莊心善 王康 王俊翔 李凱

摘要：以南水北調(diào)中線(xiàn)工程南陽(yáng)膨脹土為研究對(duì)象，在保持含水率20%和干密度1.7 g/cm.3不變的條件下，基于磷尾礦最佳摻量為7.5%，分別將EPS顆粒、聚丙烯纖維按不同比例摻入膨脹土中進(jìn)行無(wú)荷膨脹率、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和三軸CU試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：EPS顆粒能有效抑制膨脹土的膨脹性，但會(huì)降低膨脹土的強(qiáng)度和延性，當(dāng)摻量不為0%時(shí)，復(fù)合改良土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均隨圍壓的增加，由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型過(guò)渡，15%為最佳摻量。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)黏聚力和內(nèi)摩擦角與摻量均呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，并得到與摻量有關(guān)的抗剪強(qiáng)度公式。聚丙烯纖維對(duì)復(fù)合改良土抗壓強(qiáng)度峰值影響較小，但能提高其延性和殘余強(qiáng)度，使土體由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。最終得到磷尾礦、EPS顆粒和聚丙烯纖維最佳摻量分別為7.5%、15%、0.4%。

關(guān)鍵詞：膨脹土;磷尾礦;EPS;聚丙烯纖維;抗剪強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.167文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：莊心善

Experimental study on EPS polypropylene fiber modified expansive soil under optimum dosage of phosphate tailings

ZHUANG Xinshan，WANG Kang，WANG Junxiang，LI Kai

（College of Civil Architecture and Environment，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract：The expansive soil in the middle route of South-to-North Water Diversion Project in Nanyang was taken as the research object.Under the condition of keeping moisture content and dry density unchanged at 20% and 1.7 g/cm.3，respectively，based on the ?7.5% optimum dosage of phosphate tailings，we mixed EPS particles and polypropylene fibers in different proportions and added them into the expansive soil for tests of unloaded swelling ratio，unconfined compressive strength，and triaxial CU.The results showed that EPS particles can effectively restrain the expansion and shrinkage of expansive soil，but will reduce the strength and ductility of the expansive soil.With the increase of confining pressure，the stress-strain curves of the modified soils with more than 0% dosage will all increase and change from strain softening type to strain hardening type，with 15% as the best dosage.Further analysis showed that the cohesion and internal friction angle are both linearly negatively correlated with the dosage.A formula of shear strength related to dosage was obtained.Polypropylene fiber has smaller effects on the peak compressive strength of the composite modified soil，but it can increase the ductility and residual strength of the latter，so that the soil can be transformed from brittle failure to plastic failure.After comprehensive analysis，we found the optimum dosages of phosphorus tailings，EPS particles and polypropylene fibers to be 7.5%，15%，and 0.4%，respectively.

Key words：expansive soil;phosphorous tailings;EPS;polypropylene fiber;shear strength

膨脹土是一種具有較高塑限的黏土，含有大量的強(qiáng)親水性礦物質(zhì)——蒙脫石和伊利石，具有吸水膨脹、脫水收縮引起的反復(fù)變形工程特性[1-4]，容易給工程建設(shè)帶來(lái)一系列工程問(wèn)題，如渠道破壞、地基隆起等[5-8]。為了解決這一難題，目前有大量學(xué)者對(duì)膨脹土進(jìn)行了改良處理研究并取得了一些成果，其中化學(xué)改良膨脹土是最常見(jiàn)的改良方法[9-11]，查甫生[12]等采用生產(chǎn)乙炔廢料—電石渣改良膨脹土，通過(guò)系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)研究，確定了電石渣最佳摻合比為10%;孫樹(shù)林等[13]使用堿渣改良膨脹土，有效降低了膨脹土脹縮性能，提高了膨脹土各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，確定了廢渣合理?yè)搅?曾娟娟等[14-15]使用生物酶改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)生物酶能顯著降低膨脹土的膨脹性，并能提高土體的抗剪強(qiáng)度;莊心善等[16-17]采用聚丙烯纖維EPS改良膨脹土，研究了EPS泡沫對(duì)膨脹土抗壓強(qiáng)度和脹縮性能的影響;同時(shí)進(jìn)行了石灰、玄武巖纖維復(fù)合改良膨脹土研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分別得出了兩類(lèi)材料復(fù)合改良膨脹土的最佳摻和比;葛春蘭等[18]進(jìn)行了EPS輕質(zhì)泡沫加固邊坡膨脹土研究，通過(guò)不同密度的無(wú)側(cè)限的單軸壓縮與蠕變?cè)囼?yàn)，提出了能完整描述其受壓過(guò)程的本構(gòu)模型。

