初始含水率和改良材料摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

楊 俊,童 磊,張國(guó)棟,唐云偉,陳紅萍

(1.三峽大學(xué)三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;3.宜昌市交通運(yùn)輸局,湖北 宜昌 443002; 4.宜昌市公路管理局,湖北 宜昌 443002)

膨脹土在我國(guó)分布范圍較廣,是一種由強(qiáng)親水性礦物——伊利石和蒙脫石組成的高液限黏土,具有超固結(jié)性、多裂隙性和顯著的脹縮特性。由于膨脹土具有劇烈的吸水膨脹、失水收縮的特點(diǎn),其強(qiáng)度變化既有一般黏土的共性又有其特殊性,抗剪強(qiáng)度極易隨含水率的改變而波動(dòng),這些不良特性通常會(huì)造成路基不均勻沉降、建筑物傾斜開(kāi)裂、邊坡垮塌等工程地質(zhì)災(zāi)害。因此,在工程建設(shè)中,遇到膨脹土路基或?qū)⑴蛎浲劣米髀坊盍蠒r(shí),必須對(duì)膨脹土進(jìn)行改良處理,使其滿足路用標(biāo)準(zhǔn)。目前,工程中應(yīng)用最廣的改良方法是在膨脹土中摻入石灰、水泥或粉煤灰等外加劑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采用石灰、水泥或粉煤灰改良膨脹土的抗剪性能做了大量研究,發(fā)現(xiàn)改良后膨脹土的抗剪強(qiáng)度有著不同程度的提高。崔偉等[1]發(fā)現(xiàn)石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度與摻灰量、壓實(shí)度和養(yǎng)護(hù)齡期均呈正相關(guān)?；輹?huì)清等[2]通過(guò)石灰、粉煤灰改良膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):兩者改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的效果不完全一樣,石灰劑量在2%～4%時(shí)改良效果最好,而粉煤灰劑量在20%～30%時(shí)改良效果才比較明顯。李東森等[3]通過(guò)大量試驗(yàn)研究得知:摻入水泥之后,膨脹土的黏聚力及內(nèi)摩擦角均大幅增大,且黏聚力的增大幅度比內(nèi)摩擦角的增大幅度大。但大多數(shù)的研究局限于在最佳含水率下分析改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律,并沒(méi)有深入分析不同初始含水率對(duì)改良膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響[4]。再者,化學(xué)改良方法施工工藝復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)拌和困難,且對(duì)環(huán)境污染較大。針對(duì)這些不足,本文結(jié)合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路改建工程,對(duì)使用風(fēng)化砂、水泥、石灰和粉煤灰改良的膨脹土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較,通過(guò)改變初始含水率,研究不同改良材料、不同初始含水率、不同改良材料摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響,為工程建設(shè)中合理選擇膨脹土改良材料提供參考。

圖1 風(fēng)化砂顆粒級(jí)配曲線

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 膨脹土

試驗(yàn)所用膨脹土取自湖北宜昌小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路改建工程工地。取土深度為地表以下2 m左右,土體形成于第四紀(jì)更新世晚期，顏色為棕黃色及灰白色。土體水平裂隙發(fā)育,裂隙呈閉合狀,中間夾雜青色黏土,土體結(jié)構(gòu)呈片狀。膨脹土的顆粒級(jí)配組成及基本物理性質(zhì)如下:2～0.075 mm粗粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.58%,0.075～0.005 mm中粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.28%,小于0.005 mm細(xì)粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.14%,自由膨脹率為43%,液限為70.53%,塑限為24.09%,塑性指數(shù)為46.44,屬于弱膨脹土。

