柴林春

(國(guó)能青海黃河瑪爾擋水電開發(fā)有限公司,青海 瑪沁 814099)

近年來，隨著云南在建項(xiàng)目的擴(kuò)增，以紅黏土作為填筑材料的工程也隨之增多，同時(shí)，紅黏土作為一種黏性土，具有高強(qiáng)度、低壓縮性的良好力學(xué)性能，反之也對(duì)應(yīng)著高孔隙比、高塑性、高天然含水率等不良物理性能[1]。一般工程應(yīng)用中主要是基于純砂或純黏土的試驗(yàn)結(jié)果，但純砂或純黏土在一定程度上不能完全滿足路基工程對(duì)填料的要求，進(jìn)而需對(duì)工程性質(zhì)進(jìn)行人工改善。目前，這種人工改善工程性質(zhì)主要表現(xiàn)在將不同混合土壤類型進(jìn)行組合并深入研究從而得到一定的力學(xué)特性，Nagaraj[2]通過砂土、膨潤(rùn)土、高嶺土和兩種天然土壤的黏土-砂混合物進(jìn)行了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論黏土類型如何，在含砂量為40%～60%時(shí)，混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。Shafiee et al.[3]對(duì)壓實(shí)砂黏土混合物進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨含砂量的增加而增大。Vallejo et al.[4]通過對(duì)不同黏土含量的高嶺石黏土-砂復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度和孔隙率進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度會(huì)受黏土含量多少控制，當(dāng)含黏土量低于25%時(shí)會(huì)由砂粒控制，而含黏土量高于60%時(shí)由黏土控制。吳麗君等[5]通過分析非飽和粉質(zhì)黏土水-土特征曲線變化規(guī)律以及非飽和土固結(jié)變形機(jī)理，最終得出非飽和土的最終沉降量?jī)H與土骨架的壓縮模量有關(guān)，張國(guó)棟等[6]對(duì)不同初始含水率下紅黏土的脹縮和崩解做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)膨脹總率與含水率成分段函數(shù)關(guān)系，含水率越低其崩解時(shí)間越早且速度越快，崩解裂隙度隨浸水時(shí)間具有快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)、趨于穩(wěn)定的規(guī)律。除此之外，低含水率下較分散的凝聚體單元和較高含量的微孔隙是導(dǎo)致宏觀結(jié)構(gòu)破裂的主要原因，孔隙分形維數(shù)與含水率成二次函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)學(xué)者也有過這方面的研究，談云志等[7]選取壓實(shí)紅黏土為研究對(duì)象，對(duì)4種初始干密度的試樣經(jīng)風(fēng)干后進(jìn)行自由收縮試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)大孔隙體積峰值半徑隨著含水率的降低而減小，小孔徑的孔隙體積則增多；石崇喜等[8]在紅黏土中摻加不同比例的砂土后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直剪強(qiáng)度等對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)摻入不同比例的砂會(huì)改變其基本物理性質(zhì)，如降低其液塑限、最優(yōu)含水率等，同時(shí)還會(huì)因摻入不同比例的砂不同程度地降低其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及直剪強(qiáng)度，也會(huì)因最佳含水量的降低增大其干密度。

然而，關(guān)于初始含水量對(duì)土壤壓縮特性的影響[9-11]還缺乏資料。本次研究基于室內(nèi)最常用的側(cè)限壓縮試驗(yàn)(也稱壓縮固結(jié)試驗(yàn))來測(cè)定土得壓縮特性，此次研究對(duì)不同初始含水量的重塑親-斥水復(fù)合土(親-斥水復(fù)合土即親水紅黏土、斥水紅黏土、親水紅黏土摻入30%親水砂土以及斥水紅黏土摻入30%斥水砂土)進(jìn)行了側(cè)限壓縮試驗(yàn)。此外，這種親-斥水復(fù)合土的力學(xué)行為也比較模糊，故只有深刻認(rèn)識(shí)這種復(fù)合土的基本力學(xué)特性才能更深層次地掌握親-斥水復(fù)合土隨含水率的變形規(guī)律。本次試驗(yàn)的目的是量化這些變量對(duì)親-斥水復(fù)合土壓縮曲線特征的影響，并檢驗(yàn)土的類型以及壓縮特性的差異。從長(zhǎng)期來看，這些數(shù)據(jù)有望為一些在紅黏土地區(qū)修建的高填方和路基工程評(píng)估土壤類型的壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方案

