膨脹土摻和橡膠顆粒改良效果評(píng)價(jià)綜述*

左春陽(yáng) 周俊 鄧文

1 概述

眾所周知,在土木工程施工過(guò)程中常遇到的膨脹土是一種高塑性黏土,具有吸水后膨脹軟化、失水后顯著收縮開(kāi)裂、反復(fù)脹縮變形以及超固結(jié)、裂隙發(fā)育等特性,性質(zhì)極其不穩(wěn)定。其礦物成分以強(qiáng)親水性次生黏土礦物蒙脫石和伊利石及其混層黏土礦物為主。一般土質(zhì)細(xì)膩、粘性大,呈硬塑狀態(tài),斜交裂縫和光滑面發(fā)育,部分裂隙間被灰白色或綠色黏土充填。膨脹土的這些性質(zhì)造成了許多的巖土工程地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)工程建設(shè)的危害極大,造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

本次研究從室內(nèi)試驗(yàn)出發(fā),分別對(duì)膨脹土和橡膠顆粒改良膨脹土進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),包括物理性質(zhì)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)和脹縮特性試驗(yàn)。物理性質(zhì)試驗(yàn)研究摻入橡膠顆粒進(jìn)行改良對(duì)膨脹土物理性質(zhì)的影響及其程度,為強(qiáng)度和脹縮特性試驗(yàn)提供試驗(yàn)參數(shù)依據(jù),同時(shí)為實(shí)際工程應(yīng)用可行性提供基礎(chǔ)參數(shù);強(qiáng)度試驗(yàn)是研究橡膠顆粒改良膨脹土的強(qiáng)度,對(duì)比膨脹土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,得到橡膠顆粒對(duì)膨脹土強(qiáng)度的改變,為實(shí)際工程中的改良土體的強(qiáng)度研究提供數(shù)據(jù)參考;脹縮試驗(yàn)是為了對(duì)比膨脹土和改良土的脹縮特性指標(biāo),以此分析橡膠顆粒改良膨脹土的合理性,并判斷摻入橡膠顆粒的最佳配比,進(jìn)一步為該方法的合理性提供依據(jù)和參考。

2 土體基本特性的變化

試驗(yàn)首先取膨脹土土樣進(jìn)行物理性質(zhì)、強(qiáng)度和脹縮特性試驗(yàn),獲得基本實(shí)驗(yàn)參數(shù),同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)獲得橡膠顆粒的級(jí)配曲線(xiàn)。由液塑限試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果可知,與素土相比,橡膠顆粒改良土的液限和塑性指數(shù)的值都增大,可塑狀態(tài)的含水量范圍變大,而其塑限降低。引起土體塑性指數(shù)的變大,可能有幾個(gè)方面的原因:土粒越細(xì),比表面積越大,結(jié)合水的含量也就越高,塑性指數(shù)相應(yīng)的會(huì)變大;土中的黏土礦物的含量越高,水化作用而增加的結(jié)合水的含量也會(huì)使得塑性指數(shù)增大;還有就是水中高價(jià)陽(yáng)離子的含量越低,土粒表面的反離子層也就越厚,結(jié)合水的含量也會(huì)增大進(jìn)而增大塑性指數(shù)。

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程,選取不同橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)改良土試樣,在100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa等不同的垂直壓力下,進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,膨脹土中摻入橡膠顆粒以后,土體松散,粘聚力降低,抗剪強(qiáng)度降低。而對(duì)比橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的土樣,抗剪強(qiáng)度與橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大體成拋物線(xiàn)關(guān)系,而整體差距較小。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)中土樣的制作過(guò)程可以看出,摻入橡膠顆粒形成改良土后,土粒間粘結(jié)能力減弱,土體顯得松散,粘聚力不強(qiáng);隨著摻入橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,土體變得松散,一定程度上減小內(nèi)摩擦角,而摻入的橡膠顆粒的凹凸和粗糙程度略微大于土粒,當(dāng)摻入橡膠顆粒進(jìn)一步增多時(shí),會(huì)增大整個(gè)土體內(nèi)顆粒之間的摩擦,從而增大內(nèi)摩擦角。這兩者的共同作用影響著內(nèi)摩擦角φ的大小。

總的來(lái)說(shuō),改良土的抗剪強(qiáng)度還是小于膨脹土的,這在實(shí)際的工程應(yīng)用中還應(yīng)加以考慮。同時(shí)在室內(nèi)的直剪試驗(yàn)中,土體裂隙、結(jié)構(gòu)面的忽略對(duì)于試驗(yàn)的結(jié)果還是有一定影響的[1],這也需要在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)一步的研究。

