王 歡， 曹義康， 任俊璽， 邱翱博， 楊惠茹

(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院， 開封 475004)

膨脹土在中國分布廣泛，由于具有較典型的吸水膨脹、失水收縮等不良工程特性，對(duì)公路工程等建筑地基的安全性和穩(wěn)定性具有重要影響[1]。實(shí)際工程中遇到膨脹土路基等基礎(chǔ)建設(shè)，必須對(duì)膨脹土路基進(jìn)行處理，避免路基經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的干濕循環(huán)作用，產(chǎn)生不可逆的脹縮變形，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響。由于膨脹土在干濕交替變化的情況下，土體的體積干縮濕脹，進(jìn)而影響其強(qiáng)度，針對(duì)這種現(xiàn)象，近年來中外眾多學(xué)者開展了不同的研究，得到許多可供參考的結(jié)論。Fehime 等[2]和Rao等[3]分別研究了干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的效果，結(jié)果均證明改良膨脹土的膨脹性均有明顯地降低。莊心善等[4]研究了不同摻量的磷尾礦改良膨脹土的力學(xué)特性，結(jié)果顯示改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨磷尾礦摻量的增加而減小。Al-Homoud 等[5]研究了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的影響，結(jié)果表明每次干濕循環(huán)后膨脹土都會(huì)出現(xiàn)疲勞跡象，導(dǎo)致膨脹能力下降。楊和平等[6]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土脹縮變形和強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)果表明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，膨脹土的強(qiáng)度降低，且膨脹土的脹縮變形過程并不完全可逆。

目前，中外學(xué)者針對(duì)膨脹土的改良主要采用物理、化學(xué)、生物等改良方法[7]。物理改良的方法主要有摻加綠砂、風(fēng)化砂、纖維等;化學(xué)改良方法主要有摻加石灰、水泥、粉煤灰等;生物改良方法主要有生物酶、微生物等。由于生物改良具有較大的局限性，因此目前常見的改良方法主要是物理改良和化學(xué)改良。查甫生等[8]對(duì)石灰改良膨脹土的物理力學(xué)特性等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示不同地區(qū)的改良膨脹土的強(qiáng)度等特性有其不同的最佳石灰摻量。Rao等[3]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)石灰改良膨脹土的強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)改良土的液限增加，塑性極限和收縮極限降低。Guney等[9]研究了石灰改良膨脹土在干濕循環(huán)作用下的膨脹性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)受干濕循環(huán)作用的影響，改良膨脹土在一定的壓力作用下發(fā)生崩解。楊和平等[10]探究了干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土和重塑膨脹土的強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)上覆荷載對(duì)于強(qiáng)度的降低有抑制作用。張德恒等[11]進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下秸稈灰渣改良膨脹土的室內(nèi)基本試驗(yàn)，得到秸稈灰渣在膨脹土中的最佳摻量為17%，此時(shí)改良膨脹土的強(qiáng)度和黏聚力均達(dá)到最大值。張?chǎng)蔚萚12]研究了不同含水率下綠砂改良膨脹土的基本物理性質(zhì)，結(jié)果表明綠砂具有較好的改良效果。楊成斌等[13]通過進(jìn)行石灰-粉煤灰改良膨脹土的強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的試驗(yàn)，結(jié)果表明粉煤灰對(duì)膨脹土的強(qiáng)度提高有一定的制約。張玉國等[14]研究了水泥固化重金屬污染膨脹土的基本物理性質(zhì)，研究表明水泥的加入能夠降低膨脹土的干密度和自由膨脹率，提高液塑限。

由于石灰、水泥等化學(xué)材料改良膨脹土周期長(zhǎng)、工序復(fù)雜、對(duì)環(huán)境有較大的污染，因此進(jìn)行物理改良膨脹土的研究變得尤為必要。針對(duì)新鄉(xiāng)地區(qū)膨脹土，凡超文[15]進(jìn)行了黃泛區(qū)粉砂土改良膨脹土的相關(guān)研究，結(jié)果顯示在膨脹土中摻入30%左右的黃泛區(qū)粉砂土，其脹縮性得到明顯改善，且能有效地提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度。但是目前關(guān)于粉砂土改良新鄉(xiāng)地區(qū)膨脹土受干濕循環(huán)作用的影響有待研究。

