王建磊，王艷巧，楊廣棟，張揚(yáng)帆，姜宏雨

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土變形和強(qiáng)度試驗(yàn)

王建磊1，王艷巧2，楊廣棟2，張揚(yáng)帆2，姜宏雨2

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

為了探究干濕循環(huán)作用對(duì)水泥改性膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響，以合肥地鐵1號(hào)線太湖路車站基坑膨脹土為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了不同水泥摻入比和不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥改性膨脹土直剪試驗(yàn)，確定了最佳水泥摻入比以及最佳養(yǎng)護(hù)齡期.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了干濕循環(huán)條件下膨脹土和水泥改性膨脹土的脹縮變形試驗(yàn)和直剪試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：膨脹土的脹縮變形過(guò)程并不完全可逆，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，抗剪強(qiáng)度逐漸減小，絕對(duì)脹縮率逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定；水泥改性后的膨脹土抗剪強(qiáng)度明顯提高，水穩(wěn)性顯著提升，脹縮性明顯減弱；經(jīng)水泥改性后，膨脹土受干濕循環(huán)作用的影響顯著減小.

干濕循環(huán)；膨脹土；水泥改性；變形；強(qiáng)度

0　引言

膨脹土是一種主要由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成的，具有膨脹結(jié)構(gòu)以及多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性黏土[1-2].膨脹土吸水膨脹，失水收縮，在自然條件下極易發(fā)生反復(fù)干縮濕脹，在含水率較低時(shí)具有很高的強(qiáng)度，表現(xiàn)為質(zhì)地堅(jiān)硬，然而一旦遇水濕化即發(fā)生膨脹變形，且強(qiáng)度急劇下降[3-4].因此，膨脹土地基上的建筑物受到干濕循環(huán)作用而遭到破壞的工程事例屢見(jiàn)不鮮.

由于膨脹土的工程性質(zhì)較差，在工程實(shí)際中，通常采用水泥、石灰等方式對(duì)膨脹土進(jìn)行化學(xué)改性.其中，水泥改性膨脹土具有改性效果明顯，水穩(wěn)性好，污染小等優(yōu)點(diǎn)[5-7]，已被廣泛運(yùn)用到實(shí)際工程中.目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)水泥改性膨脹土做了一系列研究，李紅爐等[8]對(duì)水泥改性膨脹土的干密度及自由膨脹率進(jìn)行室內(nèi)研究，結(jié)果表明，水泥改性膨脹土隨著拌和后放置時(shí)間的增長(zhǎng)，壓實(shí)干密度先減小后增大，同時(shí)土體的自由膨脹率前期快速減小，7 d后逐漸趨于穩(wěn)定.劉志彬等[9]對(duì)水泥改性膨脹土內(nèi)微觀孔隙進(jìn)行了定量研究，發(fā)現(xiàn)改性膨脹土中存在較多窄縫狀孔隙，同時(shí)水泥的摻入使得膨脹土內(nèi)的微孔體積顯著減小.黃斌等[10]對(duì)南陽(yáng)段膨脹土進(jìn)行了水泥改性試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)隨水泥摻量的增加，膨脹土脹縮特性降低，但摻量達(dá)一定程度后，水泥摻量的增加對(duì)脹縮特性的抑制效果并不明顯.趙春吉等[11]對(duì)水泥改性強(qiáng)膨脹土進(jìn)行理化試驗(yàn)研究，從微觀角度分析了水泥改性膨脹土的機(jī)理.然而，對(duì)于水泥改性膨脹土在反復(fù)干濕循環(huán)過(guò)程中的變形以及強(qiáng)度變化特征的研究鮮有報(bào)道.因此，有必要研究干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土的變形和強(qiáng)度變化規(guī)律.

筆者以合肥地鐵1號(hào)線太湖路車站建設(shè)工程中的膨脹土為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行干濕循環(huán)條件下素膨脹土和改性膨脹土的變形和強(qiáng)度試驗(yàn)，從而得出干濕循環(huán)作用對(duì)水泥改性膨脹土變形與強(qiáng)度的影響以及水泥改性對(duì)抑制膨脹土干濕循環(huán)作用的效果，為膨脹土地區(qū)水泥改性的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)合理的依據(jù).

