干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土變形和強度試驗

王建磊，王艷巧，楊廣棟，張揚帆，姜宏雨

(1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

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干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土變形和強度試驗

王建磊1，王艷巧2，楊廣棟2，張揚帆2，姜宏雨2

(1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

為了探究干濕循環(huán)作用對水泥改性膨脹土力學性質(zhì)的影響，以合肥地鐵1號線太湖路車站基坑膨脹土為試驗對象，進行了不同水泥摻入比和不同養(yǎng)護齡期的水泥改性膨脹土直剪試驗，確定了最佳水泥摻入比以及最佳養(yǎng)護齡期.在此基礎上，進行了干濕循環(huán)條件下膨脹土和水泥改性膨脹土的脹縮變形試驗和直剪試驗.試驗結果表明：膨脹土的脹縮變形過程并不完全可逆，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，抗剪強度逐漸減小，絕對脹縮率逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定；水泥改性后的膨脹土抗剪強度明顯提高，水穩(wěn)性顯著提升，脹縮性明顯減弱；經(jīng)水泥改性后，膨脹土受干濕循環(huán)作用的影響顯著減小.

干濕循環(huán)；膨脹土；水泥改性；變形；強度

0　引言

膨脹土是一種主要由強親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成的，具有膨脹結構以及多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性黏土[1-2].膨脹土吸水膨脹，失水收縮，在自然條件下極易發(fā)生反復干縮濕脹，在含水率較低時具有很高的強度，表現(xiàn)為質(zhì)地堅硬，然而一旦遇水濕化即發(fā)生膨脹變形，且強度急劇下降[3-4].因此，膨脹土地基上的建筑物受到干濕循環(huán)作用而遭到破壞的工程事例屢見不鮮.

由于膨脹土的工程性質(zhì)較差，在工程實際中，通常采用水泥、石灰等方式對膨脹土進行化學改性.其中，水泥改性膨脹土具有改性效果明顯，水穩(wěn)性好，污染小等優(yōu)點[5-7]，已被廣泛運用到實際工程中.目前，國內(nèi)學者已對水泥改性膨脹土做了一系列研究，李紅爐等[8]對水泥改性膨脹土的干密度及自由膨脹率進行室內(nèi)研究，結果表明，水泥改性膨脹土隨著拌和后放置時間的增長，壓實干密度先減小后增大，同時土體的自由膨脹率前期快速減小，7 d后逐漸趨于穩(wěn)定.劉志彬等[9]對水泥改性膨脹土內(nèi)微觀孔隙進行了定量研究，發(fā)現(xiàn)改性膨脹土中存在較多窄縫狀孔隙，同時水泥的摻入使得膨脹土內(nèi)的微孔體積顯著減小.黃斌等[10]對南陽段膨脹土進行了水泥改性試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)隨水泥摻量的增加，膨脹土脹縮特性降低，但摻量達一定程度后，水泥摻量的增加對脹縮特性的抑制效果并不明顯.趙春吉等[11]對水泥改性強膨脹土進行理化試驗研究，從微觀角度分析了水泥改性膨脹土的機理.然而，對于水泥改性膨脹土在反復干濕循環(huán)過程中的變形以及強度變化特征的研究鮮有報道.因此，有必要研究干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土的變形和強度變化規(guī)律.

筆者以合肥地鐵1號線太湖路車站建設工程中的膨脹土為試驗對象，進行干濕循環(huán)條件下素膨脹土和改性膨脹土的變形和強度試驗，從而得出干濕循環(huán)作用對水泥改性膨脹土變形與強度的影響以及水泥改性對抑制膨脹土干濕循環(huán)作用的效果，為膨脹土地區(qū)水泥改性的設計與施工提供科學合理的依據(jù).

1　試樣材料及制樣方法

1.1膨脹土及水泥基本物理特性

試驗用土取自合肥地鐵1號線太湖路車站，埋深14 m，顏色為淡黃色，其基本物理性質(zhì)指標見表1.