綜上所述，現(xiàn)采用粉砂土改良膨脹土并研究改良土受干濕循環(huán)的影響。既能達(dá)到保護(hù)環(huán)境，又能夠減少不必要的工程支出。既符合國家倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)又滿足路基的設(shè)計(jì)要求。黃泛區(qū)粉砂土是黃河中下游一種特有的土質(zhì)，粉砂土土質(zhì)松散，不易成型，但是吸水性較好，相較于化學(xué)改良其方法簡(jiǎn)單且無污染。通過室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，控制不同土樣含水率的條件下進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)得土樣的抗剪強(qiáng)度及黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ隨循環(huán)次數(shù)N之間的變化關(guān)系，為膨脹土地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)以及邊坡支護(hù)等提供技術(shù)指標(biāo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

所用儀器為HK-PZ-SL型PPS四聯(lián)直剪儀，如圖1所示，該儀器的剪切位移為6 mm，剪切速率為0.80 mm/min，所設(shè)定的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa，所需土樣尺寸為61.80 mm×12.50 mm。

圖1 HK-PZ-SL型PPS四聯(lián)直剪儀Fig.1 HK-PZ-SL type PPS quadruple straight shear

1.2 試驗(yàn)土樣

1.2.1 膨脹土

所用膨脹土取自南水北調(diào)中線河南新鄉(xiāng)潞王墳段，該地段土層主要由第三系泥灰?guī)r風(fēng)化組成和中更新統(tǒng)殘缺積成因的重粉質(zhì)壤土以及第四系上更新統(tǒng)坡洪積成因的黃土狀重粉質(zhì)壤土[16]。取土深度約為1.50 m，土樣顏色為棕紅色，質(zhì)地堅(jiān)硬呈可塑狀態(tài)，黏性較高。

通過對(duì)所取膨脹土進(jìn)行室內(nèi)基本土工試驗(yàn)，可確定所取膨脹土的各項(xiàng)基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)所取膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

由表1可知，所取膨脹土的自由膨脹率為50.20%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范規(guī)范》(GB 50112—2013)[17]，對(duì)膨脹土進(jìn)行初步判別，可判定該膨脹土樣為弱膨脹土。

1.2.2 粉砂土

所用粉砂土取自黃河北岸河南新鄉(xiāng)的原陽縣，當(dāng)?shù)赜写罅康姆凵巴?，可方便以后施工取材，?jié)省工程經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[18]，通過對(duì)粉砂土進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，得到所取土樣最大干密度為1.82 g/cm3，最佳含水率為12.30%。

對(duì)所取試件分3組進(jìn)行篩分試驗(yàn)，每組均取300 g左右，所取土樣的篩分指標(biāo)如表2所示。

由表2可知，所用樣本土樣的顆粒粒徑主要集中在0.075～2 mm，顆粒含量占顆?？傎|(zhì)量的73.47%。根據(jù)規(guī)范[18]的規(guī)定，0.075～2 mm的砂粒占比在50%～80%的為粉質(zhì)砂土，因此可判定土樣為粉質(zhì)砂土。

表2 粉砂土的篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Screening test data of silt soil

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件制備

所用土樣均取自河南省新鄉(xiāng)市， 以30%的黃泛區(qū)粉砂土摻入弱膨脹土為研究對(duì)象，改良后的膨脹土最大干密度為1.87 g/cm3，最佳含水率為13.10%。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)膨脹土含水率試驗(yàn)可以確定改良膨脹土的干濕循環(huán)幅度為10%～20%。根據(jù)規(guī)范[18]，每個(gè)干濕循環(huán)過程的含水率控制點(diǎn)以2%～3%遞增。因此，采取含水率11%、13%、15%、17%為4個(gè)不同的控制點(diǎn)。每組干濕循環(huán)分別進(jìn)行5次，采用不斷稱重的方法控制土樣含水率。

將膨脹土和粉砂土進(jìn)行篩分試驗(yàn)，碾碎后過2 mm篩，取30%的粉砂土摻入膨脹土并拌和均勻。然后按照設(shè)定的含水率配置土樣，按照最大干密度和相應(yīng)的最佳含水率計(jì)算并稱取一個(gè)環(huán)刀所需質(zhì)量，然后一次性壓實(shí)。試件干燥過程在溫度為40 ℃烘箱中進(jìn)行，干燥過程中，不斷稱量試件質(zhì)量，當(dāng)土樣質(zhì)量下降到預(yù)定含水率計(jì)算質(zhì)量時(shí)，即停止干燥。在室溫下采用滴水噴霧的方法進(jìn)行加濕，潤(rùn)濕時(shí)間為24 h，為防止土樣在泡水過程中造成膨脹開裂，可采用土工布將土樣四周包裹并用橡皮筋加固。每個(gè)循環(huán)過程需要4個(gè)環(huán)刀試件，每組含水率需要24個(gè)，因此總共需要96個(gè)環(huán)刀試件。