1.2 膨脹土改良材料

試驗(yàn)所用石灰等級(jí)為Ⅱ級(jí),其中氧化鈣與氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%。水泥為三峽牌普通硅酸鹽水泥,標(biāo)號(hào)為32.5,標(biāo)準(zhǔn)稠度28%,安定性合格。粉煤灰取自宜昌某熱電廠,其中氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%,為F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,級(jí)配良好。試驗(yàn)用風(fēng)化砂亦取自該工地現(xiàn)場(chǎng)，呈土黃色,粒徑較小但強(qiáng)度較高,顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)如下:天然含水率為11.54%,天然密度為1.65 g/cm3,液限為24.86%,塑限為16.16%,塑性指數(shù)為8.7,相對(duì)密度為2.46。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)參考JTGE 40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》和JTGE 51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。試驗(yàn)中風(fēng)化砂的摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%[5-7];石灰、水泥的摻量分別為3%、4%、5%、6%、7%;粉煤灰的摻量分別為10%、12%、14%、16%、18%、20%。按照重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn),確定以上4種改良材料各摻量下的最大干密度。由試驗(yàn)得出,這4種改良膨脹土最大干密度相差不大,集中在1.9 g/cm3左右,故試驗(yàn)中所有試件均按干密度為1.9 g/cm3來(lái)制樣。采用靜壓法制樣,制樣時(shí)控制初始含水率w分別為8%、10%、12%、14%、16%[8-12]。

對(duì)于摻石灰、水泥或粉煤灰的試樣,在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行直剪試驗(yàn);摻風(fēng)化砂的試樣不需要養(yǎng)護(hù)處理,試樣成型后立即進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀,控制剪切速率為0.8 mm/min。

表1 不同初始含水率和不同石灰摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 初始含水率和石灰摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

不同初始含水率以及不同石灰摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角如表1所示。由表1可以看出:①初始含水率和石灰摻量對(duì)膨脹土的內(nèi)摩擦角有顯著的影響。當(dāng)石灰摻量為5%、初始含水率為14%時(shí),改良膨脹土內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值34.33 rad。②在相同初始含水率下,石灰改良膨脹土內(nèi)摩擦角隨石灰摻量的增加先增大后減小,這是因?yàn)槭抑械拟}離子與膨脹土顆粒表面的陽(yáng)離子發(fā)生交換作用,使得土顆粒之間的吸引力增強(qiáng),顆粒間的摩擦效應(yīng)明顯。再者,由于膠結(jié)作用,土體形成了具有較強(qiáng)黏結(jié)作用的膠凝物質(zhì)如氫氧化鈣和強(qiáng)氧化鈣鋁,大幅度提高了顆粒間的黏結(jié)效果,故隨著石灰摻量的增加,改良膨脹土內(nèi)摩擦角迅速增大。當(dāng)石灰摻量繼續(xù)增大時(shí),試件中的石灰含量過(guò)剩,膨脹土含量減小,從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角又有所下降。③在相同石灰摻量下,隨著初始含水率的增加,改良膨脹土內(nèi)摩擦角先增大后緩慢減小,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是石灰對(duì)膨脹土的沙化作用,土中沙粒增多,黏粒減少。隨著初始含水率的增大,石灰與膨脹土顆粒間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更加徹底,形成的沙粒更多,導(dǎo)致內(nèi)摩擦角逐漸增大,但當(dāng)初始含水率過(guò)大時(shí),過(guò)多的自由水在剪切過(guò)程中會(huì)起到一定的潤(rùn)滑作用,從而引起內(nèi)摩擦角降低。

不同初始含水率以及不同石灰摻量下改良膨脹土的黏聚力如表2所示。由表2可以得出:①初始含水率及石灰摻量對(duì)改良膨脹土的黏聚力影響很大。當(dāng)石灰摻量為6%、初始含水率為14%時(shí),黏聚力達(dá)到最大值292.57 kPa。②在相同初始含水率下,隨著石灰摻量的增加,黏聚力先增大后減小,這是因?yàn)閾饺胧液笸馏w發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),生成膠凝物質(zhì),增大了顆粒間的黏結(jié)作用,黏聚力逐漸變大。當(dāng)石灰摻量超過(guò)某一值時(shí),石灰含量相對(duì)過(guò)剩,存在大量的游離石灰,使膨脹土黏粒相對(duì)減少,黏聚力又隨之下降。③在相同石灰摻量下,黏聚力隨著初始含水率的增加先增大后減小,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是石灰和膨脹土通過(guò)水的促進(jìn)作用而發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膠凝物質(zhì),增大了改良土體間的吸附力,當(dāng)含水量超過(guò)某一值時(shí),所加入的水分相對(duì)過(guò)剩,減小了改良土的黏聚力。

