凍融循環(huán)對不同比例風化砂改良膨脹土膨脹力的影響

楊 俊, 劉世宜

(1.三峽大學 三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌443002)

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凍融循環(huán)對不同比例風化砂改良膨脹土膨脹力的影響

楊 俊1,2, 劉世宜1,2

(1.三峽大學 三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌443002)

[目的] 研究風化砂改良膨脹土的膨脹力與風化砂摻量、凍融循環(huán)次數之間的定性和定量關系，為風化砂改良膨脹土用作公路路基提供理論依據。 [方法] 在膨脹土中分別摻入0，10%，20%，30%，40%，50%的風化砂，在分別經過0，1，3，6，9，12次凍融循環(huán)后，在固結儀上進行膨脹力測試。 [結果] 風化砂的摻入可明顯降低膨脹土的膨脹力；在相同的凍融循環(huán)次數下，風化砂改良膨脹土的膨脹力隨摻砂比例的增大而減小，膨脹力降低的幅值隨摻砂比例的增加亦逐漸減??；在相同的摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的膨脹力隨凍融循環(huán)次數的增大而減小，膨脹力降低的幅值亦逐漸減小。當摻砂比例相同時，風化砂改良膨脹土的膨脹力與凍融循環(huán)次數的自然對數呈線性負相關關系。 [結論] 不同的凍融循環(huán)次數和不同的摻砂比例對膨脹土的膨脹力均有影響。

膨脹土; 凍融循環(huán); 風化砂; 膨脹力

文獻參數： 楊俊, 劉世宜.凍融循環(huán)對不同比例風化砂改良膨脹土膨脹力的影響[J].水土保持通報，2016,36(4)：133-137.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.024

膨脹土遇水膨脹，失水干縮變形，具有脹縮性、遇水崩解性、多裂隙性及強度衰減等特性。正是由于這些特性，常常使建筑物產生位移、開裂、傾斜甚至破壞，是一種破壞性極強而分布又十分廣泛的危害性地質土，不能直接作為路基填料使用，需加以改良[1-4]。常用的改良方法是摻入石灰、粉煤灰、水泥等材料，通過化學反應，抑制膨脹土的脹縮變形。這些粉末狀材料在改良膨脹土時存在著拌和不均勻、污染環(huán)境等許多弊端。為達到就地取材、節(jié)約成本的目的，本課題以湖北省宜昌市三峽庫區(qū)廣泛分布的風化砂來改良宜昌市的膨脹土。通過一系列的室內脹縮試驗、力學試驗，證明風化砂能較好地改善膨脹土的脹縮特性，能達到公路路基填料的要求。季節(jié)性凍土地區(qū)改良膨脹土路基在建設初期，其狀況較好，但經過幾次凍融循環(huán)后，其強度和變形會發(fā)生明顯的變化，容易出現路面鼓包、彈簧、斷裂和翻漿冒泥等現象。形成這些災害的主要原因是凍融循環(huán)作用使路基土體的含水率升高，孔隙率增大，土體體積增大，從而使膨脹土發(fā)生膨脹變形，當變形受到約束時，土體必然產生內應力，即膨脹力，正是這種內應力改變了土顆粒之間的結構聯接及排列方式，土體的力學性質也因此發(fā)生了改變[5-8]。由此可見，風化砂改良膨脹土能否持久用作路基，還需進行深入研究，弄清凍融循環(huán)作用下改良膨脹土膨脹力的變化規(guī)律[9-12]。本研究針對湖北省宜昌市小溪塔至鴉雀嶺一級公路沿線膨脹土，采用風化砂來改良。通過摻不同量風化砂到膨脹土中，經過不同次數的凍融循環(huán)作用，對試件進行室內膨脹力試驗，得到了不同摻砂比例、不同凍融循環(huán)次數下風化砂改良膨脹土試樣的膨脹力，通過對試驗數據的分析，得到不同摻砂比例下風化砂改良膨脹土試樣的膨脹力隨凍融循環(huán)次數的變化關系，并建立起二者之間的數學模型，為風化砂改良膨脹土用作公路路基提供理論依據和試驗證明。

1　試驗材料與方案

1.1膨脹土

考慮原狀土樣結構差別較大，試驗結果比較離散，本研究采用重塑土樣進行試驗。試驗所用土樣取自湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路沿線的灰白色膨脹土。該膨脹土樣以粒徑分布在0.075～0.002 mm的粉粒組為主，粒徑小于0.002 mm的黏粒組主要成分為蒙脫石和伊利石等礦物成分。按照《公路土工試驗規(guī)程(JTGE40-2007)》[13]，對該土樣進行了物理性質指標測定。試驗結果詳見表1。對該膨脹土進行了重型擊實試驗，其最佳含水率為12.82%，最大干密度為1.899 g/cm3。膨脹土的自由膨脹率為53%，根據《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》可以判別該試驗土樣為弱膨脹土。