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

(1)采取滴水噴霧的方法對(duì)試件進(jìn)行加濕(圖2)，首先取24個(gè)土樣放入滲水盤中，在噴灑加濕的過程中不斷稱重，直到其含水率達(dá)到預(yù)定含水率時(shí)的重量即停止加濕，然后取出4個(gè)土樣，解掉土工布然后用保鮮膜包裹土樣。為了使土樣內(nèi)外含水率一致，將其放入養(yǎng)護(hù)盒中養(yǎng)護(hù)24 h(圖3)，至此試件完成0次循環(huán)。

圖2 噴霧加濕土樣 Fig.2 Spray humidification soil samples

圖3 養(yǎng)護(hù)土樣Fig.3 Conservation soil samples

(2)剩余的20個(gè)土樣繼續(xù)在滲水盤中噴霧加濕，并且不斷稱重，直到其含水率達(dá)到20%時(shí)的重量，然后取出所有的土樣并且解開土工布放入烘箱中進(jìn)行脫水，將溫度控制在40 ℃左右，脫水過程中不斷稱取重量，直到其含水率達(dá)到預(yù)定含水率時(shí)的重量停止脫水，然后取4個(gè)土樣用保鮮膜包裹嚴(yán)實(shí)，放入恒溫箱中養(yǎng)護(hù)24 h，使土樣內(nèi)部和表面的含水率一致。將剩余的16個(gè)土樣在烘箱中繼續(xù)脫水，直到其含水率為10%時(shí)的重量，然后停止脫水，至此試件完成第一次循環(huán)。

(3)對(duì)剩余的16個(gè)土樣重復(fù)第(2)步的試驗(yàn)過程，完成剩余的第2次～5次干濕循環(huán)。

(4)經(jīng)過干濕循環(huán)后對(duì)同一含水率的土樣分別同時(shí)施加100、200、300、400 kPa的垂直荷載，然后以0.8 mm/min的速率進(jìn)行直剪試驗(yàn)，確定土樣在每一級(jí)荷載下的抗剪強(qiáng)度。

對(duì)相同含水率的土樣按要求進(jìn)行5次干濕循環(huán)，按照設(shè)置的4個(gè)含水率控制點(diǎn)，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。以含水率15%為例，5次干濕循環(huán)的控制圖如圖4所示。

圖4 含水率為15%干濕循環(huán)示意圖Fig.4 Water content is 15% dry and wet cycle schematic

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗剪強(qiáng)度和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

改良膨脹土在不同含水率下抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同含水率下抗剪強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Relationship between shear strength and cycle number at different moisture contents

由圖5(a)可以看出：當(dāng)改良膨脹土含水率為11%時(shí)，垂直荷載100 kPa時(shí)0次循環(huán)后抗剪強(qiáng)度為244 kPa，經(jīng)過5次循環(huán)土樣的抗剪強(qiáng)度下降到106 kPa，相比干濕循環(huán)之初下降了67.60%。當(dāng)垂直荷載為200 kPa時(shí)，經(jīng)過5次循環(huán)相比干濕循環(huán)之初下降了53.10%。當(dāng)垂直荷載為300 kPa時(shí)，經(jīng)過5次循環(huán)相比干濕循環(huán)之初下降了52.00%。當(dāng)垂直荷載為400 kPa時(shí)，經(jīng)過5次循環(huán)相比干濕循環(huán)之初下降了43.80%?？梢钥闯觯?dāng)含水率一定時(shí)改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度受干濕循環(huán)次數(shù)的變化而降低，分析認(rèn)為干濕循環(huán)作用會(huì)使土樣體積吸水膨脹，失水收縮，反復(fù)的干濕循環(huán)作用造成土樣表面結(jié)構(gòu)破壞，且由于土樣的膨脹變形并不是完全可恢復(fù)的，因此土樣整體性遭到破壞，導(dǎo)致土樣強(qiáng)度降低，土樣表面裂隙開始發(fā)育、擴(kuò)展并向土樣深度延伸，水更容易地流入土體，導(dǎo)致內(nèi)部黏性土顆粒進(jìn)一步膨脹，從而降低改良土的抗剪強(qiáng)度。

