初始含水率和改良材料摻量對膨脹土抗剪強度的影響

楊 俊,童 磊,張國棟,唐云偉,陳紅萍

(1.三峽大學三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002;3.宜昌市交通運輸局,湖北 宜昌 443002; 4.宜昌市公路管理局,湖北 宜昌 443002)

膨脹土在我國分布范圍較廣,是一種由強親水性礦物——伊利石和蒙脫石組成的高液限黏土,具有超固結性、多裂隙性和顯著的脹縮特性。由于膨脹土具有劇烈的吸水膨脹、失水收縮的特點,其強度變化既有一般黏土的共性又有其特殊性,抗剪強度極易隨含水率的改變而波動,這些不良特性通常會造成路基不均勻沉降、建筑物傾斜開裂、邊坡垮塌等工程地質災害。因此,在工程建設中,遇到膨脹土路基或將膨脹土用作路基填料時,必須對膨脹土進行改良處理,使其滿足路用標準。目前,工程中應用最廣的改良方法是在膨脹土中摻入石灰、水泥或粉煤灰等外加劑。國內外學者針對采用石灰、水泥或粉煤灰改良膨脹土的抗剪性能做了大量研究,發現改良后膨脹土的抗剪強度有著不同程度的提高。崔偉等[1]發現石灰改良膨脹土的抗剪強度與摻灰量、壓實度和養護齡期均呈正相關。惠會清等[2]通過石灰、粉煤灰改良膨脹土的對比試驗發現:兩者改良膨脹土抗剪強度的效果不完全一樣,石灰劑量在2%～4%時改良效果最好,而粉煤灰劑量在20%～30%時改良效果才比較明顯。李東森等[3]通過大量試驗研究得知:摻入水泥之后,膨脹土的黏聚力及內摩擦角均大幅增大,且黏聚力的增大幅度比內摩擦角的增大幅度大。但大多數的研究局限于在最佳含水率下分析改良膨脹土抗剪強度的變化規律,并沒有深入分析不同初始含水率對改良膨脹土抗剪強度指標的影響[4]。再者,化學改良方法施工工藝復雜,現場拌和困難,且對環境污染較大。針對這些不足,本文結合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建工程,對使用風化砂、水泥、石灰和粉煤灰改良的膨脹土抗剪強度進行比較,通過改變初始含水率,研究不同改良材料、不同初始含水率、不同改良材料摻量對膨脹土抗剪強度指標的影響,為工程建設中合理選擇膨脹土改良材料提供參考。

圖1 風化砂顆粒級配曲線

1 試驗材料與試驗方案

1.1 膨脹土

試驗所用膨脹土取自湖北宜昌小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建工程工地。取土深度為地表以下2 m左右,土體形成于第四紀更新世晚期，顏色為棕黃色及灰白色。土體水平裂隙發育,裂隙呈閉合狀,中間夾雜青色黏土,土體結構呈片狀。膨脹土的顆粒級配組成及基本物理性質如下:2～0.075 mm粗粒組質量分數為26.58%,0.075～0.005 mm中粒組質量分數為56.28%,小于0.005 mm細粒組質量分數為17.14%,自由膨脹率為43%,液限為70.53%,塑限為24.09%,塑性指數為46.44,屬于弱膨脹土。

1.2 膨脹土改良材料

試驗所用石灰等級為Ⅱ級,其中氧化鈣與氧化鎂質量分數大于80%。水泥為三峽牌普通硅酸鹽水泥,標號為32.5,標準稠度28%,安定性合格。粉煤灰取自宜昌某熱電廠,其中氧化鈣質量分數為8%,為F類Ⅰ級粉煤灰,級配良好。試驗用風化砂亦取自該工地現場，呈土黃色,粒徑較小但強度較高,顆粒級配曲線見圖1。風化砂的基本物理性質如下:天然含水率為11.54%,天然密度為1.65 g/cm3,液限為24.86%,塑限為16.16%,塑性指數為8.7,相對密度為2.46。

