干濕循環(huán)對改良膨脹土抗剪強度影響分析

張建軍

（江蘇淮安交通勘察設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

膨脹土含有較多的親水性黏土礦物，具有吸水膨脹，失水收縮的工程性質。公路工程中遇到膨脹土路基，必須對膨脹土進行處理，防止膨脹土在干濕變化情況下反復脹縮，造成路面的損壞。目前，國內對于膨脹土改良主要采用石灰、砂和粉煤灰等。殷琦[1]等對石灰改良膨脹土進行了力學特征、物理特征等方面的研究，并且大量的工程實踐也證明，用石灰改良膨脹土具有良好的效果。張鑫[2]等利用摻綠砂改良膨脹土進行室內試驗并發(fā)現(xiàn)，綠砂改良膨脹土試樣的強度主要取決于試樣的含水率和摻砂率。從提高抗剪強度指標的角度考慮，在膨脹土中摻石灰比摻風化砂、水泥、粉煤灰更有效果。但從施工角度講，由于石灰顆粒較小，現(xiàn)場施工難以拌和和控制，對環(huán)境污染比較大。再者，石灰改良膨脹土水穩(wěn)定性較差，具有時效性[3]。因此，本研究在摻石灰改良膨脹土中摻入一定量砂以改善改良膨脹土的施工效果。

對于膨脹土強度特征在干濕循環(huán)下的變化情況，趙艷林[4]等進行了深入的研究。但是對于干濕循環(huán)對改良膨脹土的影響研究很少。Rao[5]等通過試驗研究了干濕循環(huán)作用對石灰改良膨脹土的物理性質指標的影響，發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)作用下，石灰土的液限增加、塑限減小，黏粒含量增大。而干濕循環(huán)對改良膨脹土抗剪強度的影響需要進一步研究。因此本文以摻砂和石灰混合料的改良膨脹土為例，研究干濕循環(huán)對改良膨脹土抗剪強度的影響。

1 試驗方案

本試驗的土樣取自沭陽至連云港344省道宿遷段，土樣總體呈灰褐色，局部為黃褐色，土樣在干燥狀態(tài)下為堅硬的塊狀，遇水后迅速崩裂，具有典型的濕脹性，屬于典型的高液限淤泥質粘土。土樣的基本參數(shù)如表1。

表1 土樣基本物理參數(shù)

試驗采用的砂為天然砂，最大粒徑2.36mm。本試驗采用摻石灰4%和摻砂5%、摻石灰6%的改良膨脹土為研究對象，研究了土樣未經過養(yǎng)護與養(yǎng)護后土樣進行干濕循環(huán)1次、3次、5次、7次、9次后抗剪強度的變化。土樣經負載浸泡24小時至風干到初始質量為干濕循環(huán)一次。土樣采用密封負重養(yǎng)護，室溫為29±2℃，養(yǎng)護時間為7天（養(yǎng)護后土樣：土樣體積變化很小，可以忽略不計。質量最大減小1g，最小不變）。浸泡水溫為25±2℃，浸泡時采用負載浸泡。

所有土樣均按最佳含水量 （如圖1）配制，并按壓實度為96%計算所需的土樣質量，采用靜壓法將土樣壓入環(huán)刀。對土樣分別進行有荷載膨脹率試驗。土樣膨脹率如表2所示。

圖1 含水量與干密度關系曲線

表2 土樣膨脹率

2 強度形成機理

（1）膨脹土中少量活性氧化硅和氧化鋁與石灰中氫氧化鈣起化學反應，生成不溶于水的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，將土顆粒粘結起來，因而提高膨脹土強度與耐水性。

（2） 離子交換：水與石灰中的Ca2+、Mg2+能使膨脹土的雙電層變薄，從而增加土的水穩(wěn)定性，減少膨脹性，提高土的強度。

（3） 石灰碳化作用：石灰發(fā)生碳化反應（如下式），生成物碳酸鈣的固相體積比氫氧化鈣固相體積稍有增大，使膨脹土的結構更加致密，從而使得膨脹土強度提高。

（4） 膠結作用：膨脹土中的膠結物硅質、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物等使顆粒焊接到一起，從而使得膨脹土強度提高。

（5） 砂礫摩阻力作用：自然砂顆粒之間的摩阻力可以提高膨脹土的抗剪強度，達到路基填筑用土的標準，并利用自然砂來調整膨脹土的顆粒結構，降低其抗剪強度對含水率的敏感性。