1.2試樣制備

根據(jù)土工試驗規(guī)范[12]，將從現(xiàn)場取回來的土料進行翻曬風干，過2 mm篩.為了使水泥與土樣拌合均勻，將試驗所用的水泥過0.5 mm篩.按照試驗設定含水率(水與烘干素土的質(zhì)量比)22.5%和不同水泥摻入比(水泥與烘干素土的質(zhì)量比)，稱取試樣所需土樣和水泥量，將水泥均勻拌入到土中，然后均勻加入蒸餾水攪拌，使水泥改性土樣含水率達到控制含水率.將配好含水率的改性土樣放入密閉塑料袋內(nèi)，24 h后取出土樣.土樣采用液壓千斤頂一次壓實成環(huán)刀樣，試樣高度20 mm，直徑61.8 mm，試樣初始干密度為1.60 g/cm3.

表1　土樣基本物理特性Tab.1　The basic physical properties of soil samples

2　試驗方案

2.1最佳水泥摻量確定

將水泥改性膨脹土(水泥摻入比為3%、4%，5%，6%，7%，8%，9%)環(huán)刀樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護室內(nèi)(溫度(20±3)℃，相對濕度90%以上)養(yǎng)護28 d，再將養(yǎng)護后的試樣放入單聯(lián)直剪儀內(nèi)，在豎向荷載為200 kPa下進行快剪試驗，得出試樣的抗剪強度，試驗結果如圖1所示.由圖1可知，隨著水泥摻量的增加，水泥改性膨脹土的強度不斷增加，當水泥摻量小于5%時，隨著水泥摻量的增加，水泥改性膨脹土的抗剪強度增加較快；當水泥摻量大于5%時，水泥改性膨脹土抗剪強度增加較為緩慢，同時當水泥摻量大于7%時，水泥改性土的強度增加并不明顯，因此對于該試驗的膨脹土，水泥改性的最佳水泥摻量約為5%.在實際施工時，考慮到拌和工藝、造價及現(xiàn)場施工等因素，還需進行校核試驗，以綜合確定施工用的水泥摻量.

圖1　抗剪強度與水泥摻入比關系Fig.1　The relationship between shear strength and cement content

2.2最佳養(yǎng)護齡期確定

將水泥改性膨脹土(選擇最佳水泥摻入比5%)環(huán)刀樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護0、1、3、5、7、14、28 d，并將養(yǎng)護后的試樣放入直剪儀內(nèi)，在豎向荷載200 kPa下進行快剪，得出試樣的抗剪強度，試驗結果如圖2所示.由圖2可知，水泥改性膨脹土的抗剪強度隨養(yǎng)護齡期的增加而增加.當齡期為5 d時，水泥改性土的強度達到70%左右.試樣養(yǎng)護至7 d后，抗剪強度增加緩慢，養(yǎng)護14～28 d后，抗剪強度基本保持不變.因此對于該試驗的膨脹土，水泥改性的最佳養(yǎng)護齡期約為28 d.

圖2　抗剪強度與養(yǎng)護齡期關系Fig.2　The relationship between shear strength and curing age

2.3干濕循環(huán)試驗

根據(jù)2.1和2.2的試驗結論，將水泥改性膨脹土(水泥摻入比為5%)試樣放入標準養(yǎng)護室內(nèi)，養(yǎng)護28 d，素膨脹土試樣不養(yǎng)護.試驗裝置主要由千分表、環(huán)刀、透水石以及水盒等部分組成.

干濕循環(huán)試驗步驟如下：

(1)失水收縮過程.將試樣放在自然條件下風干，對其進行失水收縮，每隔一定時間記錄一次試樣高度，當含水率為11%時，失水收縮階段結束，至此試樣完成失水收縮過程.為了加快試樣風干速率，在環(huán)刀試樣的頂部采用多孔板.

(2)吸水膨脹過程.將失水后的試樣放在透水石上，用吸水球直接向水盒內(nèi)注水，為使試樣吸水均勻，在加水過程中，保持水面在透水石頂部以下，在透水石上加一張濾紙以防土體黏附其上，當千分表讀數(shù)穩(wěn)定時，認為試樣已吸水飽和，至此試樣吸水膨脹過程結束.試樣完成一次干濕循環(huán).

(3)重復進行步驟(1)、(2)，完成若干次干濕循環(huán)，在干濕循環(huán)過程中每隔一定時間記錄試樣高度變化.

