石灰改性膨脹土凍融循環(huán)的強(qiáng)度效應(yīng)研究

唐東旗，姚秀芳，王曉崗，趙凱峰

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

由于膨脹土體中含有大量親水性物質(zhì)，造成土體易吸水膨脹失水收縮的性質(zhì)，因此對(duì)膨脹土進(jìn)行工程性質(zhì)改良成為膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程施工的主要問(wèn)題.邱翱博[1]、吳燕開(kāi)[2-3]、鎖文韜[4]、宗佳敏[5]等分別利用粉砂、水泥、鋼渣粉和NaOH、石灰、廢舊輪胎顆粒對(duì)膨脹土進(jìn)行了改良，并測(cè)試了其在凍融循環(huán)下的物理力學(xué)特性；李自靈等[6]分析了凍融循環(huán)作用對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和抗剪強(qiáng)度的影響；現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)常用的摻和劑石灰在凍融效應(yīng)下對(duì)豫北弱膨脹土工程性質(zhì)的研究影響鮮有提及，以黃河以北太行山東麓廣泛分布的弱膨脹土為研究對(duì)象，利用不同石灰配合比、不同循環(huán)凍融次數(shù)來(lái)對(duì)改性膨脹土進(jìn)行研究，結(jié)果將為該地區(qū)工程施工提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)基本特征

本次實(shí)驗(yàn)所用的土樣取土地點(diǎn)位于河南省鶴壁市鶴山區(qū)S221省道路邊，該區(qū)域?qū)儆谔猩綎|麓丘陵地帶，土體呈顏色呈灰白色，含少量砂粒、礫石及卵石等，含水量低，質(zhì)地堅(jiān)硬.該區(qū)域膨脹土在公路工程中應(yīng)用較為普遍，受到膨脹土的影響，多處路基、橋涵、邊坡遭到破壞.

土樣基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 膨脹土基本物理參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用的重塑土樣進(jìn)行.將膨脹土中分別加入經(jīng)過(guò)消化后的石灰，石灰和膨脹土的配合比分別為0、1%、3%、5%、7%.初始含水量配制為20%，之后將充分拌合好，經(jīng)過(guò)靜置24小時(shí)以上的土樣進(jìn)行靜壓制樣，所制樣的規(guī)格為高20 mm，直徑61.8 mm.

利用高低溫凍融試驗(yàn)箱開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)，每12個(gè)小時(shí)為一個(gè)循環(huán)，控制溫度為15 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次、4次、7次、10次，達(dá)到循環(huán)次數(shù)后利用應(yīng)變控制式直剪儀開(kāi)展直接快速剪切試驗(yàn)，根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程[7]要求，轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/min，法向荷載施加分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同配合比對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖1a、圖2c、圖3e表示凍融循環(huán)次數(shù)一定，法向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度前期增加變化曲率較大，達(dá)到7次后，增速變緩.隨法向應(yīng)力的逐漸增加，曲線的斜率也逐漸增加.在第一次循環(huán)凍融時(shí)抗剪強(qiáng)度有小幅度上升，說(shuō)明新壓制的試樣經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融循環(huán)周期，土、灰顆粒之間形成了初始的團(tuán)聚體，并且第一次凍融循環(huán)并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性破壞顆粒之間形成的連接，造成粘聚力有一定程度的增大，之后隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，石灰含量越高，強(qiáng)度增加速率降低，在第10次凍融循環(huán)時(shí)甚至出現(xiàn)了強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，這也表明在膨脹土中添加石灰含量不會(huì)是越多越好.

在圖1b、圖2d、圖3f中表示在法向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa，石灰含量一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，從整體來(lái)看，其表現(xiàn)為未凍融時(shí)，隨石灰含量的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增加的.在法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，石灰含量為7%的土樣強(qiáng)度降低速率最快.當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到200 kPa和300 kPa時(shí)，石灰含量為3%的抗剪強(qiáng)度曲線出現(xiàn)異常，前期強(qiáng)度降低過(guò)快后期和強(qiáng)度衰減速率和石灰含量0、1%時(shí)土樣一致，并且法向應(yīng)力越大前期衰減越快.法向應(yīng)力為200 kPa和300 kPa時(shí)，石灰含量為0、1%、3%凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次及以上時(shí)，結(jié)果趨于一致；石灰含量為5%和7%時(shí)，隨法向應(yīng)力增加，其變化曲線斜率越小，也表明土體上覆壓力越大，凍融對(duì)其強(qiáng)度的影響越小.

