修正系數,取1.5.

自重濕陷計算值如式(3)所示:

(3)

式中:δzsi表示第i層土自重濕陷系數;hi表示第i層土厚度(mm);β0表示修正系數,取0.5.

由計算結果可得,△s為57.6mm～65.8mm<300mm;自重濕陷量△zs為18.2mm～22.45mm≤70mm,屬于濕陷等級為Ⅰ級的非自重濕陷性場地.

2 橡膠顆粒拌合二灰土在黃土中的試驗分析

2.1 機理分析

通過剖析各成分對土體的影響,能夠更好地發揮各成分的作用.通常石灰是由高溫煅燒石灰石得到的,在高溫環境下,石灰石氧化形成氧化鈣,加水后與水反應生成碳酸鈣.石灰摻入土體后能夠與土體中水分反應,在吸收水分的同時能夠轉化為碳酸鈣晶體,從而改變土體物理性質.粉煤灰具有一定的活性,在拌合土中與石灰、素土等發生反應,從而形成高強度的復合土地基.從廢舊輪胎中提取橡膠顆粒,作為一種彈性材料摻入到土體中,在承受荷載時,橡膠顆?？梢蕴钛a到土顆粒間隙中,增加土體密實度,使承載力增加.當荷載減小時,橡膠顆粒發生回彈,從而達到延緩土體變形的目的.廢舊輪胎及橡膠顆粒如圖1所示.

(a)廢舊輪胎 (b)輪胎粉碎后橡膠顆粒圖1 廢舊輪胎及橡膠顆粒

2.2 試驗步驟

試驗主要采用JDS-2型電動擊實儀制件,ZJ型應變控制式直剪儀、WG型單杠桿標準固結儀進行試驗.

為減少環境污染,盡量減少使用石灰摻量,摻入粉煤灰以及橡膠顆粒作為替代摻料.由于國內外相關研究較少,因此參考《建筑地基處理技術規范》(JTJ79-2012)和《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025-2004)中關于灰土及二灰土的標準,在滿足地基承載力要求以及地基變形要求的同時,制定配合比如表2所示.

表2 各試驗工況配合比

將三種摻料與黃土混合后按照配合比制成試件,稱取此時試件重量.分別對五種試件進行齡期為0d、7d、14d、28d養護,并分別進行標準固結試驗,計算試件的變形量.取不同齡期下的試件,在正壓力作用下進行剪切試驗,壓力施加范圍為100～500kPa,壓力每次增加100kPa,記錄各壓力下試件的臨界破壞強度.分別對齡期為28d的五種試件進行浸水后直剪試驗,獲得在不同含水率情況下的土樣抗剪強度.

2.3 試驗分析

2.3.1 變形性能分析

根據試驗步驟進行試驗,將獲得試驗數據進行分析整理,繪制成折線圖用于參考分析.取養護齡期為14d的試件進行固結試驗,所得試驗數據繪制折線圖如圖2所示.

圖2 試樣沉降量隨觀測時間變化曲線圖

圖2所示為在300kPa正壓力下,試樣累計沉降量與觀測時間的關系,由圖可知,隨著時間不斷增長,所有試樣沉降量均增大.灰土試樣的沉降量明顯大于試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,說明摻入橡膠顆粒的拌合土沉降變形要小于灰土試樣.

在較短時間內,隨著摻入橡膠顆粒體積的增大,試樣在壓力作用下產生的沉降越小,說明摻入橡膠顆粒能夠減弱土體塑性變形.

2.3.2 摻量對強度的影響分析

由圖3可知,試樣剪切強度隨著正壓力增大不斷增大,但增大到一定值后,增大速率減緩.在相同壓力下,試樣Ⅱ對應的剪切強度大于試驗Ⅰ和試樣Ⅲ,素土和灰土的剪切強度最低.由圖可以發現,隨著摻入橡膠顆粒的體積不斷增大,土體的剪切強度先增大后減小,在摻入30%的橡膠顆粒時剪切強度達到最大值.

圖3 剪切強度隨壓力變化曲線圖

說明在一定范圍內,摻入橡膠顆粒能夠有效提升土體剪切強度,增強土體整體性.

2.3.3 齡期對強度的影響分析

由圖4可知,隨著養護齡期增加,土體抗剪強度不斷增加,由斜率可知,在前14d,強度增加速率較快,隨著養護齡期增加,土體強度增加速率不斷減緩.整體分析可知,摻入30%橡膠顆粒的混合土在相同養護齡期下剪切強度最大,10%次之,40%更次之.說明摻入橡膠顆粒對土體剪切強度具有顯著影響,并且存在最優值30%,低摻量對土體的剪切強度效果優于高摻量.

圖4 剪切強度隨養護齡期變化曲線圖

2.3.4 含水率對強度的影響分析

由圖5可知,隨著土樣含水率增加,各試樣抗剪強度均呈現先增大后減小趨勢,且在含水率為22%時達到最大值,即為最優含水率.且隨著土中橡膠顆粒摻量的增加,土體抗剪強度先增大后減小,在橡膠顆粒摻量為30%時達到最大值.

圖5 含水率與土體抗剪強度變化曲線圖

3 結 論

本研究為響應國家政策,減少揚塵污染,因此在濕陷性黃土原有的處理方法上加以改進,提出摻入一定比例的廢棄輪胎中的橡膠顆粒作為混合摻料,將混合后的橡膠顆粒、石灰、灰土作為主要研究對象,探討在橡膠顆粒能夠發揮最優作用的摻入比例,并通過試驗得到以下結論:

(1)摻入橡膠顆粒能夠減少土體沉降量,且隨著摻入比例的增加,效果增強,但隨著觀測時間增長,各摻入比例最終沉降量趨于一致.

(2)在正壓力作用下,剪切強度隨橡膠顆粒摻量增加先增大后減小,最佳摻量在30%.

(3)在相同養護齡期下,橡膠顆粒摻量為30%時,土體剪切強度最大.隨著齡期增長,強度增加速度有所減緩.

(4)存在最優含水率為22%,不會隨著摻入比例改變而改變,但在摻入橡膠顆粒為30%時,達到最優含水率時的抗剪強度達到最大值.