1　試樣材料及制樣方法

1.1膨脹土及水泥基本物理特性

試驗(yàn)用土取自合肥地鐵1號(hào)線太湖路車站，埋深14 m，顏色為淡黃色，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

1.2試樣制備

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范[12]，將從現(xiàn)場(chǎng)取回來(lái)的土料進(jìn)行翻曬風(fēng)干，過(guò)2 mm篩.為了使水泥與土樣拌合均勻，將試驗(yàn)所用的水泥過(guò)0.5 mm篩.按照試驗(yàn)設(shè)定含水率(水與烘干素土的質(zhì)量比)22.5%和不同水泥摻入比(水泥與烘干素土的質(zhì)量比)，稱取試樣所需土樣和水泥量，將水泥均勻拌入到土中，然后均勻加入蒸餾水?dāng)嚢瑁顾喔男酝翗雍蔬_(dá)到控制含水率.將配好含水率的改性土樣放入密閉塑料袋內(nèi)，24 h后取出土樣.土樣采用液壓千斤頂一次壓實(shí)成環(huán)刀樣，試樣高度20 mm，直徑61.8 mm，試樣初始干密度為1.60 g/cm3.

表1　土樣基本物理特性Tab.1　The basic physical properties of soil samples

2　試驗(yàn)方案

2.1最佳水泥摻量確定

將水泥改性膨脹土(水泥摻入比為3%、4%，5%，6%，7%，8%，9%)環(huán)刀樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(溫度(20±3)℃，相對(duì)濕度90%以上)養(yǎng)護(hù)28 d，再將養(yǎng)護(hù)后的試樣放入單聯(lián)直剪儀內(nèi)，在豎向荷載為200 kPa下進(jìn)行快剪試驗(yàn)，得出試樣的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，隨著水泥摻量的增加，水泥改性膨脹土的強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)水泥摻量小于5%時(shí)，隨著水泥摻量的增加，水泥改性膨脹土的抗剪強(qiáng)度增加較快；當(dāng)水泥摻量大于5%時(shí)，水泥改性膨脹土抗剪強(qiáng)度增加較為緩慢，同時(shí)當(dāng)水泥摻量大于7%時(shí)，水泥改性土的強(qiáng)度增加并不明顯，因此對(duì)于該試驗(yàn)的膨脹土，水泥改性的最佳水泥摻量約為5%.在實(shí)際施工時(shí)，考慮到拌和工藝、造價(jià)及現(xiàn)場(chǎng)施工等因素，還需進(jìn)行校核試驗(yàn)，以綜合確定施工用的水泥摻量.

圖1　抗剪強(qiáng)度與水泥摻入比關(guān)系Fig.1　The relationship between shear strength and cement content

2.2最佳養(yǎng)護(hù)齡期確定

將水泥改性膨脹土(選擇最佳水泥摻入比5%)環(huán)刀樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)0、1、3、5、7、14、28 d，并將養(yǎng)護(hù)后的試樣放入直剪儀內(nèi)，在豎向荷載200 kPa下進(jìn)行快剪，得出試樣的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，水泥改性膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加.當(dāng)齡期為5 d時(shí)，水泥改性土的強(qiáng)度達(dá)到70%左右.試樣養(yǎng)護(hù)至7 d后，抗剪強(qiáng)度增加緩慢，養(yǎng)護(hù)14～28 d后，抗剪強(qiáng)度基本保持不變.因此對(duì)于該試驗(yàn)的膨脹土，水泥改性的最佳養(yǎng)護(hù)齡期約為28 d.

圖2　抗剪強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.2　The relationship between shear strength and curing age

2.3干濕循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)2.1和2.2的試驗(yàn)結(jié)論，將水泥改性膨脹土(水泥摻入比為5%)試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)28 d，素膨脹土試樣不養(yǎng)護(hù).試驗(yàn)裝置主要由千分表、環(huán)刀、透水石以及水盒等部分組成.

干濕循環(huán)試驗(yàn)步驟如下：

(1)失水收縮過(guò)程.將試樣放在自然條件下風(fēng)干，對(duì)其進(jìn)行失水收縮，每隔一定時(shí)間記錄一次試樣高度，當(dāng)含水率為11%時(shí)，失水收縮階段結(jié)束，至此試樣完成失水收縮過(guò)程.為了加快試樣風(fēng)干速率，在環(huán)刀試樣的頂部采用多孔板.

(2)吸水膨脹過(guò)程.將失水后的試樣放在透水石上，用吸水球直接向水盒內(nèi)注水，為使試樣吸水均勻，在加水過(guò)程中，保持水面在透水石頂部以下，在透水石上加一張濾紙以防土體黏附其上，當(dāng)千分表讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為試樣已吸水飽和，至此試樣吸水膨脹過(guò)程結(jié)束.試樣完成一次干濕循環(huán).

(3)重復(fù)進(jìn)行步驟(1)、(2)，完成若干次干濕循環(huán)，在干濕循環(huán)過(guò)程中每隔一定時(shí)間記錄試樣高度變化.