表1　膨脹土基本性質指標

1.2風化砂

試驗所用風化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區(qū)樂天溪地區(qū)，所采試驗用風化砂其外觀顏色呈黃褐色，顆粒細小。

取料時對其天然含水率和天然密度進行了測定，并在室內進行了顆粒分析試驗，試驗結果詳見表2。綜合其粒徑分布情況及不均勻系數和曲率系數這兩個重要指標，可知該風化砂顆粒尺寸單一，級配較差(由于本試驗試樣均處于密實狀態(tài)，因此砂級配對試驗結果基本不會產生影響)。

表2　試驗用風化砂基本性質指標

1.3試驗方案

主要儀器設備為：內徑61.8 mm，高20 mm的金屬環(huán)刀；壓樣器；千斤頂(20 t)；反力架；雙聯杠桿式固結儀(杠桿比為1∶12)；百分表。試驗設計的摻砂比例分別為0，10%，20%，30%，40%和50%，所謂摻砂比例，即風化砂干重占試樣總干重的百分比。按《公路土工試驗規(guī)程(JTG/E40-2007)》的要求，通過重型擊實試驗，得出6種不同土樣對應的最大干密度及最佳含水率(表3)。取經碾碎、過2 mm圓孔篩且烘干的膨脹土試樣若干，按設計的摻砂比例將其與不同干重的風化砂混合，拌合均勻后，將不同摻砂比例的混合料配至最佳含水率，并燜料24 h備用。通過不同摻砂比例下各試樣的最大干密度及環(huán)刀體積計算制作每個試件所需土樣的質量，再將試樣直接靜壓至環(huán)刀內進行試件制作(為使不同摻砂比例下各試樣均處于密實狀態(tài)，因此選用各自最佳含水率及最大干密度下的試樣進行試驗)。將制作好的試樣進行室內凍融試驗，為防止凍融循環(huán)過程中試件的水分蒸發(fā)，將制作好的帶環(huán)刀的試件用塑料薄膜密封，然后放入凍融循環(huán)箱中(試件在反復凍融過程中并無質量損失)。根據工程所在地的氣溫資料，冷凍的最低溫度確定為-15 ℃，將冷凍24 h的試件取出，放置于室溫條件下24 h，使其充分融化，此過程為一個完整的凍融循環(huán)。由于凍融循環(huán)達到一定次數后，土體性質變化的幅度較小，基本趨于穩(wěn)定，參考前人的一些研究成果，確定本次試驗凍融循環(huán)次數分別為0，1，3，6，9，12次[14]。待試件完成相應凍融循環(huán)次數后，將試件裝入雙聯固結儀上，其中試件上下均設有濾紙和透水石，采用平衡加壓法進行膨脹力試驗。所謂平衡加壓法，即在試樣吸水開始膨脹時，逐步施加荷載維持體積不變，因為采用這種方法，試驗過程中基本不會引起土體結構破壞，符合膨脹力的物理意義，故采用此法進行試驗。安裝好試件后施加1 kPa的預壓力，使試件與儀器各部接觸，隨后自下而上的向容器注入蒸餾水，并始終保持水面足夠低，而不致使試件受到太大的上浮力。試驗中通過向砂桶中加適量鐵砂，使百分表仍回到初始讀數，待維持某級平衡荷重達2 h，則認為試樣在該級平衡荷重下達到穩(wěn)定。根據穩(wěn)定后桶中砂的總質量、固結儀的杠桿比及試樣的面積，按公式(1)計算試樣的膨脹力。

(1)

