張建軍

（江蘇淮安交通勘察設(shè)計(jì)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(zhì)。公路工程中遇到膨脹土路基，必須對(duì)膨脹土進(jìn)行處理，防止膨脹土在干濕變化情況下反復(fù)脹縮，造成路面的損壞。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于膨脹土改良主要采用石灰、砂和粉煤灰等。殷琦[1]等對(duì)石灰改良膨脹土進(jìn)行了力學(xué)特征、物理特征等方面的研究，并且大量的工程實(shí)踐也證明，用石灰改良膨脹土具有良好的效果。張?chǎng)蝃2]等利用摻綠砂改良膨脹土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)，綠砂改良膨脹土試樣的強(qiáng)度主要取決于試樣的含水率和摻砂率。從提高抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的角度考慮，在膨脹土中摻石灰比摻風(fēng)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(chǎng)施工難以拌和和控制，對(duì)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(shí)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(duì)于膨脹土強(qiáng)度特征在干濕循環(huán)下的變化情況，趙艷林[4]等進(jìn)行了深入的研究。但是對(duì)于干濕循環(huán)對(duì)改良膨脹土的影響研究很少。Rao[5]等通過(guò)試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)作用對(duì)石灰改良膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)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(duì)改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響需要進(jìn)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(duì)改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的土樣取自沭陽(yáng)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(jiān)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(zhì)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(yàn)采用的砂為天然砂，最大粒徑2.36mm。本試驗(yàn)采用摻石灰4%和摻砂5%、摻石灰6%的改良膨脹土為研究對(duì)象，研究了土樣未經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)與養(yǎng)護(hù)后土樣進(jìn)行干濕循環(huán)1次、3次、5次、7次、9次后抗剪強(qiáng)度的變化。土樣經(jīng)負(fù)載浸泡24小時(shí)至風(fēng)干到初始質(zhì)量為干濕循環(huán)一次。土樣采用密封負(fù)重養(yǎng)護(hù)，室溫為29±2℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7天（養(yǎng)護(hù)后土樣：土樣體積變化很小，可以忽略不計(jì)。質(zhì)量最大減小1g，最小不變）。浸泡水溫為25±2℃，浸泡時(shí)采用負(fù)載浸泡。

所有土樣均按最佳含水量 （如圖1）配制，并按壓實(shí)度為96%計(jì)算所需的土樣質(zhì)量，采用靜壓法將土樣壓入環(huán)刀。對(duì)土樣分別進(jìn)行有荷載膨脹率試驗(yàn)。土樣膨脹率如表2所示。

圖1 含水量與干密度關(guān)系曲線

表2 土樣膨脹率

2 強(qiáng)度形成機(jī)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(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，將土顆粒粘結(jié)起來(lái)，因而提高膨脹土強(qiáng)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(qiáng)度。

（3） 石灰碳化作用：石灰發(fā)生碳化反應(yīng)（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(jié)構(gòu)更加致密，從而使得膨脹土強(qiáng)度提高。

（4） 膠結(jié)作用：膨脹土中的膠結(jié)物硅質(zhì)、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(qiáng)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(qiáng)度，達(dá)到路基填筑用土的標(biāo)準(zhǔn)，并利用自然砂來(lái)調(diào)整膨脹土的顆粒結(jié)構(gòu)，降低其抗剪強(qiáng)度對(duì)含水率的敏感性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1） 齡期對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。

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

對(duì)摻入4%石灰和5%砂改良膨脹抗剪強(qiáng)度的齡期與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖2所示。

從圖2可知，摻砂和石灰改良膨脹土內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)天數(shù)逐漸減小，但是整體變化不大。而粘聚力隨養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增大有顯著的增大。養(yǎng)護(hù)7天后，土的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因有：1）隨著時(shí)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(xué)反應(yīng)，將土顆粒粘結(jié)起來(lái)，使得土樣的粘聚力增加，而這一反應(yīng)在7天內(nèi)已基本完成，因此，粘聚力在養(yǎng)護(hù)7天后趨于穩(wěn)定。2）碳化作用生成的碳酸鈣形成保護(hù)膜阻止離子交換作用、碳化作用的進(jìn)行，并且改良后的膨脹土微小的膨脹也會(huì)造成內(nèi)摩擦角降低。

圖2 齡期與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

（2）干濕循環(huán)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。

對(duì)養(yǎng)護(hù)后的土樣進(jìn)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(yàn)，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)差值滿足精度要求的四組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。土樣抗剪強(qiáng)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(guān)系曲線

由圖3可知，養(yǎng)護(hù)后與未養(yǎng)護(hù)土樣的粘聚力分別隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，但是養(yǎng)護(hù)后土樣的粘聚力變化幅度較未養(yǎng)護(hù)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(jié)作用和各種物理-化學(xué)鍵力作用的結(jié)果，其大小與土的礦物組成和壓實(shí)程度有關(guān)。土樣浸泡水中后，部分膠結(jié)物質(zhì)溶于水，使得土的粘聚力下降，同時(shí)土質(zhì)結(jié)構(gòu)被水破壞。當(dāng)再次浸水后，由于土質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)破壞加劇，膠結(jié)作用被削弱，顆粒變得松散，同時(shí)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(shí)，養(yǎng)護(hù)與未養(yǎng)護(hù)土樣內(nèi)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(hù)后土樣的內(nèi)摩擦角變化幅度減緩，未養(yǎng)護(hù)土樣整個(gè)過(guò)程內(nèi)摩擦角變化幅度較養(yǎng)護(hù)后土樣小。土的內(nèi)摩擦角反映了土的摩擦特性，一般認(rèn)為包含兩個(gè)部分：土顆料的表面摩擦力，顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。可以認(rèn)為，進(jìn)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(nèi)摩擦角出現(xiàn)增大。而隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，土體內(nèi)部次生裂縫增多，土體結(jié)構(gòu)被破壞，使得內(nèi)摩擦角大小出現(xiàn)波動(dòng)。

圖4 循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）研究表明適當(dāng)養(yǎng)護(hù)對(duì)摻灰和砂混合料的改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度的影響較大。工程實(shí)踐中，摻灰改良膨脹土至少應(yīng)該養(yǎng)護(hù)7天，以保證改良膨脹土的強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定。

（2）干濕循環(huán)對(duì)土的抗剪強(qiáng)度影響較大。干濕循環(huán)五次后，土樣抗剪強(qiáng)度有所提高，主要是因?yàn)槭业奶蓟饔糜绊憽ｋS著循環(huán)次數(shù)增加，土的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)衰減。因此工程實(shí)際中，應(yīng)該加強(qiáng)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(qiáng)度。

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

[2]張?chǎng)危瑢O樹(shù)林，魏永耀，等.摻綠砂改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（2）:209-212.

[3]楊俊，童磊，張國(guó)棟，等.風(fēng)化砂改良膨脹土對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(duì)膨脹土變形指標(biāo)的影響[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24(4):470-474.

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