膨潤土改性次生黃土的力學(xué)性能

張鵬 楊瑞雪 崔自治 郄明穎 康龍

摘要：針對(duì)寧夏次生黃土含砂率大、透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，以次生黃土為研究對(duì)象，以飽和度、壓實(shí)度、膨潤土摻量、含砂率為因素，應(yīng)用ZJ型電動(dòng)直剪儀和GZQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案L，e （ 45 ），設(shè)置35%、55%、75%和95%等4個(gè)飽和度水平，0.86，0.90，0.94和0.98等4個(gè)壓實(shí)度水平，0，1.5%，3.0%和4.5%等4個(gè)膨潤土摻量水平，15%、20%、25%和30%等4個(gè)砂土含量水平，研究了膨潤土改性次生黃土的強(qiáng)度和壓縮性，分析了各因素的作用規(guī)律及顯著性，給出了最優(yōu)組合。結(jié)果表明：壓實(shí)度對(duì)次生黃土力學(xué)性能的改善有利，且影響顯著；膨潤土摻量對(duì)黏聚力的影響顯著，對(duì)摩擦角和壓縮性的影響不顯著；粗砂含量為25%時(shí)對(duì)壓縮性最為不利。增大壓實(shí)度是改善次生黃土力學(xué)性能的有效措施，摻加膨潤土不會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

關(guān)鍵詞：膨潤土；含砂率；力學(xué)性能；正交試驗(yàn)；次生黃土

中圖分類號(hào)：TV16；TU502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.033

寧夏回族自治區(qū)由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙漠相圍，南面與黃土高原相連，黃土分布廣[1-3]。次生黃土具有含砂率大、自重濕陷性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)[4-5]，其上水利及建筑工程常因防滲失效而引起地基濕陷、沖蝕和潛蝕，最終導(dǎo)致建筑物沉降、開裂，造成不可挽回的損失[3]，因此加強(qiáng)黃土地基防滲是非常必要的。摻加膨潤土可顯著提高黃土的抗?jié)B性能[6-7]，但次生黃土作為建筑地基除了滿足防滲要求外，還應(yīng)滿足強(qiáng)度和變形要求。崔自治等[8-13]研究了膨潤土改性黏土、黃土和砂土的滲透性，發(fā)現(xiàn)膨潤土能明顯降低土壤的滲透性，對(duì)砂土抗?jié)B性能的改善尤為明顯。陳開圣等[14-15]研究了壓實(shí)度和飽和度對(duì)黃土壓縮性的影響，得出壓實(shí)度越大壓縮變形系數(shù)越小，高含水量下，壓實(shí)度對(duì)壓縮變形影響顯著。楊博等[16]應(yīng)用柔性壁滲透儀研究膨潤土改性黃土的滲透性，認(rèn)為膨潤土減小土體中大中孔隙的數(shù)量是減小滲透性的內(nèi)在機(jī)理。趙天宇等[17]通過控制滲透時(shí)間、圍壓和滲透壓力等條件得出試驗(yàn)初期試樣的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上有較大波動(dòng)，隨著持續(xù)時(shí)間增長滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定，增大圍壓和滲透壓力都可以引起改性黃土滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上降低。竇遠(yuǎn)明等[18]采用R法和方差法分析得出膨潤土摻量對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角有著著影響，對(duì)壓縮模量影響極不顯著。但綜合考慮黃土含砂率和膨潤土摻量對(duì)黃土力學(xué)性能的影響研究罕見報(bào)道。因此，本文研究含砂率和膨潤土摻量對(duì)壓實(shí)黃土力學(xué)性能的作用規(guī)律，為寧夏次生黃土地區(qū)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

黃土取自寧夏同心，密度ρ=1.56g/cm3含水率w=12.2%，土粒相對(duì)密度ds=2.72，塑限wp=15.0%，液限w1=27.2%，塑性指數(shù)Ip=12.2，最大干密度ρdmax=1.72g/cm3，最優(yōu)含水率wopt=16.0%，粒徑主要為0.075～0.005mm的粉粒（占81.3%，見圖1）。砂土為粗砂，取自銀川市，含水率ω=1.2%，粒徑分布見圖2，主要為0.25～5mm的砂粒，占83.0%，大于0.5mm的顆粒含量為60.5%。

膨潤土來自市場(chǎng)銷售，主要化學(xué)成分為SiO2 ，Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O，以及少量的CaO、2O5和其他（見表1），主要礦物為蒙脫石，外比表面積59.1m2/g。

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

以壓實(shí)度λc、飽和度Sr、含砂率s及膨潤土摻量b為因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案L16（45），因素與水平列于表2，其中e為誤差列。

將黃土、砂土風(fēng)干，碾散，拌勻，測(cè)含水率。通過摻加砂土調(diào)節(jié)含砂率，按試驗(yàn)方案稱取黃土、膨潤土、砂土和純凈水，先將黃土、砂土和膨潤土混合拌勻，再加純凈水拌勻。用壓樣器每組制備直徑61.8mm、高20mm的試樣8個(gè)用于強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定，直徑79.8mm、高20mm的試樣2個(gè)用于壓縮性指標(biāo)測(cè)定。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999），強(qiáng)度指標(biāo)用ZJ型電動(dòng)直剪儀采用快剪試驗(yàn)方法測(cè)定，設(shè)正應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa，剪切速率為0.8mm/min。壓縮系數(shù)用czQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀采用側(cè)限壓縮方法測(cè)定，設(shè)固結(jié)壓力分別為50、100、200、400kPa。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果列于表3，其中：c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，α為壓縮系數(shù)。由表3可知，黏聚力的變化幅度很大，達(dá)53.7kPa，內(nèi)摩擦角的變化幅度較小，僅4.3°左右。