3 試驗結果與分析

（1） 齡期對抗剪強度的影響。

將制好的試樣放在應變控制式直剪儀上進行不同垂直荷載，不同齡期下土樣的直剪試驗，剪切速度為0.8mm/min。

對摻入4%石灰和5%砂改良膨脹抗剪強度的齡期與抗剪強度關系曲線，如圖2所示。

從圖2可知，摻砂和石灰改良膨脹土內摩擦角隨養(yǎng)護天數(shù)逐漸減小，但是整體變化不大。而粘聚力隨養(yǎng)護天數(shù)的增大有顯著的增大。養(yǎng)護7天后，土的抗剪強度趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因有：1）隨著時間的增加，膨脹土中少量活性氧化硅和氧化鋁與石灰中氫氧化鈣起化學反應，將土顆粒粘結起來，使得土樣的粘聚力增加，而這一反應在7天內已基本完成，因此，粘聚力在養(yǎng)護7天后趨于穩(wěn)定。2）碳化作用生成的碳酸鈣形成保護膜阻止離子交換作用、碳化作用的進行，并且改良后的膨脹土微小的膨脹也會造成內摩擦角降低。

圖2 齡期與抗剪強度關系曲線

（2）干濕循環(huán)對抗剪強度的影響。

對養(yǎng)護后的土樣進行干濕循環(huán)，循環(huán)后的土樣每組土樣做至少四組平行試驗，取試驗數(shù)據(jù)差值滿足精度要求的四組結果的平均值作為最終試驗結果。土樣抗剪強度隨循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 循環(huán)次數(shù)與粘聚力關系曲線

由圖3可知，養(yǎng)護后與未養(yǎng)護土樣的粘聚力分別隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢基本一致，但是養(yǎng)護后土樣的粘聚力變化幅度較未養(yǎng)護土樣大。循環(huán)第一次后，土樣的粘聚力減少，隨后增大，循環(huán)五次后，又出現(xiàn)了下降。粘聚力是土粒間的膠結作用和各種物理-化學鍵力作用的結果，其大小與土的礦物組成和壓實程度有關。土樣浸泡水中后，部分膠結物質溶于水，使得土的粘聚力下降，同時土質結構被水破壞。當再次浸水后，由于土質結構被破壞，土顆粒與水接觸更加充分，石灰碳化作用加劇，致使土樣粘聚力增大。但是隨著循環(huán)次數(shù)增多，土樣結構破壞加劇，膠結作用被削弱，顆粒變得松散，同時石灰碳化作用減弱，致使粘聚力下降。

由圖4可知，干濕循環(huán)一次時，養(yǎng)護與未養(yǎng)護土樣內摩擦角均提高，干濕循環(huán)兩次后，兩者的變化規(guī)律大致相反。干濕循環(huán)五次后，養(yǎng)護后土樣的內摩擦角變化幅度減緩，未養(yǎng)護土樣整個過程內摩擦角變化幅度較養(yǎng)護后土樣小。土的內摩擦角反映了土的摩擦特性，一般認為包含兩個部分：土顆料的表面摩擦力，顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產生的咬合力?？梢哉J為，進行干濕循環(huán)后，石灰碳化作用生成的碳酸鈣增加了土顆粒的摩擦力，并使得顆粒間的嵌入與聯(lián)鎖作用加劇，使得初期干濕循環(huán)內摩擦角出現(xiàn)增大。而隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，土體內部次生裂縫增多，土體結構被破壞，使得內摩擦角大小出現(xiàn)波動。

圖4 循環(huán)次數(shù)與內摩擦角關系曲線

4 結論

（1）研究表明適當養(yǎng)護對摻灰和砂混合料的改良膨脹土的抗剪強度的影響較大。工程實踐中，摻灰改良膨脹土至少應該養(yǎng)護7天，以保證改良膨脹土的強度達到穩(wěn)定。

（2）干濕循環(huán)對土的抗剪強度影響較大。干濕循環(huán)五次后，土樣抗剪強度有所提高，主要是因為石灰的碳化作用影響。隨著循環(huán)次數(shù)增加，土的抗剪強度出現(xiàn)衰減。因此工程實際中，應該加強改良膨脹土地基排水，盡量減少干濕循環(huán)作用。

（3）在膨脹土中摻入石灰與砂能夠較好地降低膨脹土的膨脹性，提高改良膨脹土的強度。

[1]殷琦，陳佳，朱心瀟，等.灰改良膨脹土的強度特性試驗研究[J].城市道橋與防洪，2008，（8）：352-354.

[2]張鑫，孫樹林，魏永耀，等.摻綠砂改良膨脹土室內試驗研究[J].巖土力學，2012，33（2）:209-212.

[3]楊俊，童磊，張國棟，等.風化砂改良膨脹土對抗剪強度指標的影響研究[J].水土保持研究，2013，20(2):276-281.

[4]趙艷林，曾召田，呂海波.干濕循環(huán)對膨脹土變形指標的影響[J].桂林工學院學報，2009，24(4):470-474.

[5]Rao S M，Reddy B V V，Muttharam M.Effect of Cyclic Wettingand Drying on the Index Properties of a Lime-Stabilised Expansive Soil[J]．Ground Improvement，2001，5(3):107－110．