由圖5(b)～圖5(d)可以看出，具有與圖5(a)相似的變化規(guī)律，不同含水率的土樣在受垂直荷載分別為100、200、300、400 kPa時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度在逐漸下降，且隨著含水率的增加土樣的抗剪強(qiáng)度下降特別顯著。以垂直荷載為100 kPa為例，17%含水率相較于11%含水率，經(jīng)過0次循環(huán)后抗剪強(qiáng)度下降了58.2%，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后土樣的抗剪強(qiáng)度下降了41.5%。究其原因，主要是因?yàn)楫?dāng)含水率較高時(shí)，土樣的孔隙變化主要出現(xiàn)在集聚體間孔，當(dāng)含水率較低時(shí)，土樣的孔隙變化主要出現(xiàn)在集聚體內(nèi)。因?yàn)榉凵巴林饕畛湓谂蛎浲恋募垠w間孔，因此在含水率較高時(shí)，土樣集聚體間的孔隙體積隨循環(huán)次數(shù)的增加變化沒有那么顯著，抗剪強(qiáng)度降低比較小，而在含水率較低時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加土樣的孔隙變化主要發(fā)生在集聚體內(nèi)，因此土樣的抗剪強(qiáng)度降低比較多。

3.2 黏聚力、內(nèi)摩擦角和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

改良膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6和圖7所示。

圖6 不同含水率下強(qiáng)度指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between strength index and cycle number at different moisture contents

圖7 不同含水率下黏聚力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between cohesive force and cycle number at different moisture contents

從圖6和圖7可以看出：當(dāng)改良膨脹土的含水率為11%時(shí)內(nèi)摩擦角從26.7°降到19.1°，降幅約28%；黏聚力從210.5 kPa下降到105.4 kPa，降幅為50%。當(dāng)含水率為13%時(shí),內(nèi)摩擦角從24.5°降到20.4°，降幅約17%；黏聚力從118.5 kPa下降到49.5 kPa，降幅為49.93%。當(dāng)含水率為15%時(shí)內(nèi)摩擦角從24.9°降到18.9°，降幅約24%；黏聚力從95.1 kPa下降到32.8 kPa，降幅為65.51%。當(dāng)含水率為17%時(shí),內(nèi)摩擦角從23.4°降到20.1°，降幅約14%；黏聚力從72.3 kPa下降到31.7 kPa，降幅為56.15%。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良膨脹土的黏聚力一直在下降，前3次黏聚力降低較多，第3次之后黏聚力下降較少，內(nèi)摩擦角的變化幅度基本都在10°～30°范圍內(nèi)浮動(dòng)，基本沒有太明顯的變化。

分析其原因可以總結(jié)為以下兩點(diǎn)。

第一，前幾次干濕循環(huán)作用，土體黏聚力下降較快是由于土體內(nèi)基質(zhì)吸力不斷地加載、卸載，在土體結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生不可逆的疲勞損傷累積[19]，而在以后的干濕循環(huán)中黏聚力下降幅度變小的原因是因?yàn)樵谇皫状窝h(huán)后土體的破壞已經(jīng)累積到一定的程度，然后達(dá)到一種新的平衡，其強(qiáng)度不會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而一直降低。

第二，干濕循環(huán)的作用會(huì)引起改良膨脹土中的黏性土顆粒的重新排列和組合，從而引起土體的微觀結(jié)構(gòu)的改變，最終引起改良膨脹土脹縮性的改變[20]。

經(jīng)過干濕循環(huán)的作用，土顆粒之間會(huì)產(chǎn)生范德華力，從而會(huì)使得土顆粒之間連接的更加緊密，使較小的顆粒集聚成較大的集聚體，從而使土體中較大顆粒變多，土體的比表面積減小，顆粒之間的間隙變大，水沿孔隙會(huì)更加容易滲入土體，整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此改良膨脹土的黏聚力減小。改良膨脹土的內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加無較大的變化，可以看出內(nèi)摩擦角基本不受干濕循環(huán)作用的影響，是因?yàn)閮?nèi)部土顆粒周圍存在一層致密的水化膜，含水率的變化只會(huì)改變水化膜的厚度，由于水化膜的存在導(dǎo)致土顆粒之間的摩擦力減小，從而使土體的內(nèi)摩擦角沒有較顯著的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

通過對(duì)粉砂土改良膨脹土進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論。

(1)粉砂土改良膨脹土在不同的含水率時(shí)，黏聚力在前3次干濕循環(huán)作用時(shí)降低較多，此后曲線趨于平緩；內(nèi)摩擦角受干濕循環(huán)作用的影響較小，干濕循環(huán)階段基本無太大的波動(dòng)。

(2)粉砂土改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度和干濕循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，并且抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加，降低值波動(dòng)較小。

(3)粉砂土改良膨脹土能夠明顯改善膨脹土的脹縮性和強(qiáng)度，由于粉砂土的分布較廣泛，并且是綠色資源，所以用粉砂土改良膨脹土在實(shí)際工程應(yīng)用方面不僅綠色環(huán)保，沒有污染，而且節(jié)省工程費(fèi)用，方便取材。