a 凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí) b 石灰含量一定時(shí)圖1 法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)抗剪強(qiáng)度與石灰含量、凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系

c 凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí) d 石灰含量一定時(shí)圖2 法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)抗剪強(qiáng)度與石灰含量、凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系

e 凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí) f 石灰含量一定時(shí)圖3 法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)抗剪強(qiáng)度與石灰含量、凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系

3.2 不同配合比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

圖4所示為不同石灰、膨脹土配合比時(shí)內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，在石灰含量分別為0和1%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，0石灰含量時(shí)的降低速率為31.6%，1%石灰含量的降低速率為19.4%，兩者的變化關(guān)系曲線比較接近；石灰含量為3%時(shí)，內(nèi)摩擦角在初次凍融循環(huán)后產(chǎn)生急速下降，后期隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，變化趨勢(shì)趨于平緩；石灰含量在5%時(shí)，內(nèi)摩擦角降低率為8.79%，石灰含量為7%時(shí)，內(nèi)摩擦角增加變化率為8.18%.圖5所示為在不同凍融循環(huán)次數(shù)下內(nèi)摩擦角隨石灰含量的變化關(guān)系.

圖4 不同石灰土配合比時(shí)內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

圖5 在不同凍融循環(huán)次數(shù)下內(nèi)摩擦角隨石灰含量的變化關(guān)系

在石灰含量小于3%時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，石灰含量越高，內(nèi)摩擦角越大，其內(nèi)摩擦角大小較為接近；石灰含量在3%～5%時(shí)，內(nèi)摩擦角得到急劇增加，之后隨石灰含量增加內(nèi)摩擦角變化量減小.

3.3 不同配合比對(duì)粘聚力的影響

圖6不同石灰膨脹土配合比下粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不含石灰時(shí)，膨脹土的粘聚力較小，在石灰含量為1%～5%之間時(shí)，整體表現(xiàn)為先增加后減小，粘聚力有所增加，說(shuō)明在凍融初始時(shí)期石灰和膨脹土的結(jié)合體沒(méi)有被破壞，但隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，石灰含量越大，粘聚力降低明顯，說(shuō)明凍融對(duì)石灰和膨脹土的結(jié)合有明顯的破壞作用.總體來(lái)看，石灰含量一定時(shí)，粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低.圖7表示為不同凍融循環(huán)次數(shù)下粘聚力在隨石灰含量的增加時(shí)的變化規(guī)律.從圖7中可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，在未凍融時(shí)粘聚力隨石灰含量增加呈現(xiàn)為先增加后減小再增加的變化趨勢(shì).當(dāng)凍融次數(shù)為第1次時(shí)，粘聚力表現(xiàn)為石灰含量達(dá)到3%前逐漸增加，然后在隨石灰含量5%時(shí)，粘聚力降低，7%時(shí)又急劇增加.凍融次數(shù)第4、7、10次時(shí)，粘聚力在石灰含量為1%有所降低，之后在石灰含量為3%時(shí)各含量粘聚力均有所恢復(fù)，表現(xiàn)為增加，之后隨石灰含量繼續(xù)增加，第7、10次凍融循環(huán)表現(xiàn)為整體衰減.總體來(lái)看，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)之后，粘聚力大小在不同石灰含量時(shí)有起伏，總體變現(xiàn)為在石灰含量為3%時(shí)粘聚力達(dá)到最大值.

圖6 不同石灰膨脹土配合比下粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

圖7 粘聚力在不同凍融循環(huán)次數(shù)下隨石灰含量增加的變化關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

膨脹土中的硅鋁等元素易與石灰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膠體物質(zhì)，能有效提升膨脹土的抗剪強(qiáng)度.北方冬季氣溫溫差大，處于季節(jié)性凍融區(qū)，因此加入石灰的膨脹土經(jīng)過(guò)凍結(jié)作用，水分向表面溫度優(yōu)先變低的區(qū)域產(chǎn)生遷移，從而造成局部水分過(guò)于集中，水凍結(jié)之后，體積增加，易破壞已經(jīng)產(chǎn)生膠結(jié)的土體，從而造成土體強(qiáng)度弱化.通過(guò)上述試驗(yàn)，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論.

(1)在上覆壓力一定下，石灰含量越高，抗剪強(qiáng)度越大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強(qiáng)度變化率越小.

(2)石灰含量越高，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角越大，受凍融循環(huán)次數(shù)的影響越小，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，石灰含量越高，內(nèi)摩擦角越大.

(3)石灰含量越高，粘聚力受凍融次數(shù)的影響越大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力的變化范圍越小.在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨石灰含量增加，粘聚力變化前期呈波浪變化.