1.3 試驗方案

試驗參考JTGE 40—2007《公路土工試驗規程》和JTGE 51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行。試驗中風化砂的摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%[5-7];石灰、水泥的摻量分別為3%、4%、5%、6%、7%;粉煤灰的摻量分別為10%、12%、14%、16%、18%、20%。按照重型擊實標準,確定以上4種改良材料各摻量下的最大干密度。由試驗得出,這4種改良膨脹土最大干密度相差不大,集中在1.9 g/cm3左右,故試驗中所有試件均按干密度為1.9 g/cm3來制樣。采用靜壓法制樣,制樣時控制初始含水率w分別為8%、10%、12%、14%、16%[8-12]。

對于摻石灰、水泥或粉煤灰的試樣,在標準恒溫恒濕養護箱中養護7 d后進行直剪試驗;摻風化砂的試樣不需要養護處理,試樣成型后立即進行直剪試驗。試驗采用應變控制式直剪儀,控制剪切速率為0.8 mm/min。

表1 不同初始含水率和不同石灰摻量下改良膨脹土的內摩擦角

2 試驗結果及分析

2.1 初始含水率和石灰摻量對膨脹土抗剪強度指標的影響

不同初始含水率以及不同石灰摻量下改良膨脹土的內摩擦角如表1所示。由表1可以看出:①初始含水率和石灰摻量對膨脹土的內摩擦角有顯著的影響。當石灰摻量為5%、初始含水率為14%時,改良膨脹土內摩擦角達到最大值34.33 rad。②在相同初始含水率下,石灰改良膨脹土內摩擦角隨石灰摻量的增加先增大后減小,這是因為石灰中的鈣離子與膨脹土顆粒表面的陽離子發生交換作用,使得土顆粒之間的吸引力增強,顆粒間的摩擦效應明顯。再者,由于膠結作用,土體形成了具有較強黏結作用的膠凝物質如氫氧化鈣和強氧化鈣鋁,大幅度提高了顆粒間的黏結效果,故隨著石灰摻量的增加,改良膨脹土內摩擦角迅速增大。當石灰摻量繼續增大時,試件中的石灰含量過剩,膨脹土含量減小,從而導致內摩擦角又有所下降。③在相同石灰摻量下,隨著初始含水率的增加,改良膨脹土內摩擦角先增大后緩慢減小,產生這一現象的原因是石灰對膨脹土的沙化作用,土中沙粒增多,黏粒減少。隨著初始含水率的增大,石灰與膨脹土顆粒間的化學反應進行得更加徹底,形成的沙粒更多,導致內摩擦角逐漸增大,但當初始含水率過大時,過多的自由水在剪切過程中會起到一定的潤滑作用,從而引起內摩擦角降低。

不同初始含水率以及不同石灰摻量下改良膨脹土的黏聚力如表2所示。由表2可以得出:①初始含水率及石灰摻量對改良膨脹土的黏聚力影響很大。當石灰摻量為6%、初始含水率為14%時,黏聚力達到最大值292.57 kPa。②在相同初始含水率下,隨著石灰摻量的增加,黏聚力先增大后減小,這是因為摻入石灰后土體發生一系列的化學反應,生成膠凝物質,增大了顆粒間的黏結作用,黏聚力逐漸變大。當石灰摻量超過某一值時,石灰含量相對過剩,存在大量的游離石灰,使膨脹土黏粒相對減少,黏聚力又隨之下降。③在相同石灰摻量下,黏聚力隨著初始含水率的增加先增大后減小,產生這一現象的主要原因是石灰和膨脹土通過水的促進作用而發生化學反應,生成膠凝物質,增大了改良土體間的吸附力,當含水量超過某一值時,所加入的水分相對過剩,減小了改良土的黏聚力。