(4)將干濕循環(huán)結(jié)束后的試樣放入單聯(lián)直剪儀內(nèi)，同時(shí)對(duì)試樣在豎向荷載為100、200、300、400 kPa下以相同速率進(jìn)行快剪，得出試樣在各級(jí)荷載下的抗剪強(qiáng)度.

對(duì)土體進(jìn)行4次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)過(guò)程中含水率變化范圍為11%～38%，控制含水率為20%，控制過(guò)程如圖3所示.

圖3　干濕循環(huán)過(guò)程示意圖Fig.3　Sketch of wetting-drying cycle

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試樣變形結(jié)果及分析

試樣經(jīng)過(guò)4次干濕循環(huán)后，其高度變化如圖4所示.從圖4可以看出，隨循環(huán)次數(shù)的增加，原膨脹土和改性后膨脹土試樣經(jīng)吸水飽和后高度均逐漸增大，干縮狀態(tài)時(shí)高度也逐漸增大；且前兩次高度變化幅度較大，后兩次高度變化趨于平緩，相比較膨脹土經(jīng)水泥改性后變形不明顯.

圖4　干濕循環(huán)過(guò)程中試樣高度變化Fig.4　Variation of height of specimen under wetting-drying cycle

為分析干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土的脹縮變形變化規(guī)律，分別用絕對(duì)脹縮率來(lái)描述試樣脹縮程度及變化趨勢(shì).并定義絕對(duì)膨脹率ηwi和ηdi來(lái)表征整個(gè)循環(huán)過(guò)程中試樣的脹縮程度及其變化，即

(1)

(2)

式中：hwi為試樣某次循環(huán)浸水飽和后的高度,mm；hdi為某次試樣失水干縮后的高度,mm；h0為制樣時(shí)的高度,mm；i為循環(huán)次數(shù).由測(cè)試結(jié)果及式(1)和(2)計(jì)算出水泥改性膨脹土和未改性膨脹土在干濕循環(huán)中的絕對(duì)脹縮率，由于第一次干濕循環(huán)是從制樣含水率20%開(kāi)始循環(huán)，因此第一次的絕對(duì)收縮率無(wú)法計(jì)算得出.

圖5和6分別表示了原膨脹土與水泥改性膨脹土絕對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而變化的趨勢(shì).

圖5　干濕循環(huán)過(guò)程中絕對(duì)收縮率變化曲線Fig.5　Curves of absolute shrinkage under wetting-drying cycle

圖6　干濕循環(huán)過(guò)程中絕對(duì)膨脹率變化曲線Fig.6　Curves of absolute expansion under wetting-drying cycle

從圖5和圖6可以看出，隨循環(huán)次數(shù)增加試樣的絕對(duì)膨縮率逐漸增加，這主要是由于試樣在初始狀態(tài)下干燥開(kāi)裂后，其土體原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致土顆粒間的膠結(jié)變?nèi)?，結(jié)構(gòu)力逐漸消失[13].隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的膠結(jié)進(jìn)一步變?nèi)?，吸水后試樣的膨脹性逐漸體現(xiàn)出來(lái)，在第2、3次干濕循環(huán)中這種現(xiàn)象表現(xiàn)非常明顯.因此，在飽和狀態(tài)下，試樣的高度不斷增加，同時(shí)水泥改性膨脹土絕對(duì)脹縮率較原膨脹土明顯減小，變形的幅度約為原膨脹土的20%，說(shuō)明膨脹土經(jīng)水泥改性后，土體的水穩(wěn)性得到了顯著的提高.水泥經(jīng)過(guò)水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣離子，在堿性環(huán)境中能與黏土礦物的二氧化硅、三氧化二鋁等反應(yīng)，生成不溶于水的硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物等，這些新生成的結(jié)晶化合物在水中和空氣中逐漸硬化，不僅增大了土體的強(qiáng)度，同時(shí)也提高了水穩(wěn)性[14].