表2 不同初始含水率和不同石灰摻量下改良膨脹土的黏聚力

2.2 初始含水率和水泥摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

不同初始含水率及不同水泥摻量對(duì)改良膨脹土內(nèi)摩擦角的影響如表3所示。由表3可以得出:①通過(guò)摻入適當(dāng)比例的水泥以及控制初始含水率可以大幅度提高膨脹土的內(nèi)摩擦角,當(dāng)水泥摻量為7%、初始含水率為14%時(shí),內(nèi)摩擦角達(dá)到最大,為37.83 rad,較原狀土最大內(nèi)摩擦角增大了94%。②在相同初始含水率下,隨著水泥摻量的增加,膨脹土內(nèi)摩擦角逐漸增大，這是因?yàn)樗嗨磻?yīng)形成了一系列的膠凝物質(zhì),促進(jìn)了土顆粒的團(tuán)?；?從而提高了土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度,使得內(nèi)摩擦角逐漸增大。③在相同水泥摻量下,隨著初始含水率的增大,內(nèi)摩擦角先增大后減小,變化幅度總體很小,即摻入水泥對(duì)改良膨脹土內(nèi)摩擦角的提高作用并不顯著。

表3 不同初始含水率和不同水泥摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角

不同初始含水率及不同水泥摻量對(duì)改良膨脹土黏聚力的影響如表4所示。由表4可以看出:①摻入水泥之后,膨脹土黏聚力有了大幅度的增長(zhǎng),當(dāng)水泥摻量為7%、初始含水率為14%時(shí),黏聚力達(dá)到最大值386.55kPa,較原狀土最大黏聚力增大了245%,可見(jiàn)摻水泥對(duì)膨脹土黏聚力的增大效果十分顯著。②在相同初始含水率下,隨著水泥摻量的增加,黏聚力逐漸增大,這是因?yàn)閾饺胨嗪?水泥與膨脹土顆粒相互作用,通過(guò)離子交換作用、絮凝反應(yīng)以及團(tuán)?；磻?yīng),形成了水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣等膠凝物質(zhì),改進(jìn)了土顆粒的吸水性能,使得土體內(nèi)部形成了較為穩(wěn)定的結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度。但當(dāng)水泥摻量超過(guò)5%后,黏聚力的增大速度變緩,繼續(xù)增大水泥摻量對(duì)黏聚力的提高效果不明顯，當(dāng)初始含水率為16%、水泥摻量由6%增長(zhǎng)至7%時(shí),黏聚力反而下降了2.45 kPa。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是水泥摻量過(guò)大,致使水化反應(yīng)需要大量的水,而制樣時(shí)初始含水率是一定的,這就導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)還未完全進(jìn)行,而土體內(nèi)部因含水率過(guò)低產(chǎn)生收縮開(kāi)裂,使得膨脹土整體的黏聚力下降。③在相同水泥摻量下,隨著初始含水率的增大,膨脹土黏聚力快速增大后緩慢減小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是隨著初始含水率的增加,水泥與土的水化作用更加完全,生成的大量膠凝物質(zhì)增大了土體的黏聚力,當(dāng)含水量超過(guò)某一值時(shí),多余的水在分子之間形成水膜,減小了分子間引力從而降低了膨脹土的黏聚力。

