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(1. 安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽廣播電視大學(xué) 開(kāi)放教育學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

膨脹土具有明顯的吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，導(dǎo)致其在工程中可能會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[1～4]，沉降幅度大等危害，會(huì)直接導(dǎo)致路基更容易發(fā)生坍塌、滑坡和變形等危害，給公路建設(shè)和人身安全造成極大破壞，給社會(huì)帶來(lái)極大損失。

試驗(yàn)通過(guò)控制變量的方式，在其他條件一致的情況下，研究膨脹土在不同水泥摻量時(shí)抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，進(jìn)而通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析膨脹土達(dá)到最佳抗剪強(qiáng)度時(shí)水泥的摻量。膨脹土的抗剪強(qiáng)度的影響因素一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者熱衷于研究的課題，在試驗(yàn)之前，已經(jīng)有大量的學(xué)者對(duì)該課題進(jìn)行了不同類型、不同角度的研究，給試驗(yàn)提供了充足的理論依據(jù)和研究支撐。A.W.Bishop[5]在研究膨脹土的抗剪強(qiáng)度時(shí)提出，在影響膨脹土抗剪強(qiáng)度各因素中，水泥摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響最大，且梁勇[6]以湖北省宜昌市某一級(jí)公路改建工程為研究對(duì)象，對(duì)不同石灰摻量的膨脹土進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得出水泥摻量的增加能提高膨脹土抗剪強(qiáng)度，并能提高膨脹土的內(nèi)摩擦角、粘聚力的結(jié)論。韓晶[7]等在研究膨脹土的試驗(yàn)中分析到，水泥對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響程度并不是一直不變的，隨著水泥摻量的增大，膨脹土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角以及粘聚力的增長(zhǎng)趨勢(shì)各有各自的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

膨脹土取自合肥市區(qū)，呈現(xiàn)黃褐色半堅(jiān)硬狀態(tài)，主要成為親水性礦物質(zhì)，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，采樣膨脹土的基本性質(zhì)如表1。水泥為礦渣硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為GB175-2007。為使試驗(yàn)達(dá)到研究目的，設(shè)置5組不同摻灰比，含水率同為16.5%的試樣。分別為：作為對(duì)比的不摻灰的1號(hào)膨脹土試樣；摻灰比為1%的2號(hào)試樣；摻灰比為2%的3號(hào)試樣；摻灰比為3%的4號(hào)試樣；摻灰比為4%的5號(hào)試樣。

表1 膨脹土的基本性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)第一階段需要把原狀膨脹土放在磨礦功指數(shù)球磨機(jī)里進(jìn)行攪拌打碎，磨礦功指數(shù)球磨機(jī)如圖1所示。將試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)需要用到的是全自動(dòng)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀，全自動(dòng)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀如圖2所示。

圖1 磨礦功指數(shù)球磨機(jī)

圖2 全自動(dòng)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)城規(guī)》(JTG E40-2007)和《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料試驗(yàn)城規(guī)》(JTG E51-2009)進(jìn)行，試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)處理參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT501231999)。

實(shí)驗(yàn)首先將取自合肥市區(qū)的原狀膨脹土自然晾曬達(dá)到一定的干度，利用磨礦功指數(shù)球磨機(jī)攪拌1h，取出碎土用0.3mm的篩子進(jìn)行篩分，將篩分后的膨脹土細(xì)粒放烘干箱里烘干12h。取出土樣冷卻后，按照實(shí)驗(yàn)要求配制需要的五組不同水泥摻量的膨脹土試樣。配制方法為：設(shè)計(jì)含水率為16.5%，按照相關(guān)規(guī)定，預(yù)留3%的水，量取13.5%質(zhì)量的水放入膨脹土中進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后分別放入的0%—4%質(zhì)量的水泥，再次攪拌均勻后，將預(yù)留的3%質(zhì)量的水倒入混合料中，再次攪拌均勻后利用千斤頂進(jìn)行壓樣，環(huán)刀體積為60cm3。實(shí)驗(yàn)需要將每種石灰摻量的膨脹土分別在豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以研究膨脹土在不同豎向正應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度，以及需要一個(gè)用以測(cè)飽和含水率的試樣，即每一石灰摻量的膨脹土需要5個(gè)試樣，重復(fù)上述步驟，分別完成余下4個(gè)試樣。試驗(yàn)完成后用保鮮膜密封，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7d，養(yǎng)生期間養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)溫度保持22℃，相對(duì)濕度95%。養(yǎng)護(hù)完成后取出其中一個(gè)試樣飽和12h測(cè)出其飽和含水率及相關(guān)數(shù)據(jù)，其他4個(gè)試樣數(shù)據(jù)近似等于該試樣。其余4個(gè)試樣飽和8h后放入剪切試驗(yàn)儀中分別在豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa條件下進(jìn)行直剪，6h后記錄數(shù)據(jù)并整理結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)20組試樣進(jìn)行相應(yīng)的直剪試驗(yàn)后，將各組試樣的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行整理，根據(jù)公式τf=σ·tanφ+c計(jì)算相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。