3 膨脹土漲縮特性的改良效果

改良土脹縮特性的研究是判斷橡膠顆粒對(duì)于膨脹土改良的合理性及效果的有效標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)按照土工試驗(yàn)規(guī)程,對(duì)比了素土與不同橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)改良土的無(wú)荷膨脹率和收縮特性指標(biāo),含水率為21%的素土與橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同改良土的50 kPa有荷膨脹率,以及含水率為25%的素土與橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的改良土的膨脹力。通過(guò)對(duì)比來(lái)比較分析橡膠顆粒對(duì)于膨脹土的脹縮特性的改良,并推斷出其最佳配比。

無(wú)荷膨脹率和收縮試驗(yàn)表明,摻入橡膠顆粒后,改良土的線(xiàn)膨脹率大大降低,體縮率、收縮系數(shù)和縮限等收縮指標(biāo)也有了一定程度的降低。在此認(rèn)為摻加橡膠顆粒后,一定程度上影響了黏土礦物成分和膠粒物質(zhì)與水的結(jié)合緊密程度,使得其失水更容易,從而得到更小的縮限,并且得到更小的收縮變形。

膨脹土素土與改良土的50 kPa有荷膨脹率試驗(yàn)也說(shuō)明了相似的結(jié)果。含水率為21%時(shí),膨脹土的50 kPa有荷膨脹率很高,摻入橡膠顆粒形成改良土后的50 kPa有荷膨脹率大幅降低;含水率為25%時(shí),膨脹土的50 kPa有荷膨脹率也較大,改良土的有荷膨脹率同樣有明顯改善。50 kPa有荷膨脹率的降幅都較大,可見(jiàn)摻入橡膠顆粒后,對(duì)于膨脹土的膨脹性的改良效果明顯。

對(duì)比相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同含水量的改良土的有荷膨脹率,含水率25%的改良土的線(xiàn)膨脹率均小于含水率21%的膨脹土。這說(shuō)明,總體上起始含水率越低膨脹潛勢(shì)越大的規(guī)律對(duì)于橡膠顆粒改良土還是適用的。

對(duì)比相同含水率、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改良土的50 kPa有荷膨脹率值可知,摻加的橡膠顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,膨脹率減小的值不一樣。含水率為21%時(shí),隨著橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小;而對(duì)于含水率為25%的改良土,線(xiàn)膨脹率隨著橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小的速度慢一些。摻加橡膠顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,對(duì)膨脹土的改良效果也不同。

膨脹土的膨脹力是對(duì)膨脹土的膨脹特性的另一個(gè)指標(biāo),試驗(yàn)對(duì)比了含水率為25%的素土和摻加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)橡膠顆粒的改良土的膨脹力。摻加橡膠顆粒后,土樣內(nèi)的蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物的含量會(huì)降低,同時(shí)由于橡膠顆粒對(duì)土顆粒的包圍作用,阻礙了土顆粒與水的接觸,從而減小了膨脹土的膨脹性。對(duì)于其他機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。結(jié)合上述試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果,可知橡膠顆粒對(duì)于膨脹土的改良效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比膨脹土與摻加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的橡膠顆粒的改良土的物理性質(zhì)指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和脹縮特性指標(biāo),可以得出以下結(jié)論:

1)膨脹土中摻入橡膠顆粒后,土體的最優(yōu)含水率不變,最大干密度減小;橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí),改良土的液限和塑性指數(shù)的值隨之變化。橡膠顆粒對(duì)于土的塑性指數(shù)有著一定的影響,這也是影響膨脹土膨脹性的一部分原因。2)摻入橡膠顆粒后,土體變得松散,粘聚力降低;而橡膠顆粒的摩擦性以及土體松散共同影響著內(nèi)摩擦角的大小,隨著摻入橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增大后降低。但是改良土的抗剪強(qiáng)度低于素土的抗剪強(qiáng)度,這在實(shí)際的工程應(yīng)用中應(yīng)加以考慮。3)改良土中的蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物含量較素土低,同時(shí)由于橡膠顆粒對(duì)于土顆粒的包圍作用,阻礙了其余水分的反應(yīng),使得改良土的脹縮特性指標(biāo)較素土都有不同程度的降低。而綜合考慮各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo),可以得到膨脹土的改良效果是十分顯著的。

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