2.1 直觀分析

按正交試驗(yàn)分析理論得出的各因素作用效應(yīng)的趨勢(shì)見圖3，極差見圖4。

由圖3可見，黏聚力隨壓實(shí)度和膨潤土摻量的提高非線性增大，隨飽和度和含砂率的增大近似線性減小。黏聚力的微觀本質(zhì)是氫鍵[17]，壓實(shí)度增大，土粒間的接觸面增加，距離減小，氫鍵增強(qiáng)；飽和度增大，水分增多，水與土粒作用使氫鍵產(chǎn)生組合弱化效應(yīng)[13]。膨潤土具有膠結(jié)和離子交換效應(yīng)，摻量增加，膠結(jié)力增強(qiáng)，黏聚力增大；砂粒不具黏結(jié)性，故含砂率增大，黏聚力降低。

內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增大呈非線性增大，隨含砂率的增大近似線性增大，隨飽和度的增大和膨潤土摻量的增加近似線性減小。壓實(shí)度增大，顆粒間的相互嵌入增多，咬合力增大，其次土粒表面結(jié)合水膜變薄，潤滑作用減小，內(nèi)摩擦角增大。飽和度增大，一是土粒的結(jié)合水膜增厚，潤滑效應(yīng)增強(qiáng)，二是界面張力減小，有效應(yīng)力降低，內(nèi)摩擦角減小。膨潤土與水形成抗剪性能很低的“塑性潤滑劑”，故膨潤土摻量增加，內(nèi)摩擦角降低。砂粒粗，表面粗糙，摩擦阻力大，嵌固效應(yīng)好，故含砂率增大，內(nèi)摩擦角增大。

壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度的增大非線性減小，隨飽和度的增大和膨潤土摻量的增加非線性增大，隨含砂率的增大呈先增大后減小的拋物線趨勢(shì)，砂土摻量約25%時(shí)達(dá)到最大。飽和度增大，土的強(qiáng)度降低，土粒易于錯(cuò)動(dòng)，壓縮性增大。膨潤土顆粒細(xì)，且吸收的水在壓力作用下會(huì)被擠出，故其摻量增加，土的壓縮性增大。含砂率較小時(shí)，因黏聚力隨含砂率的增大減小較快，綜合強(qiáng)度降低，且起不到骨架作用，壓縮性增大；含砂率達(dá)到某一值后，黏聚力隨含砂率的增大減小較慢，綜合強(qiáng)度提高，且骨架作用漸顯，壓縮性減小，因此壓縮系數(shù)與含砂率呈拋物線關(guān)系。

由圖4可見，各因素對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮系數(shù)影響的主次順序有所不同。影響?zhàn)ぞ哿蛢?nèi)摩擦角的主次順序?yàn)閴簩?shí)度、飽和度、膨潤土摻量、含砂率。影響壓縮系數(shù)的主次順序?yàn)閴簩?shí)度、飽和度、含砂率、膨潤土摻量。

2.2 方差分析

方差分析結(jié)果列于表4。由表4可見，各因素對(duì)黏聚力的影響最大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響最小。各因素對(duì)力學(xué)指標(biāo)影響的顯著性，以壓實(shí)度最高，其次是飽和度，含砂率最??；對(duì)壓縮系數(shù)影響的顯著性順序稍有變化，以膨潤土摻量影響的顯著性最小。增大壓實(shí)度是提高次生黃土強(qiáng)度、降低壓縮性的有效措施。摻加膨潤土對(duì)次生黃土的黏聚力提高有利，對(duì)提高內(nèi)摩擦角和減小壓縮性不利，但影響不顯著?？梢姄郊优驖櫷烈蕴岣叽紊S土的抗?jié)B性，不會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

2.3 最優(yōu)組合

最優(yōu)組合應(yīng)綜合考慮工程要求、效應(yīng)趨勢(shì)、方差分析結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性等。壓實(shí)系數(shù)增大對(duì)次生黃土的強(qiáng)度提高和壓縮性減小有利，且影響顯著，故越大越好，但過大不經(jīng)濟(jì)，依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004），壓實(shí)黃土墊層小于或等于3m的部分，壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)小于0.95，大于3m的部分不應(yīng)小于0.97，可見壓實(shí)系數(shù)以0.95或0.97最佳。飽和度增大對(duì)次生黃土的強(qiáng)度提高和壓縮性減小不利，且影響較大，應(yīng)越小越好。但為保證施工要求的壓實(shí)度，土料應(yīng)有一定的含水率，即最優(yōu)含水率，施工時(shí)飽和度應(yīng)選擇最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的飽和度。試驗(yàn)用次生黃土的最優(yōu)含水率為16.0%，與壓實(shí)系數(shù)0.95/0.97對(duì)應(yīng)的飽和度為65.5%/69.0%。使用過程中應(yīng)采取防滲和排水措施，防止飽和度過度增大。摻加膨潤土的主要目的是提高次生黃土的抗?jié)B性，且不會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響，膨潤土摻量應(yīng)在滿足抗?jié)B性要求的條件下，盡量少摻，以降低成本。含砂率對(duì)黃土力學(xué)性能的影響不大，可不予處理，以節(jié)省成本。

3 結(jié)論

（1）壓實(shí)度對(duì)黃土力學(xué)性能的改善有利，且影響最顯著，增大壓實(shí)度是改善次生黃土力學(xué)性能的有效措施。

（2）摻加膨潤土以提高次生黃土的抗?jié)B性，不會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的不利影響。

（3）次生黃土的粗砂含量為25%時(shí)對(duì)壓縮性最為不利，但影響的顯著性一般，為節(jié)省成本，可不予處理。

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