貝殼改良膨脹土的抗剪強度試驗研究

許長輝，孫樹林

貝殼改良膨脹土的抗剪強度試驗研究

許長輝1，孫樹林2

（1.浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310012；2.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

針對膨脹土遇水膨脹失水收縮的問題，將貝殼碾碎添加到膨脹土中，通過系統(tǒng)的室內抗剪強度試驗，探討貝殼改良膨脹土的強度變化規(guī)律。試驗結果表明：摻入貝殼能夠有效提高膨脹土的抗剪強度，隨著貝殼摻量的提高，抗剪強度先增大后減小，12%貝殼摻量時，改良土的抗剪強度達到最大。

貝殼；改良膨脹土；抗剪強度

膨脹土一直是公路工程中一個嚴峻的問題，這是由于膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特點容易給工程活動帶來危害，因此必須要對膨脹土進行處理才能達到工程上的要求。近年來，利用固體廢棄物改良膨脹土成為改良膨脹土的研究熱點[1-6]。黃震[7]等對摻不同比例的石灰、風化砂改良膨脹土的脹縮裂隙與抗剪強度關系進行了研究，認為石灰和風化砂能限制裂隙的發(fā)育，并且抗剪強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減。鄧友生[8]等將聚丙烯纖維加入膨脹土中，發(fā)現(xiàn)膨脹土強度隨著聚丙烯纖維含量的增加而增大，并且強度隨著纖維長度而增大。不同的改良材料有著各自的優(yōu)缺點，選擇固廢改良膨脹土能使固廢材料得到有效利用并改善環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。本文提出利用貝殼改良膨脹土，既緩解了沿海地區(qū)貝殼大量堆積引發(fā)的環(huán)境污染問題，也為改良膨脹土工程性質提供一種可以借鑒的方法。

1 試驗材料

本文土樣取自南京工程學院校區(qū)內湖邊濕地，取土深度2～3 m，屬于第四紀中更新世沖擊、洪積土層。將土樣風干后用木槌敲碎，土樣呈黃褐色，為粉質粘土，其中夾雜一些高嶺土團塊、錳鐵質結核和少量植物根莖，無異味，顆粒大小較為均勻。土樣的具體物理參數(shù)如表1所示。

貝殼的種類非常多，而且形態(tài)各異，顏色不同，但是貝殼類的化學組成相似，它們主要有占全殼95%的碳酸鈣和少量的貝殼素[9]。CaCO3固體顆粒是一種非常堅硬的固體顆粒，并且具有較高的強度和水穩(wěn)定性。由于CaCO3固體顆粒對土體的膠結作用使得土體加固，形成石灰穩(wěn)定土。因此本次試驗可以將貝殼碾碎，添加到膨脹土中來改良膨脹土的物理力學性質。本次試驗所用貝殼來自飯店客人食用后丟棄的花甲殼，將其洗凈風干后碾碎并烘干便可作為試驗的改良材料。

表1 試驗土樣的基本物理參數(shù)Tab.1 The basic physical parameters of test soil samples

表2 素土及貝殼改良膨脹土的抗剪強度Tab. 2 Shear strength of pure soil and soil improved with shell

2 試驗內容

試驗參照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)進行。試驗前將土樣都風干碾碎過2 mm的篩子，貝殼烘干碾碎后過2 mm的篩子，按照設計的摻量，分別稱取貝殼和土比為0:100、4:96、8:92、12:88、16:84，按照最優(yōu)含水率加水拌合均勻，悶料一晝夜。用擊樣器制備成剪切用試樣，試樣的高度為20 mm，直徑為61.8 mm，放在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護一晝夜。

本次直剪試驗采用應變控制式直剪儀測定試樣的抗剪強度，分別施加垂直荷載100、200、300、400 kPa。剪切開始時，以0.8 mm/min的剪切速度進行剪切，當百分表出現(xiàn)峰值時，應在剪切位移超過4 mm時停止剪切，記錄下破壞值。沒有峰值時，應剪切至剪切位移為6 mm時停止剪切。每個試樣都做兩組平行試驗，取平均值為最終結果。

3 試驗結果

本次直剪試驗的結果見表2，圖1是試樣的τ-σ關系曲線圖。對曲線圖中的直線進行擬合，所得擬合方程見公式(1)—(5)。

圖1 不同貝殼摻量改良膨脹土的τ-σ關系曲線Fig.1 The τ-σ curve of expansive soil improved by different shell contents

從圖1中可以看出摻入貝殼后，膨脹土樣的抗剪強度明顯提高，其中當貝殼摻量達到12%時，改良膨脹土的粘聚力和內摩擦角到達到了最大107.17 kPa和23.20°，相比于素土的69.77 kPa和21.74°，分別提高了53.50%和6.72%。

各直線相關系數(shù)R均大于0.8，可認為擬合程度較好，整理得到不同貝殼摻量下的試樣抗剪強度指標如表3所示。

以上結果表明，摻入貝殼后能有效提高膨脹土的抗剪強度指標，并且在12%摻量時，土樣的抗剪強度指標提高幅度最大，繼續(xù)摻加貝殼，抗剪強度增幅不大。

表3 不同貝殼摻量改良膨脹土的抗剪強度指標Tab.3 The shear strength of expansive soil improved by different shell contents