1.1 材料制備

本次研究以紅黏土和砂土為基本材料并通過這兩種材料重塑此次試驗(yàn)所需樣品親水-斥水復(fù)合土。親水-斥水復(fù)合土包括親水紅黏土(Q0)、親水紅黏土摻入30%親水砂土(Q1)、斥水紅黏土(C0)以及斥水紅黏土摻入30%斥水砂土(C1)，斥水紅黏土中加入了1%的十八胺；斥水砂中加入了0.03%～0.04%的十八胺；紅黏土是取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山；砂土是取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)室。所有樣品均于實(shí)驗(yàn)室中風(fēng)干并過2mm的篩子，制樣完成后將樣品放于試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定[12]。

1.2 試驗(yàn)方案

將重塑土樣編號(hào)為Q0(親水紅黏土)、Q1(親水紅黏土摻入30%親水砂土)、C0(斥水紅黏土)以及C1(斥水紅黏土摻入30%斥水砂土)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)主要研究了Q0在含水率為18.19%、27.13%、27.98%、31.06%下對(duì)壓縮變形的影響；Q1在含水率為13.96%、23.77%、24.82%、29.75%下對(duì)壓縮變形的影響；C0在含水率為16.89%、22.12%、23.85%、25.70%下對(duì)壓縮變形的影響；C1在含水率為19.41%、19.64%、24.14%、29.85%下對(duì)壓縮變形的影響。通過室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)對(duì)四種類型重塑土的抗壓性能和變形特性進(jìn)行討論與研究。對(duì)重塑土樣進(jìn)行分級(jí)加壓，壓力分別為25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、800kPa，每級(jí)荷載加載時(shí)長(zhǎng)為12h,并記錄試樣的變形量直至試樣變形穩(wěn)定。在試驗(yàn)過程中用很輕薄的一層保鮮膜輕輕包裹試樣防止水分的蒸發(fā)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2 基本物理指標(biāo)的測(cè)定

通過擊實(shí)試驗(yàn)獲取重塑親-斥水復(fù)合土的擊實(shí)曲線，見圖1。根據(jù)親-斥水復(fù)合土的塑限預(yù)估其最優(yōu)含水率，然后選取至少5個(gè)含水率的親-斥水復(fù)合土樣，其中大于塑限的取2個(gè)，小于塑限的取2個(gè)，接近塑限的取1個(gè)，然后根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)完成擊實(shí)試驗(yàn)。重塑土的基本物理參數(shù)見表1。

圖1 親-斥水復(fù)合土擊實(shí)曲線

表1 重塑土的基本物理參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓縮變形量與試樣含水率的關(guān)系

圖2為各級(jí)壓力下的變形量與試樣高度的關(guān)系，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在較低壓力下，不同含水率試樣的變形量隨試樣含水率的增大而逐漸線性增加，而在相對(duì)較大壓力下，試樣的變形量隨含水率的增大呈非線性增加，在壓力p=400kPa時(shí)，圖2(a)和圖2(b)分別對(duì)應(yīng)試樣Q0和試樣Q1,它們的主要區(qū)別在于加了砂土和沒加砂土，圖中反映出的比較明顯的一點(diǎn)是在含水率相差不大的情況下Q0的變形量為0.535mm,而Q1的變形量為1.460mm,這就意味著加了砂土的試樣變形量明顯大于沒加砂土的變形量。同理，圖2(c)和圖2(d)在含水率為29.75%和29.85%大致一樣情況下，加了砂土的試樣變形量明顯大于沒加砂土的變形量。除此之外，同樣在壓力p=400kPa時(shí)，圖2(a)和圖2(c)也在含水率為31%和32%兩者相差不大的情況下Q0的變形量為0.535mm,而試樣C0的變形量為0.990mm，而它們的區(qū)別在于紅黏土是否加了斥水劑十八胺，Q0是沒加斥水劑的土壤樣品，Q1是加了斥水劑的土壤樣品。