表4 不同初始含水率和不同水泥摻量下改良膨脹土的黏聚力

2.3 初始含水率和粉煤灰摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

不同初始含水率以及不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角如表5所示。由表5可以得出:①摻粉煤灰可以提高膨脹土的內(nèi)摩擦角,但是效果不如摻石灰、水泥顯著,最大內(nèi)摩擦角出現(xiàn)在摻粉煤灰20%、初始含水率為14%時(shí),比原狀土的最大內(nèi)摩擦角增大52.43%。②在相同初始含水率下,隨著粉煤灰摻量的增大,內(nèi)摩擦角先增大后快速減小而后又逐漸增大。這是因?yàn)轭愃剖液退啵勖夯遗c膨脹土發(fā)生離子交換、團(tuán)?；饔煤湍z凝作用,產(chǎn)生膠凝顆粒,同時(shí)使得土顆粒周圍的水膜厚度降低,因而內(nèi)摩擦角逐漸增大。粉煤灰與膨脹土顆粒反應(yīng)后生成的水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣含有大量表面光滑的玻璃微珠,當(dāng)摻入過(guò)多粉煤灰時(shí),過(guò)多的玻璃微珠在土顆粒間起到了一定的潤(rùn)滑作用,造成內(nèi)摩擦角快速減小。繼續(xù)增大粉煤灰摻量,化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)大量增加,離子交換作用以及團(tuán)?；饔眯ЧM(jìn)一步增強(qiáng),故導(dǎo)致內(nèi)摩擦角又緩慢增長(zhǎng)。③在相同粉煤灰摻量下,隨著初始含水率的增大,內(nèi)摩擦角先增大后減小,這是因?yàn)槌跏己试龃螅龠M(jìn)了粉煤灰與膨脹土的化學(xué)反應(yīng),生成了膠凝物質(zhì),從而增大了內(nèi)摩擦角,當(dāng)含水率繼續(xù)增大時(shí),過(guò)多游離的水在膨脹土周圍形成水膜,增大了潤(rùn)滑作用,減小了內(nèi)摩擦角。

表5 不同初始含水率和不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角

不同初始含水率以及不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的黏聚力如表6所示。由表6可以得出:①摻入粉煤灰之后,膨脹土黏聚力逐漸增大,但是增長(zhǎng)幅度不明顯。當(dāng)粉煤灰摻量為20%、初始含水率為14%時(shí),黏聚力最大為152.48 kPa,較原狀土的最大黏聚力增長(zhǎng)36.08%。②在相同初始含水率下,隨著粉煤灰摻量的增加,黏聚力逐漸增大,但是增長(zhǎng)速度較慢,這是因?yàn)榉勖夯抑泻}量有限,導(dǎo)致水化反應(yīng)所產(chǎn)生的水化物較少,因而膠結(jié)膨脹土顆粒的能力較弱,土顆粒團(tuán)?；潭炔粔驈氐?因而隨著粉煤灰的摻入,黏聚力增長(zhǎng)速度較慢。③在相同粉煤灰摻量下,隨著初始含水率的增大,黏聚力先增大后減小,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于隨著初始含水率的增大,水化反應(yīng)更加徹底,生成的膠凝產(chǎn)物增多,土粒間的黏結(jié)作用增強(qiáng),故黏聚力逐漸增大。當(dāng)初始含水率進(jìn)一步增大時(shí),土顆粒間自由水增多,使得顆粒間的黏結(jié)作用減弱,剪切時(shí)自由水也起到了一定的潤(rùn)滑作用,因此黏聚力逐漸減小。

