膨脹土摻和橡膠顆粒改良效果評價綜述*

左春陽 周俊 鄧文

1 概述

眾所周知,在土木工程施工過程中常遇到的膨脹土是一種高塑性黏土,具有吸水后膨脹軟化、失水后顯著收縮開裂、反復(fù)脹縮變形以及超固結(jié)、裂隙發(fā)育等特性,性質(zhì)極其不穩(wěn)定。其礦物成分以強(qiáng)親水性次生黏土礦物蒙脫石和伊利石及其混層黏土礦物為主。一般土質(zhì)細(xì)膩、粘性大,呈硬塑狀態(tài),斜交裂縫和光滑面發(fā)育,部分裂隙間被灰白色或綠色黏土充填。膨脹土的這些性質(zhì)造成了許多的巖土工程地質(zhì)災(zāi)害,對工程建設(shè)的危害極大,造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

本次研究從室內(nèi)試驗出發(fā),分別對膨脹土和橡膠顆粒改良膨脹土進(jìn)行了相關(guān)試驗,包括物理性質(zhì)試驗、強(qiáng)度試驗和脹縮特性試驗。物理性質(zhì)試驗研究摻入橡膠顆粒進(jìn)行改良對膨脹土物理性質(zhì)的影響及其程度,為強(qiáng)度和脹縮特性試驗提供試驗參數(shù)依據(jù),同時為實際工程應(yīng)用可行性提供基礎(chǔ)參數(shù);強(qiáng)度試驗是研究橡膠顆粒改良膨脹土的強(qiáng)度,對比膨脹土的強(qiáng)度試驗結(jié)果,得到橡膠顆粒對膨脹土強(qiáng)度的改變,為實際工程中的改良土體的強(qiáng)度研究提供數(shù)據(jù)參考;脹縮試驗是為了對比膨脹土和改良土的脹縮特性指標(biāo),以此分析橡膠顆粒改良膨脹土的合理性,并判斷摻入橡膠顆粒的最佳配比,進(jìn)一步為該方法的合理性提供依據(jù)和參考。

2 土體基本特性的變化

試驗首先取膨脹土土樣進(jìn)行物理性質(zhì)、強(qiáng)度和脹縮特性試驗,獲得基本實驗參數(shù),同時通過試驗獲得橡膠顆粒的級配曲線。由液塑限試驗的試驗結(jié)果可知,與素土相比,橡膠顆粒改良土的液限和塑性指數(shù)的值都增大,可塑狀態(tài)的含水量范圍變大,而其塑限降低。引起土體塑性指數(shù)的變大,可能有幾個方面的原因:土粒越細(xì),比表面積越大,結(jié)合水的含量也就越高,塑性指數(shù)相應(yīng)的會變大;土中的黏土礦物的含量越高,水化作用而增加的結(jié)合水的含量也會使得塑性指數(shù)增大;還有就是水中高價陽離子的含量越低,土粒表面的反離子層也就越厚,結(jié)合水的含量也會增大進(jìn)而增大塑性指數(shù)。

根據(jù)土工試驗規(guī)程,選取不同橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)改良土試樣,在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa等不同的垂直壓力下,進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實驗。

經(jīng)實驗結(jié)果分析可知,膨脹土中摻入橡膠顆粒以后,土體松散,粘聚力降低,抗剪強(qiáng)度降低。而對比橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的土樣,抗剪強(qiáng)度與橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大體成拋物線關(guān)系,而整體差距較小。

從試驗數(shù)據(jù)和試驗中土樣的制作過程可以看出,摻入橡膠顆粒形成改良土后,土粒間粘結(jié)能力減弱,土體顯得松散,粘聚力不強(qiáng);隨著摻入橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,土體變得松散,一定程度上減小內(nèi)摩擦角,而摻入的橡膠顆粒的凹凸和粗糙程度略微大于土粒,當(dāng)摻入橡膠顆粒進(jìn)一步增多時,會增大整個土體內(nèi)顆粒之間的摩擦,從而增大內(nèi)摩擦角。這兩者的共同作用影響著內(nèi)摩擦角φ的大小。

