干濕循環(huán)作用對(duì)崩解性砂巖改良膨脹土抗剪強(qiáng)度影響

吳少甫

（中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 西安 710016）

1 引言

由于引江濟(jì)淮工程兼具調(diào)水、航運(yùn)和改善水生態(tài)三大功能，生活用水的硬度標(biāo)準(zhǔn)及江淮地區(qū)膨脹土的高含水率特性限制了摻拌生石灰、水泥改良膨脹土方法的使用，因此，因地制宜地開發(fā)一種適合引江濟(jì)淮工程特殊的水文地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)目的的膨脹土改良技術(shù)對(duì)工程中膨脹土邊坡防護(hù)方案的順利實(shí)施至關(guān)重要。李國維等基于引江濟(jì)淮工程下伏地層崩解性砂軟巖連續(xù)分布的特點(diǎn)，開發(fā)了一種利用引江濟(jì)淮工程崩解性砂巖棄渣改良膨脹土的技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)砂巖能較好地改良膨脹土的工程適用性，摻砂率30%時(shí)改良效果最佳。

本研究采用室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)與直接剪切試驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)干濕循環(huán)作用下純膨脹土及砂巖改良土的強(qiáng)度特性進(jìn)行探討，分析了砂巖對(duì)膨脹土裂隙演化規(guī)律及強(qiáng)度衰減特性的影響，明確了崩解性砂巖棄渣對(duì)膨脹土季節(jié)性氣候敏感性的改善效果，為崩解性砂巖改良膨脹土在引江濟(jì)淮工程上的應(yīng)用提供支持。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)所用膨脹土取自引江濟(jì)淮工程菜巢線，小合分線段，樁號(hào)K15+240～K15+340，三級(jí)坡坡中處，為黑色重粉質(zhì)壤土，具有弱膨脹性，自由膨脹率62%。所用崩解性砂軟巖取自引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程，樁號(hào)K41+100～K42+200，河底處，為強(qiáng)風(fēng)化、棕紅色軟巖，具有非膨脹性，自由膨脹率24%，具有強(qiáng)崩解性，二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)Id2為0，崩解后的砂巖顆粒均小于2mm。膨脹土、崩解性砂軟巖基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1，礦物組成見表2。

表1 膨脹土與崩解性砂軟巖的基本物理力學(xué)指標(biāo)表

表2 膨脹土與崩解性砂軟巖 X 射線衍射試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 試驗(yàn)方案

李國維等對(duì)不同摻砂率的崩解性砂巖改良土的物理力學(xué)性質(zhì)開展研究，發(fā)現(xiàn)摻砂率為30%時(shí)（干巖：干土=3︰7），砂巖改良膨脹土效果最佳。本研究中對(duì)風(fēng)干后的膨脹土及崩解性砂軟巖破碎過篩，得到膨脹土顆粒（粒徑＜5mm）及砂巖碎屑（粒徑＜2mm），并以30%（質(zhì)量比）的摻量將巖屑加入膨脹土中進(jìn)行改良，獲取砂巖改良土混合料。

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）對(duì)純膨脹土及砂巖改良土進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，得到最優(yōu)含水率與最大干密度，其中純膨脹土、砂巖改良土的最優(yōu)含水率分別為22.80%、19.5%，最大干密度分別為1.59g/cm3、1.63g/cm3。并按最優(yōu)含水率制備混合料，以95%壓實(shí)度擊入300mm×300mm×120mm的模具內(nèi)，以Φ61.8mm×20mm 環(huán)刀在試樣模具內(nèi)取試樣，并挑選密度差小于0.02g/cm3的多個(gè)試樣配置試樣組，再進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)及室內(nèi)剪切試驗(yàn)。

對(duì)純膨脹土及改良土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，采用先干后濕的順序。對(duì)所有土樣進(jìn)行飽和，定義飽和土樣為初始狀態(tài)，將飽和后的土樣放入溫度45℃、濕度50%的恒溫恒濕箱中干燥12h，再放入真空吸水儀中進(jìn)行真空飽和12h（試樣達(dá)到飽和含水率），此為一次干濕循環(huán)。每次干燥后，對(duì)試樣表面進(jìn)行拍照，記錄其表面裂隙發(fā)展情況，并對(duì)循環(huán)次數(shù)為0、1、3、5 次的試樣進(jìn)行飽和狀態(tài)下的直接快剪試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂隙開展規(guī)律

將1～5 次干濕循環(huán)作用下，純膨脹土與砂巖改良土試樣表面裂隙的發(fā)展過程與分布情況分別拍攝照片，并保持相同視距、視角和環(huán)境條件?？芍?，干濕循環(huán)作用下，純膨脹土試樣表面裂隙發(fā)育，裂隙數(shù)量多，寬度大，試樣整體收縮嚴(yán)重，大裂隙周邊有微小裂隙產(chǎn)生。摻入砂巖碎屑后，砂巖顆粒與土顆粒均勻拌合，改善了土體顆粒級(jí)配，增大了土體密實(shí)度，降低了土中強(qiáng)親水性黏土顆粒占比，使土體脹縮性降低。砂巖改良土經(jīng)5 次干濕循環(huán)后試樣表面僅產(chǎn)生一條長裂隙，長裂隙周圍未見微小裂隙衍生，裂隙整體收縮量減小。