表6 不同初始含水率和不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的黏聚力

表7 不同初始含水率和不同風(fēng)化砂摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角

2.4 初始含水率和風(fēng)化砂摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

不同初始含水率以及不同風(fēng)化砂摻量下改良膨脹土的內(nèi)摩擦角如表7所示。由表7可以得出:①摻入風(fēng)化砂之后,膨脹土的內(nèi)摩擦角有明顯的提高,其最大內(nèi)摩擦角出現(xiàn)在風(fēng)化砂摻量為30%、初始含水率為10%時(shí),較原狀土最大內(nèi)摩擦角提高33.72%。②在相同初始含水率下,隨著風(fēng)化砂摻量的增加,膨脹土內(nèi)摩擦角先增大后減小,風(fēng)化砂摻量在10%～20%時(shí),內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)幅度最大,當(dāng)風(fēng)化砂摻量超過(guò)20%后,內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速度變緩,甚至出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是,風(fēng)化砂表面粗糙且具有較多的棱角,風(fēng)化砂顆粒與膨脹土顆粒形成較大的土團(tuán)粒,從而增大了土體整體摩阻力,當(dāng)風(fēng)化砂摻量過(guò)大時(shí),土體黏性降低,顆粒間的黏結(jié)作用減弱,故內(nèi)摩擦角逐漸減小。③在相同風(fēng)化砂摻量下,隨著初始含水率的增大,內(nèi)摩擦角先增加后急劇減小,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看,各摻量下膨脹土內(nèi)摩擦角峰值所對(duì)應(yīng)的初始含水率比各自對(duì)應(yīng)的最佳含水率略小2%左右。當(dāng)初始含水率超過(guò)這一峰值時(shí),內(nèi)摩擦角值急劇下降。這是由于風(fēng)化砂改良膨脹土基本上屬于物理改良,所涉及的化學(xué)反應(yīng)較少,因此化學(xué)反應(yīng)所需的水量不多;當(dāng)初始含水率過(guò)大時(shí),土孔隙間自由水過(guò)多,且無(wú)法通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)消耗,導(dǎo)致土顆粒間的水膜變厚,顆粒間的摩擦作用減弱,因而內(nèi)摩擦角急劇減小。

不同初始含水率以及不同風(fēng)化砂摻量下改良膨脹土的黏聚力如表8所示。由表8可以得出:①摻風(fēng)化砂無(wú)法提高膨脹土的黏聚力。在相同初始含水率下,隨著風(fēng)化砂摻量的增加,黏聚力均大幅降低。這是因?yàn)轱L(fēng)化砂基本上不具有黏性,摻入膨脹土之后,土體整體的黏性急劇下降。再者由于風(fēng)化砂摻量過(guò)大,導(dǎo)致土體內(nèi)部空隙增多,顆粒與顆粒間的擠壓嵌擠作用減弱,最終導(dǎo)致黏聚力急劇衰減。②當(dāng)風(fēng)化砂摻量一定時(shí),可以通過(guò)控制初始含水率來(lái)提高膨脹土的黏聚力。每種摻砂量下,黏聚力峰值所對(duì)應(yīng)的初始含水率接近各自最佳含水率。初始含水率超過(guò)這一界限含水率時(shí),黏聚力快速減小，這是因?yàn)殡S著初始含水率的增加,膨脹土顆粒所表現(xiàn)出來(lái)的黏性增強(qiáng),黏聚力不斷提高,當(dāng)初始含水率超過(guò)一定界限時(shí),土顆粒空隙中的自由水增多,超孔隙水壓力不斷增大,致使顆粒間的黏聚力減弱。同時(shí),由于膨脹土本身具有吸水軟化的性質(zhì),故當(dāng)初始含水率過(guò)大時(shí),土體穩(wěn)定性降低,黏聚力急劇減小。

表8 不同初始含水率和不同風(fēng)化砂摻量下改良膨脹土的黏聚力

3 結(jié) 論

a. 在膨脹土中摻入水泥、石灰和粉煤灰均能有效提高膨脹土的黏聚力,黏聚力提高幅度由大到小依次為水泥、石灰、粉煤灰,摻風(fēng)化砂后會(huì)使原狀膨脹土的黏聚力顯著下降。

b. 在膨脹土中摻入水泥、石灰、粉煤灰和風(fēng)化砂均能提高膨脹土的內(nèi)摩擦角,其中摻水泥提高的幅度最大,其次是風(fēng)化砂,摻石灰和粉煤灰對(duì)內(nèi)摩擦角的提高作用并不十分明顯。

c. 在膨脹土中摻入水泥、石灰、粉煤灰和風(fēng)化砂均能提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度,且在標(biāo)準(zhǔn)直剪試驗(yàn)加載條件下,抗剪強(qiáng)度提高幅度由大到小依次為水泥、石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂。

d. 水泥、石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂均可用于改良膨脹土,但摻石灰、水泥和粉煤灰時(shí),拌和均勻較為困難,且污染環(huán)境。在有條件的情況下,可以考慮摻風(fēng)化砂的改良方法,有利于節(jié)約成本,方便施工。

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