由圖2可知，在紅黏土中摻一定比例的砂土在一定程度上削弱了紅黏土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，致使Q1和C1的變形量遠(yuǎn)小于未曾摻過砂土的土樣Q0和C0。而Q0、Q1、C0和C1中,后兩種是加了斥水劑的土壤樣品，加了斥水劑的樣品變形量的變化并不明顯，但加入斥水劑后對(duì)土壤樣品的基本物理特性有一定的影響，見圖1和表1，C0較Q0干密度由1.40g/cm3降為1.34g/cm3，Q1較C1干密度由1.51g/cm3降為1.44g/cm3。

3.2 空隙變化規(guī)律

試樣初始孔隙比：

式中：e0為試驗(yàn)初始孔隙比；ω0為試樣含水率；Gs為比重；ρ0為試樣的初始密度(g/cm3)。

各級(jí)壓力下試樣固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比：

式中：ei為各級(jí)壓力下試樣穩(wěn)定后的孔隙比；e0為試樣的初始孔隙比；h0為試樣的初始高度(20mm)；Δhi為某級(jí)壓力下試樣穩(wěn)定后的高度，mm。

圖3主要描述了不同軸向壓力下含水率與孔隙比的關(guān)系。圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)的區(qū)別主要在于圖3(a)和圖3(c)是沒加砂土的試樣，而圖3(b)和圖3(d)是加了30%砂土的試樣。從圖中明顯可以看出沒加砂土的孔隙比要大于加了砂土的孔隙比，因?yàn)轲ね恋目障兑笥谏巴恋目障?。?dāng)壓力增加至200kPa時(shí)，孔隙比隨壓力的增加而變得較為平緩。另外，不論是加了砂土的試樣還是沒加砂土的試樣它們的孔隙比與含水率是正相關(guān)的。由此來看，不管是孔隙比還是壓縮量，它們的變化與含水率之間存在著一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖3 不同含水率下不同試樣e-p曲線

3.3 垂直壓力下改性土壤的壓縮指標(biāo)

從表1、圖1中不難發(fā)現(xiàn)，加了斥水劑十八胺的土壤樣品C0和C1的比重、最優(yōu)含水率均有所下降，但下降程度并不明顯。除此之外，加了30%砂土的土壤樣品Q1和C1液塑限明顯有所降低，由此可見，摻砂土一定程度上會(huì)改變紅黏土的含水特性及其可塑性。與素土Q0相比，摻了30%砂土的復(fù)合土Q1液限降低至45.6%，塑限降低至28.7%，塑性指數(shù)降低至16.9%，這說明紅黏土摻了一定比例的砂土后，其含水能力會(huì)顯著降低，對(duì)可塑性會(huì)有一定的影響，即可塑能力明顯減弱。

4 結(jié) 論

在本研究中，采用云南當(dāng)?shù)丶t黏土及砂土將其重塑成四種土樣，研究了含水率對(duì)重塑土樣的影響，在研究過程中發(fā)現(xiàn)：

a.在相同壓力下重塑土樣會(huì)隨含水量的變化而變化，當(dāng)含水率變大時(shí)重塑土樣的初始變形較明顯。

b.當(dāng)重塑土樣的含水率接近最優(yōu)含水率時(shí)，重塑土樣的初始?jí)嚎s變形量和最終壓縮變性量的變化程度會(huì)有所減小，這就意味著重塑土樣的含水量越接近最優(yōu)含水率其越容易被壓實(shí)。

c.另外加了砂土的土壤樣品其物理特性也會(huì)發(fā)生改變，即含水能力下降，可塑性降低。

d.摻了斥水劑十八胺的土壤樣品不會(huì)對(duì)側(cè)限壓縮產(chǎn)生影響，但會(huì)影響其含水能力，改變了紅黏土的最佳擊實(shí)特性，摻斥水劑十八胺后，紅黏土的最優(yōu)含水率會(huì)降低。