3.1 貝殼摻量對粘聚力的影響

從圖2中可以看出，隨著貝殼摻量的增加，試樣的粘聚力也不斷增加，但16%貝殼摻量時粘聚力沒有繼續(xù)增大。最大的粘聚力出現(xiàn)在貝殼摻量為12%的試樣上，比素土的69.77 kPa提高了53.50%。這表明摻入貝殼能夠有效提高膨脹土的粘聚力。這是因為摻入貝殼后，貝殼顆粒與土體顆粒膠結在一起，改變了土體的結構性，當土體被剪切，貝殼顆粒與土體顆粒產(chǎn)生了拉應力，即提高了顆粒間的引力，使土體的粘聚力變大，從而阻止土體的剪切破壞。貝殼顆粒較少時，土體顆粒能與貝殼顆粒較好的膠結在一起，當貝殼摻量達到16%時，貝殼顆粒過多，顆粒之間互有重疊，反而形成了薄弱面，對土體顆粒之間形成了隔離作用，破壞了土體的結構性，使得土體顆粒間的引力降低，因此粘聚力沒有繼續(xù)增大。

圖2 粘聚力與貝殼摻量的關系Fig.2 The relationship between cohesion and volume of shell

圖3 內摩擦角與貝殼摻量的關系Fig.3 The relationship between internal friction angle and volume of shell

3.2 貝殼摻量對內摩擦角的影響

土體的內摩擦角φ反映了土體的摩擦特性，提供了土體的摩擦強度，摩擦強度分為咬合摩擦和滑動摩擦，兩者共同概化為摩擦角。土體顆粒交錯排列使得土體遭受剪切作用時，剪應力迫使土體顆粒抬起越過相鄰顆粒，這時所消耗的剪應力即為土體的摩擦強度。

由圖3可以看出素土的內摩擦角為21.74°，隨著貝殼摻量的增加，內摩擦角先增大后減小，當貝殼摻量達到12%，內摩擦角達到最大值25.80°，由此證明貝殼的加入可以提高膨脹土的摩擦強度。這是因為貝殼摻入土體后，貝殼顆粒與土體顆粒膠結在一起，使得土體受剪切時土體顆粒要越過貝殼顆粒時比原先所受的阻力更大，土體的咬合摩擦力增加，即內摩擦角變大。當貝殼逐漸增多時，貝殼顆粒之間互有重疊，不能與土體顆粒很好的膠結，使得土體變得松散，提高了孔隙比，孔隙增多為土體顆粒的移動提供了便捷通道，使得土體受剪應力作用時土體顆粒移動所受阻力減小，咬合摩擦力變小，即內摩擦角變小。

4 結論

1）摻入貝殼能夠有效提高膨脹土的抗剪強度，隨著貝殼摻量的提高，抗剪強度先增大后減小，12%貝殼摻量時，改良土的抗剪強度達到最大。

2）摻入貝殼能有效提高改良土的粘聚力，在12%貝殼摻量的時候，粘聚力最大。

3）摻入貝殼后，改良土的內摩擦角有所增大，但是增加的幅度不大，在12%貝殼摻量時達到最大。

[1]孫樹林，鄭青海，唐 俊，等.堿渣改良膨脹土室內試驗研究[J].巖土力學，2012，33(6)：1608-1612.

[2]張 雁，康雪成，郭利勇.石灰煤矸石改良膨脹土工程特性研究[J].硅酸鹽通報，2015，34(9)：2720-2724.

[3]黎新春.風化砂改良膨脹土特性試驗研究[D].宜昌：三峽大學，2014.

[4]查甫生，郝愛玲，趙 林，等.電石渣改良膨脹土試驗研究[J].工業(yè)建筑，2014，44(5)：65-69.

[5]SHAHBAZI M，ROWSHANZAMIR M，ABTAHI S M，et al. Optimization of carpet waste fibers and steel slag particles to reinforce expansive soil using response surface methodology[J]. Applied Clay Science，2017，142(6):185-192.

[6]錢葉琳，王 潔，呂衛(wèi)柯，等.黃麻纖維加筋土的強度特性及增強機理研究[J].河北工程大學學報：自然科學版，2016，33(2)：19-24.

[7]黃 震，陳 鋮.改良膨脹土脹縮裂隙及與抗剪強度的關系研究[J].水文地質工程地質，2016，43(3)：87-93.

[8]鄧友生，吳 鵬，趙明華，等.基于最優(yōu)含水率的聚丙烯纖維增強膨脹土強度研究[J].巖土力學，2017，38(2)：349-353.

[9]李金志.貝殼的綜合利用[J].淮海工學院學報，2001，6(10)：22-23.

Study of shear strength test on expansive soil improved by shell

XU Changhui1，SUN Shulin2
(1.Geological Exploration Bureau of Zhejiang Province,Hangzhou 310012,China; 2.College of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

According to the characteristics of the expansive soil which are the expansion of soil meets water and shrinkage of soil loses water, the strength change law of shell modified expansive soil was studied by crushing the shells and adding them to the swelling soil through the scientific indoor shear strength test.The test results show that adding shells can effectively improve the shear strength of expansive soil. With the increase of the shell content, the shear strength increases first and then decreases, and the shear strength of the improved soil reaches the maximum when the amount of the shells is 12% .

Shell; Modified expansive soil; Shear strength

TU43

A

1673-9469（2017）03-0038-03

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.008

2017-06-13

國家重點實驗室開放研究基金項目（2005408911）；留學回國人員科研基金項目資助（20071108）

許長輝（1990-），男，福建莆田人，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事地質工程技術方面的研究。