磷尾礦是一種在磷礦開(kāi)采和加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄礦渣，使用磷尾礦改良膨脹土對(duì)土體的強(qiáng)度和膨脹性有一定的改善作用[19];EPS泡沫具有質(zhì)輕、可壓縮性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠顯著改善膨脹土的膨脹性，廣泛應(yīng)用于道路工程中[20-21];聚丙烯纖維是一種具有優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的相容性的材料，能夠提高膨脹土的抗裂性能和抗拉性能[22-25]。

綜上所述，已有研究成果均是對(duì)其中一種或兩種材料進(jìn)行膨脹土改良研究，鮮少有人同時(shí)利用以上三種材料進(jìn)行復(fù)合改良土研究。本文結(jié)合磷尾礦、EPS和聚丙烯纖維各自對(duì)膨脹土改良的特點(diǎn)，基于磷尾礦最佳摻量下依次使用EPS和聚丙烯纖維對(duì)膨脹土進(jìn)行復(fù)合改良，通過(guò)無(wú)荷膨脹率、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸CU試驗(yàn)，力求得到三種材料復(fù)合改良土的最佳配合比。

1試驗(yàn)材料及方案

1.1試驗(yàn)材料

膨脹土取自南水北調(diào)中線(xiàn)工程輸水總干渠南陽(yáng)段建設(shè)工地，呈黃褐色，硬性半堅(jiān)固狀態(tài)，土樣的自由膨脹率為75%，由膨脹土的分類(lèi)可知，該膨脹土為中膨脹土。其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

磷尾礦取自鄂州某磷礦加工廠(chǎng)，顏色為灰褐色，呈粉末狀，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。 EPS泡沫顆粒取自武漢某化工廠(chǎng)，顆粒粒徑為2～3 mm，純顆粒密度0.022 g/cm.3，堆積密度0.015 g/cm.3。

聚丙烯纖維取自山東濱州某化纖制品公司，該纖維具有密度小、不吸濕、分散性好等特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

1.2試驗(yàn)方案

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到該膨脹土的最優(yōu)含水量和最大干密度分別為20%和1.7 g/cm.3。保持最優(yōu)含水量和最大干密度不變的情況下，進(jìn)行改良土試驗(yàn)。

1.2.1磷尾礦改良土試驗(yàn)

磷尾礦按質(zhì)量比分別以0%、2.5%、5%、7.5%、10%摻入膨脹土中進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)采用直徑尺寸為61.8 mm，高度為20 mm的環(huán)刀試樣，每間隔2 h讀取一次數(shù)據(jù)，直至連續(xù)兩次讀取數(shù)據(jù)差值小于0.01 mm時(shí)，可認(rèn)為該膨脹土達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用全自動(dòng)三軸儀，應(yīng)變速率為0.08 mm/min。

1.2.2磷尾礦-EPS復(fù)合改良土試驗(yàn)

基于磷尾礦最優(yōu)摻量下，EPS顆粒按體積比分別以0%、5%、10%、15%、20%摻入磷尾礦改良土中依次進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和CU剪切試驗(yàn)，CU試驗(yàn)采用TSZ-2型全自動(dòng)三軸儀，設(shè)置100 kPa、200 kPa、300 kPa三個(gè)不同圍壓，應(yīng)變速率為0.05 mm/min。

1.2.3磷尾礦EPS-聚丙烯纖維復(fù)合改良土試驗(yàn)

基于磷尾礦、EPS最優(yōu)復(fù)合摻量下，聚丙烯纖維按質(zhì)量比分別以0%、0.2%、0.4%、0.6%摻入到磷尾礦-EPS復(fù)合改良土中進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2磷尾礦改良土試驗(yàn)研究

2.1磷尾礦摻量對(duì)無(wú)荷膨脹率的影響

圖1為磷尾礦摻量與無(wú)荷膨脹率的關(guān)系，可以看出，磷尾礦對(duì)膨脹土的膨脹性具有一定的抑制作用，這是由于膨脹土中低價(jià)陽(yáng)離子與磷尾礦中高價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生了置換反應(yīng)，這一過(guò)程會(huì)降低土顆粒表面吸附水作用，使膨脹土顆粒間間距減小，破壞黏土顆粒的親水性礦物結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為宏觀(guān)上膨脹率的減弱。隨著磷尾礦摻量繼續(xù)增加，膨脹土中的低價(jià)陽(yáng)離子不足以與磷尾礦中高價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生離子交換作用時(shí)，無(wú)荷膨脹率會(huì)基本保持穩(wěn)定，由圖可知，磷尾礦為7.5%時(shí)，膨脹率基本達(dá)到最低。