(4)將干濕循環(huán)結束后的試樣放入單聯(lián)直剪儀內(nèi)，同時對試樣在豎向荷載為100、200、300、400 kPa下以相同速率進行快剪，得出試樣在各級荷載下的抗剪強度.

對土體進行4次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)過程中含水率變化范圍為11%～38%，控制含水率為20%，控制過程如圖3所示.

圖3　干濕循環(huán)過程示意圖Fig.3　Sketch of wetting-drying cycle

3　試驗結果分析

3.1試樣變形結果及分析

試樣經(jīng)過4次干濕循環(huán)后，其高度變化如圖4所示.從圖4可以看出，隨循環(huán)次數(shù)的增加，原膨脹土和改性后膨脹土試樣經(jīng)吸水飽和后高度均逐漸增大，干縮狀態(tài)時高度也逐漸增大；且前兩次高度變化幅度較大，后兩次高度變化趨于平緩，相比較膨脹土經(jīng)水泥改性后變形不明顯.

圖4　干濕循環(huán)過程中試樣高度變化Fig.4　Variation of height of specimen under wetting-drying cycle

為分析干濕循環(huán)過程中膨脹土的脹縮變形變化規(guī)律，分別用絕對脹縮率來描述試樣脹縮程度及變化趨勢.并定義絕對膨脹率ηwi和ηdi來表征整個循環(huán)過程中試樣的脹縮程度及其變化，即

(1)

(2)

式中：hwi為試樣某次循環(huán)浸水飽和后的高度,mm；hdi為某次試樣失水干縮后的高度,mm；h0為制樣時的高度,mm；i為循環(huán)次數(shù).由測試結果及式(1)和(2)計算出水泥改性膨脹土和未改性膨脹土在干濕循環(huán)中的絕對脹縮率，由于第一次干濕循環(huán)是從制樣含水率20%開始循環(huán)，因此第一次的絕對收縮率無法計算得出.

圖5和6分別表示了原膨脹土與水泥改性膨脹土絕對膨脹率、絕對收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而變化的趨勢.

圖5　干濕循環(huán)過程中絕對收縮率變化曲線Fig.5　Curves of absolute shrinkage under wetting-drying cycle

圖6　干濕循環(huán)過程中絕對膨脹率變化曲線Fig.6　Curves of absolute expansion under wetting-drying cycle

從圖5和圖6可以看出，隨循環(huán)次數(shù)增加試樣的絕對膨縮率逐漸增加，這主要是由于試樣在初始狀態(tài)下干燥開裂后，其土體原有的結構遭到破壞，導致土顆粒間的膠結變?nèi)?，結構力逐漸消失[13].隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒間的膠結進一步變?nèi)?，吸水后試樣的膨脹性逐漸體現(xiàn)出來，在第2、3次干濕循環(huán)中這種現(xiàn)象表現(xiàn)非常明顯.因此，在飽和狀態(tài)下，試樣的高度不斷增加，同時水泥改性膨脹土絕對脹縮率較原膨脹土明顯減小，變形的幅度約為原膨脹土的20%，說明膨脹土經(jīng)水泥改性后，土體的水穩(wěn)性得到了顯著的提高.水泥經(jīng)過水化反應產(chǎn)生的鈣離子，在堿性環(huán)境中能與黏土礦物的二氧化硅、三氧化二鋁等反應，生成不溶于水的硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物等，這些新生成的結晶化合物在水中和空氣中逐漸硬化，不僅增大了土體的強度，同時也提高了水穩(wěn)性[14].