采用Matlab 軟件，對(duì)裂隙圖像進(jìn)行二值化處理，并提取裂隙率數(shù)據(jù)，將表面裂隙率結(jié)果匯于圖1可知，土體表面裂隙率在首次干濕循環(huán)后增幅最大，隨著循環(huán)進(jìn)行，表面裂隙逐漸發(fā)展，但裂隙率的大小變化不顯著。純膨脹土脹縮能力強(qiáng)，5 次干濕循環(huán)條件下，試樣的表面裂隙率大。摻入砂巖后，土中黏土顆粒占比減小，土體脹縮性降低，干濕循環(huán)過程中表面裂隙率減小，砂巖具有抑制膨脹土表面裂隙開展的作用。

圖1 純膨脹土與改良土在干濕循環(huán)作用下的裂隙率變化圖

3.2 強(qiáng)度蛻化規(guī)律

將純膨脹土與砂巖改良土試樣在0～5 次干濕循環(huán)作用下，直接剪切試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力與內(nèi)摩擦角）匯于圖2可知，膨脹土中摻入砂巖后，土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角均增大。其主要原因?yàn)?，摻入砂巖能有效增加土中粗顆粒的含量，改善膨脹土的顆粒級(jí)配，使改良土密實(shí)度提高，剪切過程中克服顆粒間錯(cuò)位或翻滾時(shí)的摩擦阻力增大，即抗剪強(qiáng)度增大，具體表現(xiàn)為粘聚力與內(nèi)摩擦角增大。

圖2 純膨脹土與改良土在干濕循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化圖

干濕循環(huán)作用易導(dǎo)致土體脹縮裂隙開展，破壞土體結(jié)構(gòu)，使土體強(qiáng)度降低，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)減小。土體內(nèi)摩擦角大小主要受土粒本身的性質(zhì)所影響，干濕循環(huán)作用未對(duì)土體內(nèi)摩擦角產(chǎn)生規(guī)律性影響，因此，本研究主要探討干濕循環(huán)作用對(duì)土體粘聚力參數(shù)的影響。結(jié)果顯示，純膨脹土及砂巖改良土的粘聚力參數(shù)均隨干濕循環(huán)的進(jìn)行呈遞減趨勢(shì)，且首次循環(huán)衰減最為明顯，3～5 次循環(huán)后趨于穩(wěn)定。并且，砂巖摻入后土體粘聚力衰減率明顯減小，5 次干濕循環(huán)作用下，純膨脹土的粘聚力由42.26kPa 衰減至15.90kPa，衰減率為61.9%，而砂巖改良土則由44.80kPa 衰減至21.20kPa，衰減率約為52.7%，可見，砂巖具有抑制膨脹土干濕循環(huán)過程中粘聚力衰減的作用。

將土體粘聚力參數(shù)與表面裂隙率（CIF）之間的關(guān)系點(diǎn)匯于圖3可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，改良前、后土體的粘聚力參數(shù)與其CIF 間均滿足線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，且決定系數(shù)大于0.98，即干濕循環(huán)作用下土體粘聚力參數(shù)隨CIF 的增加線性減小。由此，在實(shí)際工程中可通過測(cè)試未干濕循環(huán)及1 次干濕循環(huán)作用下土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及CIF 值，建立土體粘聚力參數(shù)與CIF 間的線性關(guān)系式，并結(jié)合多次干濕循環(huán)后的土體裂隙狀況，推導(dǎo)被測(cè)試土體經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖3 干濕循環(huán)過程中土體粘聚力與CIF 間的關(guān)系圖

4 結(jié)論

干濕循環(huán)作用能促進(jìn)土體表面裂隙開展，降低土體抗剪強(qiáng)度。干濕循環(huán)作用下，純膨脹土及砂巖改良土的表面裂隙逐漸開展，裂隙率增加，土體抗剪強(qiáng)度減小，且在3～5 次循環(huán)后均趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響主要通過土體粘聚力體現(xiàn)，循環(huán)作用未對(duì)土體內(nèi)摩擦角產(chǎn)生規(guī)律性影響。

崩解性砂巖抑制膨脹土的裂隙開展。崩解性砂巖能有效抑制干濕循環(huán)作用下膨脹土表面裂隙的開展，降低土體的表面裂隙率。

崩解性砂巖改善膨脹土強(qiáng)度性狀的穩(wěn)定性。崩解性砂巖具有增強(qiáng)膨脹土的粘聚力與內(nèi)摩擦角，抑制干濕循環(huán)過程中膨脹土粘聚力衰減的作用。

土體粘聚力與表面裂隙率線性負(fù)相關(guān)。干濕循環(huán)作用下，純膨脹土及砂巖改良土的粘聚力參數(shù)與土體表面裂隙率之間均滿足線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，工程中可依據(jù)土體在干濕循環(huán)過程中的表面裂隙率對(duì)土體的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行快速推導(dǎo)■