2.2磷尾礦摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，當(dāng)磷尾礦由0%增加到10%時(shí)，膨脹土的抗壓強(qiáng)度隨磷尾礦摻量增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，摻量為7.5%時(shí)，強(qiáng)度峰值最大，說(shuō)明適量磷尾礦能夠提高膨脹土的抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)殡x子交換反應(yīng)形成的團(tuán)聚體和膠凝反應(yīng)生成的水化硅酸鋁及水化硅酸鈣附著在土顆粒表面使土顆粒間摩擦咬合力增大，表現(xiàn)為膨脹土強(qiáng)度的提高，當(dāng)磷尾礦摻量過(guò)高時(shí)，多余的磷尾礦不能充分反應(yīng)而使膨脹土強(qiáng)度下降。結(jié)合圖1分析可確定磷尾礦摻量7.5%為最佳。

3磷尾礦-EPS復(fù)合改良土試驗(yàn)研究

基于磷尾礦摻量為7.5%，按體積比分別摻入0%、5%、15%、20%的EPS顆粒進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1EPS摻量對(duì)無(wú)荷膨脹率的影響

從圖3可以看出，復(fù)合改良土的膨脹性隨EPS顆粒摻量的增加而減小，說(shuō)明EPS顆粒對(duì)復(fù)合改良土的膨脹性有明顯的抑制作用，原因?yàn)椋海?）膨脹土中摻入EPS顆粒后，改良土遇水時(shí)，膨脹土?xí)a(chǎn)生膨脹變形，EPS顆粒隨之被壓縮;改良土失水時(shí)，膨脹土的膨脹變形隨之消失，EPS顆?；謴?fù)形變。由此可見(jiàn)：EPS顆粒的存在，使膨脹土的脹縮變形有一定的空間儲(chǔ)備，表現(xiàn)為宏觀(guān)上膨脹性的降低;（2）根據(jù)能量理論：當(dāng)一定質(zhì)量的物體以一定的速度撞擊柔性體而最終處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由能量守恒定律可知物體的動(dòng)能通過(guò)做功的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝泽w的彈性勢(shì)能，而總的能量守恒。故可認(rèn)為EPS顆粒作為一種柔性材料，通過(guò)變形吸收了大部分膨脹能。

3.2EPS摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知， EPS摻量與復(fù)合改良土的抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，即隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)跍p小，說(shuō)明土體由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，?dāng)摻量增加到15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度減小幅度達(dá)到30.2%，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為138.3 kPa，略小于素土的抗壓強(qiáng)度，故EPS摻量不宜超過(guò)15%。

3.3EPS摻量對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

圖5為不同圍壓下應(yīng)變-應(yīng)變曲線(xiàn)，從圖中可

以看出：（1）EPS摻量為0%時(shí)，不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈應(yīng)變軟化型;EPS摻量不為0%，且圍壓較小時(shí)，不同EPS摻量下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈應(yīng)變軟化型，圍壓較大時(shí)， 則表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，圍壓為200 kPa時(shí)，隨EPS摻量增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化型過(guò)渡，其原因是隨著EPS摻量增加，且圍壓逐漸增大時(shí)，EPS泡沫被壓縮，土體的強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變的增大而繼續(xù)增大，故表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型;（2）隨著EPS摻量增加，不同圍壓下主應(yīng)力差都保持下降的趨勢(shì)，說(shuō)明EPS顆粒會(huì)使復(fù)合改良土抗剪強(qiáng)度下降;（3）結(jié)合圖3、圖4綜合分析，為最大程度減小復(fù)合改良土的密度，同時(shí)兼顧復(fù)合改良土強(qiáng)度損失最小的情況下，確定EPS最佳摻量為15%，故磷尾礦-EPS復(fù)合改良土最佳摻量分別為7.5%和15%。

3.4EPS摻量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

通過(guò)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析見(jiàn)圖6，內(nèi)摩擦角和黏聚力都隨EPS摻量增加而減小，且均近似呈線(xiàn)性關(guān)系，從減小趨勢(shì)上看，黏聚力減小的速率更大，這是因?yàn)殡S著EPS顆粒置換出改良土后，土中黏粒含量下降，且土顆粒與EPS顆粒間的咬合力較微弱，因此，當(dāng)EPS摻量增大時(shí)，復(fù)合改良土黏聚力出現(xiàn)急劇下降。