3.2抗剪強度結果及分析

改性前后膨脹土試樣經(jīng)過4次干濕循環(huán)后，其抗剪強度分別如圖7和圖8所示.從圖7可以看出，原膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)后抗剪強度明顯下降，在前兩次干濕循環(huán)中強度衰減的較為明顯，之后強度基本趨于穩(wěn)定[15]，這主要是由于在反復干濕循環(huán)過程中，裂隙會逐步發(fā)育，土體的破壞也不斷累積，使土體逐漸趨于松弛，從而導致土體的干密度減小.同時干濕循環(huán)對土的粒間聯(lián)結造成損傷，進一步促成了土體松散的排列結構，形成更大的孔隙空間，所以隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的抗剪強度逐漸降低.由于膨脹土經(jīng)水泥改性后，膨脹土的水穩(wěn)性顯著增強，土體的粒間聯(lián)結能力增強，干濕循環(huán)對土的粒間聯(lián)結損傷減弱.因此，水泥改性膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)后強度下降并不明顯，從圖8可以明顯看出.為進一步分析改性后膨脹土強度提高原因，將改性前原膨脹土與水泥改性后膨脹土黏聚力與內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)變化規(guī)律分別示于圖9和圖10中.由圖可見，原膨脹土經(jīng)過干濕循環(huán)后，黏聚力和內(nèi)摩擦角均有明顯下降.同時水泥改性膨脹土黏聚力先減小后增大，而內(nèi)摩擦角先增大后減小，這主要是由于改性后膨脹土，經(jīng)過28 d的養(yǎng)護后，快剪破壞為脆性破壞，剪切面并不平整.但是從總體上來看，膨脹土經(jīng)水泥改性后內(nèi)摩擦角以及黏聚力均明顯提高.

圖7　干濕循環(huán)過程中原膨脹土抗剪強度變化曲線Fig.7　Curves of expensive soil shear strength under wetting-drying cycle

圖8　干濕循環(huán)過程中水泥改性土抗剪強度變化曲線Fig.8　Curves of cement-treated expansive soil shear strength under wetting-drying cycle

圖9　干濕循環(huán)過程中黏聚力變化曲線Fig.9　Curves of cohesive value under wetting-drying cycle

圖10　干濕循環(huán)過程中內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.10　Curves of internal friction angle under wetting-drying cycle

4　結論

筆者研究了干濕循環(huán)條件下水泥改性膨脹土強度及脹縮變形的變化規(guī)律，可以得到如下結論：

(1)水泥改性膨脹土能明顯地提高膨脹土的抗剪強度，隨著水泥摻量及養(yǎng)護齡期的增加，改性膨脹土的抗剪強度逐漸增大，并趨于穩(wěn)定.

(2)試樣干縮濕脹變形并不完全可逆.隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，改性前后膨脹土的絕對脹縮率均在逐漸增加，在第1、2次循環(huán)過程中其變形的變化幅度較大，之后基本趨于穩(wěn)定.水泥改性膨脹土較原膨脹土，絕對脹縮率明顯減小.

(3)原膨脹土經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后抗剪強度明顯下降，黏聚力和內(nèi)摩擦角均有明顯下降，并且在前兩次干濕循環(huán)中強度衰減的較為明顯.水泥改性膨脹土較原膨脹土內(nèi)摩擦角以及黏聚力均明顯提高，且經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后強度并未發(fā)生明顯下降.

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Experimental Research Deformation and Shear Strength on Cement-treated Expansive Soil During Wetting-drying Cycles

WANG Jianlei1, WANG Yianqiao2, YANG Gangdong2, ZHANG Yangfan2, JIANG Hongyu2

(1.College of Water Conservancy and Hydropower, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to reveal the influence of wetting-drying cycles on the mechanical of cement-treated expansive soil, the expansive soil obtained from excavation of Hefei Metro Line 1 Taihu Road Station was taken as test object. The optimal cement ratio and curing period were determined, direct shear test was conducted under different cement ratio and curing period cement-treated expansive soil. Based on this, expensive soil and cement-treated expansive soil variation of deformation and strength test was conducted under wetting-drying cycles. It was shown that the swelling-shrinkage deformation of expansive soils was not completely reversible. Under wetting-drying cycles, shear strength of expansive soil decreased, the total ratio of swell-shrink increase and stabilized finally.Cement modified expansive soil can improve the shear strength of expansive soil and the swell-shrink of expansive was decline obviously. Variation of cement-treated expansive soil significantly decreased during wetting-drying cycles.

wetting-drying cycle; expansive soil; cement treatment; deformation; shear strength

2015-12-30；

2016-01-19

中央高校基金科研業(yè)務費專項基金(2014B36614)

王艷巧(1983—)，女，安徽蕭縣人，河海大學講師，博士，主要從事邊坡加固處理方面研究，E-mail：wangyq0726@163.com．

1671-6833(2016)04-0062-05

TU443

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.014