(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

分散性土的重要特征是遇水分散并流失從而導(dǎo)致破壞，會對工程的安全性造成嚴(yán)重威脅，雖然國內(nèi)外學(xué)者在分散性土的相關(guān)工程特性、分散機(jī)理以及改性方面做了大量的工作并取得了一定的成果，但是由于分散性土發(fā)現(xiàn)較晚，工程實(shí)例較少，因而對分散性土的改性以及工程應(yīng)用等研究都不夠深入[1]。

文獻(xiàn)檢索表明，在我國分散性土的分布較為普遍，新疆、寧夏等西北地區(qū)的水利工程、道路工程實(shí)踐中均有遇到[2-6]。眾多工程實(shí)踐已經(jīng)表明，工程事故與分散性土之間存在著必然的聯(lián)系[2]。分散性土對水利工程、道路工程等工程的危害性極大，一旦發(fā)生事故，將會對人類的生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。由于某些工程施工無法避開有分散性土分布的地區(qū)或滿足工程要求的土料場距離施工場地太遠(yuǎn)，因此分散性土改性研究就顯得尤其重要和緊迫。

2 研究內(nèi)容及方法

本研究的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

在陜西楊凌黃土中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%的碳酸鈉，人工配制分散性土。選取粉煤灰為改性材料，分別配制粉煤灰摻量為0、4%、6%、8%、10%共五組土樣，在每種粉煤灰摻量下制備壓實(shí)度為0.88、0.90、0.92、0.94、0.96的五組土樣，每組土樣的含水率均為最優(yōu)含水率。得到各組土樣的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)和壓縮模量等反映土體壓縮性質(zhì)的參數(shù)，并由此研究粉煤灰摻量和壓實(shí)度對于改性分散性土變形特性的影響。

3 研究過程

3.1 配置分散性黃土

本文試驗(yàn)所用的分散性土由陜西楊凌黃土土樣加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%的碳酸鈉改性而成，并將土樣放置數(shù)月以使Na+充分均勻擴(kuò)散，配制人工分散性土的碳酸鈉采用無水碳酸鈉。

在分散性土配制完成后，對配制好的分散性土土樣進(jìn)行針孔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該土樣在針孔試驗(yàn)中在50mm水頭下針孔迅速擴(kuò)大(見圖1)，水流渾濁(見圖2)，可判定為分散性土。

圖1 人工分散性土針孔試驗(yàn)典型照片

3.2 人工分散土針孔試驗(yàn)

對于人工配制的分散性土，選取粉煤灰作為改性材料，分別配制粉煤灰摻量為0、4%、6%、8%、10%共五組土樣，每組土樣3個平行試樣，共15個土樣。在各組樣達(dá)到最優(yōu)含水率狀態(tài)下，對各組土樣采用《分散性土研究》中介紹的針孔試驗(yàn)方法，參照美國材料與試驗(yàn)協(xié)會制定的針孔試驗(yàn)(ASTM D4647—93)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明:粉煤灰摻量為0，在50mm的水頭下針孔迅速擴(kuò)大，10min后水流非常渾濁，可初步判定為分散性土(D2)；粉煤灰摻量為4%，在180mm的水頭下，水流渾濁，可初步判定為過渡性土(ND3)；粉煤灰摻量為6%，在180mm的水頭下，針孔沖蝕速度較慢，水流渾濁情況肉眼可見，在380mm的水頭下，水流較渾濁，可初步判定為過渡性土(ND3)；粉煤灰摻量為8%，在1020mm的水頭下，5min后水流明顯有些顏色，開始變得較渾濁，可初步判定為非分散性土(ND2)；粉煤灰摻量為10%，在1020mm的水頭下，水流依然清澈，試驗(yàn)結(jié)束時的針孔直徑不擴(kuò)大，可初步判定為非分散性土(ND1)，如圖2所示。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，在人工分散性土中加入粉煤灰外加劑后，隨著粉煤灰摻量的增加，人工分散性土的分散性逐漸減小。當(dāng)粉煤灰摻量為4%時，土樣轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡性土；當(dāng)粉煤灰摻量為8%時，土樣轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠稚⑿酝痢?/p>

圖2 針孔試驗(yàn)典型照片

3.3 分散土擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)粉煤灰摻量不同和壓實(shí)度不同對土樣分組進(jìn)行固結(jié)(壓縮)試驗(yàn)，試驗(yàn)參照水利部制定的土工試驗(yàn)規(guī)程(GB/T 50123—1999)進(jìn)行。通過壓縮試驗(yàn)，計算各組土樣的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)和壓縮模量等反映土體壓縮性質(zhì)的參數(shù)，并由此研究粉煤灰摻量和壓實(shí)度對于改性分散性土變形特性的影響。

3.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(見表1)可以看出，不同粉煤灰摻量的土樣最優(yōu)含水率和最大干密度有所不同，但不同土樣之間最優(yōu)含水率和最大干密度的差別比較微小，粉煤灰摻量0和10%的土樣最大干密度相差0.1g/cm3，最優(yōu)含水率相差2.0%。因此在實(shí)際試驗(yàn)中，各土樣的含水率取五種土樣最優(yōu)含水率的平均值19.8%，各土樣含水率相同；各土樣的最大干密度取五種土樣最大干密度的平均值1.66g/cm3，在同一壓實(shí)度下的土樣，各土樣的干密度相同。