通過(guò)擬合內(nèi)摩擦角、黏聚力與EPS摻量關(guān)系得到方程為：

式中：φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;x為EPS摻量;d、e、f、g為試驗(yàn)參數(shù)。

式（1）、式（2）各參數(shù)取值見(jiàn)表4，從表中可以看出擬合相關(guān)系數(shù)都在0.97以上，擬合程度較好。[HJ1][HJ1.4mm]

注：x表示EPS摻量

由庫(kù)侖公式

τf=c+σtanφ ??（3）

將式（1）、（2）代入式（3）得：

τf=fx+σtan（-dx+e）+g（4）

對(duì)于磷尾礦為7.5%的改良膨脹土，式中各試驗(yàn)參數(shù)取表4中數(shù)值，可得磷尾礦為7.5%的改良膨脹土在不同EPS摻量下抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。

τf=-3.33x+σtan（-0.426x+29.92）+94.34（5）

[BT（2+1]4磷尾礦EPS-聚丙烯纖維復(fù)合改良土試驗(yàn)研究

基于磷尾礦和EPS復(fù)合摻量分別為7.5%和15%的條件下，分別摻入0%、0.2%、0.4%、0.6%的聚丙烯纖維進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1纖維摻量對(duì)無(wú)荷膨脹率的影響

從圖7可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，復(fù)合改良土無(wú)荷膨脹率呈先減小后增大的趨勢(shì)，說(shuō)明聚丙烯纖維能夠抑制復(fù)合改良土的膨脹性，但這種抑制效果在聚丙烯纖維摻量為0.4%時(shí)最佳;其原因?yàn)椋阂欢康睦w維在復(fù)合改良土中交織分布，形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使土顆粒之間及土顆粒和纖維之間的咬合作用增強(qiáng)，從而表現(xiàn)為宏觀(guān)膨脹性的降低，當(dāng)纖維含量過(guò)高時(shí)，纖維在土中大多會(huì)以亂向分布的形式存在，導(dǎo)致這種咬合作用減弱而出現(xiàn)無(wú)荷膨脹率回升，因此，纖維摻量不宜過(guò)高。

4.2纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖8為聚丙烯纖維摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，由圖可知，當(dāng)聚丙烯纖維摻量從0%增加到0.4%時(shí)，復(fù)合改良土抗壓強(qiáng)度增加了20.1 kPa，所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)黾恿?.29%，峰值后強(qiáng)度下降趨于緩慢，說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)膨脹土抗壓強(qiáng)度影響較小，但能增加復(fù)合改良土的延性，提高其殘余強(qiáng)度。隨著纖維摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度峰值及其對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變均出現(xiàn)了下降，是因?yàn)橐欢康木郾├w維在復(fù)合改良土中交織分布能對(duì)土體的橫向和豎向變形產(chǎn)生約束，增加土體破壞時(shí)的抗拉性能，當(dāng)纖維摻量過(guò)高時(shí)，這種約束效果會(huì)被減弱。結(jié)合圖7可確定聚丙烯纖維最佳摻量為0.4%。

結(jié)合磷尾礦和EPS顆粒最佳復(fù)合摻量可得，磷尾礦EPS-聚丙烯纖維改良土的最佳復(fù)合配比分別為7.5%、15%和0.4%.

5結(jié)論

（1）適量磷尾礦能夠提高膨脹土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)降低膨脹土的膨脹性，摻量7.5%為最佳。

（2）基于磷尾礦7.5%最佳摻量，EPS顆粒能有效降低膨脹土的膨脹性，同時(shí)降低強(qiáng)度和延性;除EPS摻量為0%外，復(fù)合改良土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均隨著圍壓的增加，由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型過(guò)渡，得到EPS顆粒最佳摻量為15%。

（3）隨著EPS顆粒摻量的增加，復(fù)合改良土黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢(shì)，且與摻量近似呈線(xiàn)性關(guān)系，基于庫(kù)侖公式提出了與EPS顆粒摻量有關(guān)的抗剪強(qiáng)度公式。

（4）聚丙烯纖維對(duì)復(fù)合改良土抗壓強(qiáng)度影響較小，對(duì)膨脹性具有抑制作用，同時(shí)能提高其延性和殘余強(qiáng)度，摻量不宜過(guò)高，0.4%為最佳。

（5）通過(guò)上述分析，可得磷尾礦EPS-聚丙烯纖維復(fù)合改良土最佳混合摻量分別為7.5%、15%、0.4%。

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