4.1 水泥摻量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，繪制如圖3的水泥摻量-內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。表中橫坐標(biāo)為水泥摻量，縱坐標(biāo)為內(nèi)摩擦角。

圖3 水泥摻量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

圖4 粘聚力與水泥摻量關(guān)系曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：膨脹土試樣在不摻水泥時(shí)，內(nèi)摩擦角為22°，在摻入1%質(zhì)量的水泥后，內(nèi)摩擦角增加到了25°，說(shuō)明水泥摻量能夠明顯提高膨脹土的內(nèi)摩擦角。隨著水泥摻量的增加，膨脹土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)水泥摻量由1%增加到2%時(shí)，內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)幅度最大，之后展現(xiàn)為平穩(wěn)增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。

4.2 水泥摻量對(duì)粘聚力的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，繪制如圖4的水泥摻量-粘聚力的關(guān)系曲線。表中橫坐標(biāo)為水泥摻量，縱坐標(biāo)為粘聚力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：摻水泥能夠增大膨脹土的粘聚力，且隨著水泥摻量的增加，膨脹土的粘聚力也隨之逐漸增加。具體表現(xiàn)為，當(dāng)摻入1%質(zhì)量的水泥時(shí)，膨脹土的內(nèi)摩擦角為64kPa，作為對(duì)比項(xiàng)的不摻水泥膨脹土的粘聚力僅為60kPa，說(shuō)明水泥摻量能夠增加膨脹土的粘聚力；隨著水泥摻量的增加，膨脹土的粘聚力呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4.3 水泥摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，繪制如圖5的水泥摻量-抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線。表中橫坐標(biāo)為水泥摻量，縱坐標(biāo)為抗剪強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同正壓力下，水泥摻量越大，膨脹土的抗剪強(qiáng)度越大，水泥摻量由3%增加到4%時(shí)，膨脹土的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；在相同水泥摻量下，隨著正應(yīng)力的增大，膨脹土的抗剪強(qiáng)度也越大，正應(yīng)力由300kPa增加到400kPa時(shí)，膨脹土的抗剪強(qiáng)度大幅度增加。

5 結(jié) 論

(1)膨脹土的抗剪強(qiáng)度和水泥摻量具有極大的關(guān)系。具體表現(xiàn)為：隨著水泥摻量的增加，膨脹土的抗剪強(qiáng)度能夠得到極大地增強(qiáng)，在一定范圍內(nèi)，水泥摻量和膨脹土的抗剪強(qiáng)度成正比。

(2)水泥摻量對(duì)膨脹土的內(nèi)摩擦角也具有明顯的影響。當(dāng)水泥摻量逐漸增加時(shí)，膨脹土的內(nèi)摩擦角在第一階段快速增加，之后逐漸變緩，直至趨于穩(wěn)定不再變化。

(3)水泥摻量的增加會(huì)增大膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，但增加趨勢(shì)兩者相反，隨著水泥摻量的增加，粘聚力的增大趨勢(shì)為先慢后快，當(dāng)水泥摻量從3%增加到4%時(shí)，粘聚力增長(zhǎng)幅度最大。