式中：pe——膨脹力(kPa)；W——總平衡荷重(N)；A——試樣面積(cm2)；m——固結儀的杠桿比。

表3　不同摻砂比例下風化砂改良膨脹土的最佳含水率及最大干密度

2　試驗結果及分析

不同摻砂比例、不同凍融循環(huán)次數作用下，風化砂改良膨脹土的膨脹力試驗結果詳見表4。

表4　凍融循環(huán)對風化砂改良膨脹土膨脹力的影響 kPa

2.1風化砂改良膨脹土的膨脹力與摻砂比例的關系

根據表4中的試驗數據，以摻砂比例為橫坐標，以風化砂改良膨脹土的膨脹力為縱坐標，繪制膨脹力與摻砂比例的關系曲線(圖1)。

圖1　不同凍融循環(huán)次數，膨脹力與摻砂比例的關系曲線

從圖1可以看出，在同一凍融循環(huán)次數下，風化砂改良膨脹土的膨脹力隨摻砂比例的增大而減小。在0，1，3，6，9，12次凍融循環(huán)作用下，當摻砂比例依次按0，10%，20%，30%，40%，50%遞增時，膨脹力下降的幅度值依次為6.0，5.0，4.0，3.0，2.0 kPa。由此可見，膨脹力降低的幅值隨摻砂比例的增加逐漸減小，當摻砂比例達到50%時，膨脹力的減小基本趨于穩(wěn)定。原狀膨脹土在經過12次凍融循環(huán)之后，膨脹力較凍融之前下降了59.4%；摻砂10%的膨脹土在經過12次凍融循環(huán)之后，膨脹力較凍融之前下降了63.9%；摻砂20%的膨脹土在經過12次凍融循環(huán)之后，膨脹力較凍融之前下降了67.6%；摻砂30%的膨脹土在經過12次凍融循環(huán)之后，膨脹力較凍融之前下降了71.5%；摻砂40%的膨脹土在經過12次凍融循環(huán)之后，膨脹力較凍融之前下降了73.9%；摻砂50%的膨脹土在經過12次凍融循環(huán)之后，膨脹力較凍融之前下降了77.6%。上述現象說明風化砂摻量越多，膨脹力下降幅度越大。產生這一現象的原因是，在膨脹土中摻入風化砂之后，一方面隨著風化砂摻量的增加，膨脹土的含量相對減少，故降低了膨脹力；另一方面，由于風化砂有棱有角，相互之間摩擦嵌擠，抵消了一部分膨脹力。因此適量風化砂的摻入能較好地抑制膨脹土的膨脹性，對降低膨脹土的膨脹力具有顯著的效果。

2.2風化砂改良膨脹土的膨脹力與凍融循環(huán)次數的關系

根據表4中的試驗數據，以凍融循環(huán)次數為橫坐標，以風化砂改良膨脹土的膨脹力為縱坐標，繪制膨脹力與凍融循環(huán)次數的關系曲線(圖2)。從圖2可以看出，在同一摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的膨脹力隨凍融循環(huán)次數的增大而減小。第1次凍融循環(huán)后，摻砂比例0，10%，20%，30%，40%，50%下風化砂改良膨脹土的膨脹力相對未經歷凍融循環(huán)的降低幅度分別為20.5，19.8，20.4，20.1，20.0，19.9 kPa；經歷3次凍融循環(huán)之后，摻砂比例0，10%，20%，30%，40%，50%下風化砂改良膨脹土的膨脹力相對經歷1次凍融循環(huán)的降低幅值分別為13.4，13.9，13.8，14.0，15.4，14.9 kPa；經歷6次凍融循環(huán)之后，摻砂比例0，10%，20%，30%，40%，50%下風化砂改良膨脹土的膨脹力相對經歷3次凍融循環(huán)的降低幅值分別為8.7，8.8，8.7，9.3，8.0，8.2 kPa；經歷9次凍融循環(huán)之后，摻砂比例0，10%，20%，30%，40%，50%下風化砂改良膨脹土的膨脹力相對經歷6次凍融循環(huán)的降低幅值分別為7.4，7.3，7.1，6.7，7.0，6.7 kPa；經歷12次凍融循環(huán)之后，摻砂比例0，10%，20%，30%，40%，50%下風化砂改良膨脹土的膨脹力相對經歷9次凍融循環(huán)的降低幅值分別為5.4，6.0，6.0，6.2，5.7，7.3 kPa。由此可見，在各摻砂比例下，隨著凍融循環(huán)次數的增加，膨脹力降低的幅度逐漸減小。從圖中曲線走勢可知，隨著凍融循環(huán)次數的不斷增大，風化砂改良膨脹土的膨脹力相對于前一次凍融循環(huán)的降低幅度將越來越小，從而當凍融循環(huán)次數增大到某一值時，某一摻砂比例下風化砂改良膨脹土的膨脹力相對于前一次凍融循環(huán)的降低幅度將接近于0，基本不隨凍融循環(huán)次數的增大而發(fā)生改變。之所以出現這些現象，主要是由于經過凍融循環(huán)后，試樣發(fā)生凍脹現象，土體內顆粒進一步分散，黏結力減弱，水分遷移通道發(fā)生改變，使土體吸附結合水的能力減弱，導致水分遷移積聚的水量減少，從而導致試樣膨脹力的降低；隨著凍融循環(huán)次數的增加，試件吸附結合水的能力進一步減弱，膨脹力降低的幅值也會越來越小。