3.2抗剪強(qiáng)度結(jié)果及分析

改性前后膨脹土試樣經(jīng)過(guò)4次干濕循環(huán)后，其抗剪強(qiáng)度分別如圖7和圖8所示.從圖7可以看出，原膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)后抗剪強(qiáng)度明顯下降，在前兩次干濕循環(huán)中強(qiáng)度衰減的較為明顯，之后強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定[15]，這主要是由于在反復(fù)干濕循環(huán)過(guò)程中，裂隙會(huì)逐步發(fā)育，土體的破壞也不斷累積，使土體逐漸趨于松弛，從而導(dǎo)致土體的干密度減小.同時(shí)干濕循環(huán)對(duì)土的粒間聯(lián)結(jié)造成損傷，進(jìn)一步促成了土體松散的排列結(jié)構(gòu)，形成更大的孔隙空間，所以隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸降低.由于膨脹土經(jīng)水泥改性后，膨脹土的水穩(wěn)性顯著增強(qiáng)，土體的粒間聯(lián)結(jié)能力增強(qiáng)，干濕循環(huán)對(duì)土的粒間聯(lián)結(jié)損傷減弱.因此，水泥改性膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)后強(qiáng)度下降并不明顯，從圖8可以明顯看出.為進(jìn)一步分析改性后膨脹土強(qiáng)度提高原因，將改性前原膨脹土與水泥改性后膨脹土黏聚力與內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)變化規(guī)律分別示于圖9和圖10中.由圖可見(jiàn)，原膨脹土經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，黏聚力和內(nèi)摩擦角均有明顯下降.同時(shí)水泥改性膨脹土黏聚力先減小后增大，而內(nèi)摩擦角先增大后減小，這主要是由于改性后膨脹土，經(jīng)過(guò)28 d的養(yǎng)護(hù)后，快剪破壞為脆性破壞，剪切面并不平整.但是從總體上來(lái)看，膨脹土經(jīng)水泥改性后內(nèi)摩擦角以及黏聚力均明顯提高.

圖7　干濕循環(huán)過(guò)程中原膨脹土抗剪強(qiáng)度變化曲線Fig.7　Curves of expensive soil shear strength under wetting-drying cycle

圖8　干濕循環(huán)過(guò)程中水泥改性土抗剪強(qiáng)度變化曲線Fig.8　Curves of cement-treated expansive soil shear strength under wetting-drying cycle

圖9　干濕循環(huán)過(guò)程中黏聚力變化曲線Fig.9　Curves of cohesive value under wetting-drying cycle

圖10　干濕循環(huán)過(guò)程中內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.10　Curves of internal friction angle under wetting-drying cycle

4　結(jié)論

筆者研究了干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土強(qiáng)度及脹縮變形的變化規(guī)律，可以得到如下結(jié)論：

(1)水泥改性膨脹土能明顯地提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，隨著水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改性膨脹土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，并趨于穩(wěn)定.

(2)試樣干縮濕脹變形并不完全可逆.隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，改性前后膨脹土的絕對(duì)脹縮率均在逐漸增加，在第1、2次循環(huán)過(guò)程中其變形的變化幅度較大，之后基本趨于穩(wěn)定.水泥改性膨脹土較原膨脹土，絕對(duì)脹縮率明顯減小.

(3)原膨脹土經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后抗剪強(qiáng)度明顯下降，黏聚力和內(nèi)摩擦角均有明顯下降，并且在前兩次干濕循環(huán)中強(qiáng)度衰減的較為明顯.水泥改性膨脹土較原膨脹土內(nèi)摩擦角以及黏聚力均明顯提高，且經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后強(qiáng)度并未發(fā)生明顯下降.

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Experimental Research Deformation and Shear Strength on Cement-treated Expansive Soil During Wetting-drying Cycles

WANG Jianlei1, WANG Yianqiao2, YANG Gangdong2, ZHANG Yangfan2, JIANG Hongyu2

(1.College of Water Conservancy and Hydropower, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to reveal the influence of wetting-drying cycles on the mechanical of cement-treated expansive soil, the expansive soil obtained from excavation of Hefei Metro Line 1 Taihu Road Station was taken as test object. The optimal cement ratio and curing period were determined, direct shear test was conducted under different cement ratio and curing period cement-treated expansive soil. Based on this, expensive soil and cement-treated expansive soil variation of deformation and strength test was conducted under wetting-drying cycles. It was shown that the swelling-shrinkage deformation of expansive soils was not completely reversible. Under wetting-drying cycles, shear strength of expansive soil decreased, the total ratio of swell-shrink increase and stabilized finally.Cement modified expansive soil can improve the shear strength of expansive soil and the swell-shrink of expansive was decline obviously. Variation of cement-treated expansive soil significantly decreased during wetting-drying cycles.

wetting-drying cycle; expansive soil; cement treatment; deformation; shear strength

2015-12-30；

2016-01-19

中央高?；鹂蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(2014B36614)

王艷巧(1983—)，女，安徽蕭縣人，河海大學(xué)講師，博士，主要從事邊坡加固處理方面研究，E-mail：wangyq0726@163.com．

1671-6833(2016)04-0062-05

TU443

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.014