表1 不同粉煤灰摻量的土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 不同粉煤灰摻量的改性土壓縮試驗(yàn)

采用粉煤灰摻量為0、4%、6%、8%、10%的土樣，壓實(shí)度分別為0.88、0.90、0.92、0.94、0.96進(jìn)行變形特性研究時，土樣的e-lgp壓縮曲線見圖3～圖7。

圖3 粉煤灰摻量為0的素土壓縮曲線

圖4 煤灰摻量為4%的改性土壓縮曲線

圖5 粉煤灰摻量為6%的改性土壓縮曲線

圖6 粉煤灰摻量為8%的改性土壓縮曲線

圖7 粉煤灰摻量為10%的改性土壓縮曲線

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)壓縮試驗(yàn)結(jié)果，可以計算出各種試驗(yàn)條件下土樣的壓縮系數(shù)和壓縮模量等壓縮性指標(biāo)。由于土的壓縮系數(shù)不是常量，它隨壓力的增加及壓力增量取值的增大而減小，因此本試驗(yàn)采用100kPa和200kPa范圍的壓縮系數(shù)和壓縮模量來衡量土的壓縮性高低。土樣壓縮系數(shù)、壓縮模量與粉煤灰摻量及土樣壓實(shí)度的關(guān)系見表2和表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出：

a.在相同的荷載作用下，同一壓實(shí)度的改性土，隨著粉煤灰摻量的增加，改性土的壓縮系數(shù)逐漸減小，壓縮模量逐漸增大，說明粉煤灰可以降低分散性土的壓縮性。

b.在相同的荷載作用下，同一粉煤灰摻量的改性土，隨著壓實(shí)度的增加，改性土的壓縮系數(shù)逐漸減小，壓縮模量逐漸增大，說明提高土體壓實(shí)度也可以降低分散性土的壓縮性。

c.人工分散性土，在壓實(shí)度0.88～0.96的情況下，土樣的壓縮系數(shù)始終很大，壓縮性始終很高，為高壓縮性土或非常接近高壓縮性土，在工程中會對建筑物造成嚴(yán)重危害，可以看出只有在分散性土中添加外加劑改性才能有效降低其壓縮性。

d.粉煤灰摻量為4%和6%的改性土情況與素土相似，由于粉煤灰外加劑含量較少，對分散性土的改良效果有限，土體壓縮性很高。

表2 壓縮系數(shù)與粉煤灰摻量及壓實(shí)度的關(guān)系

表3 壓縮模量與粉煤灰摻量及壓實(shí)度的關(guān)系

e.粉煤灰摻量為8%的改性土，在壓實(shí)度0.88～0.92的情況下，土體的壓縮性較高，在壓實(shí)度為0.94和0.96時，土體壓縮系數(shù)為0.25和0.24MPa-1，壓縮性有很大幅度的降低。

f.粉煤灰摻量10%的改性土，在壓實(shí)度為0.88時土體壓縮系數(shù)為0.28MPa-1，土體壓縮性很低。隨著壓實(shí)度的提高，改性土的壓縮性持續(xù)降低，變形特性顯著改善，適合應(yīng)用于工程中。

4 結(jié)論與問題

本文以楊凌黃土為原始土樣，采用加入碳酸鈉的方法人工配制分散性土，選取粉煤灰為改性材料，通過壓縮試驗(yàn)方法，研究了粉煤灰摻量對改性土變形特性的影響。研究結(jié)論如下：

a.不加外加劑的人工分散性土的壓縮性很高，應(yīng)用于工程中會對建筑物造成危害，粉煤灰作為外加劑對人工分散性土的分散性有顯著的改良效果，隨著粉煤灰摻量的增加，人工分散性土的分散性逐漸降低。當(dāng)粉煤灰摻量為4%時，分散性土變?yōu)檫^渡性土。當(dāng)粉煤灰摻量為8%時，分散性土變?yōu)榉欠稚⑿酝?，分散性顯著降低，消除了其對工程的危害性。

b.隨著粉煤灰摻量的增加，人工分散性土的壓縮性逐漸降低。同時分散性土的壓縮性也受到土體壓實(shí)度的影響，4%和6%摻量的粉煤灰外加劑雖然可以降低分散性土的壓縮性，但由于粉煤灰較少，壓縮性降低幅度有限，即使土體壓實(shí)度很高，變形特性也很難滿足工程要求。8%摻量的粉煤灰會使分散性土的壓縮性有較大幅度的降低，但同時要保證土體的壓實(shí)度不低于0.94，改性土的壓縮性才容易滿足工程的要求。10%摻量的粉煤灰會使分散性土的壓縮性大大降低，顯著改善分散性土的變形特性，保證土體壓實(shí)度不低于0.90，改性土的壓縮性非常低，變形特性容易滿足工程要求。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，建議分散性土的粉煤灰外加劑摻量不低于8%，并提高土體壓實(shí)度，以保證改性效果。目前粉煤灰已在建筑工程方面廣泛應(yīng)用，未來可以更好地應(yīng)用于改善分散性土的壓縮性