圖2　不同摻砂比例下膨脹力與凍融循環(huán)次數的關系曲線

3　凍融循環(huán)對膨脹力影響的擬合分析

通過對膨脹土試樣摻入不同比例風化砂，在不同凍融循環(huán)次數下進行膨脹力試驗，并對試驗數據進行擬合分析，得到了各摻砂比例下風化砂改良膨脹土試樣的膨脹力與凍融循環(huán)次數之間的關系(表5)，可用公式(2)進行表達。

pe=A×ln(N)+B

(2)

式中：A,B——擬合系數，隨摻砂比例不同而變化，其值詳見表4；pe——風化砂改良膨脹土的膨脹力(kPa)；N——凍融循環(huán)次數(次)，在0～12之間。

表5　凍融循環(huán)對膨脹力影響的擬合結果

以凍融循環(huán)次數為橫坐標，以膨脹力為縱坐標，繪制不同摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的膨脹力與凍融循環(huán)次數的關系曲線(圖3)。從圖3可以看出，在同一摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的膨脹力與凍融循環(huán)次數的自然對數呈線性負相關關系。從表4可以看出，隨摻砂比例的增大，擬合系數A基本上無太大變化，而擬合系數B隨摻砂比例的增大而減小。R2為相關系數的平方值，其統(tǒng)計意義為回歸模型的擬合優(yōu)度，其值越大，則表示擬合的模型相關性越顯著。各摻砂比例下擬合關系式的R2均在0.98左右，說明采用對數方式進行擬合，其相關性較好。通過對其進行擬合分析，可以預測某一確定摻砂比例、某一確定凍融循環(huán)次數下風化砂改良膨脹土的膨脹力，為季節(jié)性凍土地區(qū)膨脹土工程結構物的穩(wěn)定分析提供了參考。

圖3　凍融循環(huán)次數與膨脹力的擬合曲線

4　結 論

(1) 風化砂的摻入可明顯降低膨脹土的膨脹力，說明風化砂的摻入起到了顯著抑制膨脹土膨脹變形的效果。

(2) 在同一凍融循環(huán)次數下，風化砂改良膨脹土的膨脹力隨摻砂比例的增大而減??；膨脹力降低的幅值隨摻砂比例的增加亦逐漸減小；風化砂摻量越多，膨脹力下降幅度越大；當摻砂比例達到50%時，膨脹力的減小基本趨于穩(wěn)定。

(3) 在同一摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的膨脹力隨凍融循環(huán)次數的增大而減?。辉诟鲹缴氨壤?，隨著凍融循環(huán)次數的增加，膨脹力降低的幅度逐漸減小。當凍融循環(huán)次數增大到某一值時，風化砂改良膨脹土的膨脹力將趨近于一定值，基本不隨凍融循環(huán)次數的增大而發(fā)生改變。

(4) 在同一摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的膨脹力與凍融循環(huán)次數的自然對數呈線性負相關關系。

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Influences of Freezing-thawing Cycle on Expansive Force of Expansive Soil Improved by Different Proportional Weathered Sand

YANG Jun1,2, LIU Shiyi1,2

(1.CollaborativeInnovationCenterofGeologicalHazardsandEcologicalEnvironmentinThreeGorgesAreainHubeiProvince,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang，Hubei443002，China; 2.CivilandArchitecturalInstitute,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002，China)

[Objective] The qualitative and quantitative relations between the expansive force of weathered-sand-improved expansive soil and the effects of weathered sand content, the number of freezing-thawing cycles on the expansive force were studied. [Methods] Weathered sand was put into the expansive soil with the proportions of 0，10%，20%，30%，40%，50% and the expansive force was tested on the consolidation test apparatus in condition of freezing-thawing cycles with the times of 0,1,3,6,9,12. [Results] The expansive force of weathered-sand-improved expansive soil reduced obviously. Both the expansive force of weathered-sand-improved expansive soil and the extent of the expansive force reduces as the proportion of weathered sand increased in the same time of freezing-thawing cycles. In contrast, the two items reduced as the times of freezing-thawing cycles increased in the same proportion of mixed weathered sand. The expansive force of the weathered-sand-improved expansive soil and the natural logarithm of the number of freezing-thawing cycles showed negative linear correlation relationship in the same content of weathered sand. [Conclusion] Both of the freeze-thaw cycles and the proportion of mixed sands all affect the expansive force of expansive soil.

expansive soil; freezing-thawing cycles; weathered sand; expansive force

2015-10-17

2015-11-05

湖北省教育廳自然科學研究重點項目“風化砂改良膨脹土的室內試驗研究”(D20131304); 國家自然科學基金青年項目(41302275)

楊俊(1976—),男(漢族),湖北省武漢市人,博士,副教授,主要從事公路特殊土路基處理、路面新材料開發(fā)利用、工業(yè)垃圾及建筑垃圾的路用特性方面的研究。E-mail:Wangjing750301@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0133-05

TU411.3