總的來說,改良土的抗剪強(qiáng)度還是小于膨脹土的,這在實際的工程應(yīng)用中還應(yīng)加以考慮。同時在室內(nèi)的直剪試驗中,土體裂隙、結(jié)構(gòu)面的忽略對于試驗的結(jié)果還是有一定影響的[1],這也需要在實際工程應(yīng)用中進(jìn)一步的研究。

3 膨脹土漲縮特性的改良效果

改良土脹縮特性的研究是判斷橡膠顆粒對于膨脹土改良的合理性及效果的有效標(biāo)準(zhǔn)。試驗按照土工試驗規(guī)程,對比了素土與不同橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)改良土的無荷膨脹率和收縮特性指標(biāo),含水率為21%的素土與橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同改良土的50 kPa有荷膨脹率,以及含水率為25%的素土與橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的改良土的膨脹力。通過對比來比較分析橡膠顆粒對于膨脹土的脹縮特性的改良,并推斷出其最佳配比。

無荷膨脹率和收縮試驗表明,摻入橡膠顆粒后,改良土的線膨脹率大大降低,體縮率、收縮系數(shù)和縮限等收縮指標(biāo)也有了一定程度的降低。在此認(rèn)為摻加橡膠顆粒后,一定程度上影響了黏土礦物成分和膠粒物質(zhì)與水的結(jié)合緊密程度,使得其失水更容易,從而得到更小的縮限,并且得到更小的收縮變形。

膨脹土素土與改良土的50 kPa有荷膨脹率試驗也說明了相似的結(jié)果。含水率為21%時,膨脹土的50 kPa有荷膨脹率很高,摻入橡膠顆粒形成改良土后的50 kPa有荷膨脹率大幅降低;含水率為25%時,膨脹土的50 kPa有荷膨脹率也較大,改良土的有荷膨脹率同樣有明顯改善。50 kPa有荷膨脹率的降幅都較大,可見摻入橡膠顆粒后,對于膨脹土的膨脹性的改良效果明顯。

對比相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同含水量的改良土的有荷膨脹率,含水率25%的改良土的線膨脹率均小于含水率21%的膨脹土。這說明,總體上起始含水率越低膨脹潛勢越大的規(guī)律對于橡膠顆粒改良土還是適用的。

對比相同含水率、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改良土的50 kPa有荷膨脹率值可知,摻加的橡膠顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,膨脹率減小的值不一樣。含水率為21%時,隨著橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小;而對于含水率為25%的改良土,線膨脹率隨著橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小的速度慢一些。摻加橡膠顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,對膨脹土的改良效果也不同。

膨脹土的膨脹力是對膨脹土的膨脹特性的另一個指標(biāo),試驗對比了含水率為25%的素土和摻加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)橡膠顆粒的改良土的膨脹力。摻加橡膠顆粒后,土樣內(nèi)的蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物的含量會降低,同時由于橡膠顆粒對土顆粒的包圍作用,阻礙了土顆粒與水的接觸,從而減小了膨脹土的膨脹性。對于其他機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。結(jié)合上述試驗的試驗結(jié)果,可知橡膠顆粒對于膨脹土的改良效果明顯。

4 結(jié)語

通過對比膨脹土與摻加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的橡膠顆粒的改良土的物理性質(zhì)指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和脹縮特性指標(biāo),可以得出以下結(jié)論:

1)膨脹土中摻入橡膠顆粒后,土體的最優(yōu)含水率不變,最大干密度減小;橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時,改良土的液限和塑性指數(shù)的值隨之變化。橡膠顆粒對于土的塑性指數(shù)有著一定的影響,這也是影響膨脹土膨脹性的一部分原因。2)摻入橡膠顆粒后,土體變得松散,粘聚力降低;而橡膠顆粒的摩擦性以及土體松散共同影響著內(nèi)摩擦角的大小,隨著摻入橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增大后降低。但是改良土的抗剪強(qiáng)度低于素土的抗剪強(qiáng)度,這在實際的工程應(yīng)用中應(yīng)加以考慮。3)改良土中的蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物含量較素土低,同時由于橡膠顆粒對于土顆粒的包圍作用,阻礙了其余水分的反應(yīng),使得改良土的脹縮特性指標(biāo)較素土都有不同程度的降低。而綜合考慮各項試驗指標(biāo),可以得到膨脹土的改良效果是十分顯著的。

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