表2 不同初始含水率和不同石灰摻量下改良膨脹土的黏聚力

2.2 初始含水率和水泥摻量對膨脹土抗剪強度指標的影響

不同初始含水率及不同水泥摻量對改良膨脹土內摩擦角的影響如表3所示。由表3可以得出:①通過摻入適當比例的水泥以及控制初始含水率可以大幅度提高膨脹土的內摩擦角,當水泥摻量為7%、初始含水率為14%時,內摩擦角達到最大,為37.83 rad,較原狀土最大內摩擦角增大了94%。②在相同初始含水率下,隨著水泥摻量的增加,膨脹土內摩擦角逐漸增大，這是因為水泥水化反應形成了一系列的膠凝物質,促進了土顆粒的團粒化,從而提高了土顆粒間的黏結強度,使得內摩擦角逐漸增大。③在相同水泥摻量下,隨著初始含水率的增大,內摩擦角先增大后減小,變化幅度總體很小,即摻入水泥對改良膨脹土內摩擦角的提高作用并不顯著。

表3 不同初始含水率和不同水泥摻量下改良膨脹土的內摩擦角

不同初始含水率及不同水泥摻量對改良膨脹土黏聚力的影響如表4所示。由表4可以看出:①摻入水泥之后,膨脹土黏聚力有了大幅度的增長,當水泥摻量為7%、初始含水率為14%時,黏聚力達到最大值386.55kPa,較原狀土最大黏聚力增大了245%,可見摻水泥對膨脹土黏聚力的增大效果十分顯著。②在相同初始含水率下,隨著水泥摻量的增加,黏聚力逐漸增大,這是因為摻入水泥后,水泥與膨脹土顆粒相互作用,通過離子交換作用、絮凝反應以及團粒化反應,形成了水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣等膠凝物質,改進了土顆粒的吸水性能,使得土體內部形成了較為穩定的結晶網狀結構,提高了土顆粒間的黏結強度。但當水泥摻量超過5%后,黏聚力的增大速度變緩,繼續增大水泥摻量對黏聚力的提高效果不明顯，當初始含水率為16%、水泥摻量由6%增長至7%時,黏聚力反而下降了2.45 kPa。產生這一現象的原因是水泥摻量過大,致使水化反應需要大量的水,而制樣時初始含水率是一定的,這就導致了化學反應還未完全進行,而土體內部因含水率過低產生收縮開裂,使得膨脹土整體的黏聚力下降。③在相同水泥摻量下,隨著初始含水率的增大,膨脹土黏聚力快速增大后緩慢減小。產生這一現象的主要原因是隨著初始含水率的增加,水泥與土的水化作用更加完全,生成的大量膠凝物質增大了土體的黏聚力,當含水量超過某一值時,多余的水在分子之間形成水膜,減小了分子間引力從而降低了膨脹土的黏聚力。

表4 不同初始含水率和不同水泥摻量下改良膨脹土的黏聚力

2.3 初始含水率和粉煤灰摻量對膨脹土抗剪強度指標的影響

不同初始含水率以及不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的內摩擦角如表5所示。由表5可以得出:①摻粉煤灰可以提高膨脹土的內摩擦角,但是效果不如摻石灰、水泥顯著,最大內摩擦角出現在摻粉煤灰20%、初始含水率為14%時,比原狀土的最大內摩擦角增大52.43%。②在相同初始含水率下,隨著粉煤灰摻量的增大,內摩擦角先增大后快速減小而后又逐漸增大。這是因為類似石灰和水泥，粉煤灰與膨脹土發生離子交換、團粒化作用和膠凝作用,產生膠凝顆粒,同時使得土顆粒周圍的水膜厚度降低,因而內摩擦角逐漸增大。粉煤灰與膨脹土顆粒反應后生成的水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣含有大量表面光滑的玻璃微珠,當摻入過多粉煤灰時,過多的玻璃微珠在土顆粒間起到了一定的潤滑作用,造成內摩擦角快速減小。繼續增大粉煤灰摻量,化學反應所產生的膠凝物質大量增加,離子交換作用以及團粒化作用效果進一步增強,故導致內摩擦角又緩慢增長。③在相同粉煤灰摻量下,隨著初始含水率的增大,內摩擦角先增大后減小,這是因為初始含水率增大，促進了粉煤灰與膨脹土的化學反應,生成了膠凝物質,從而增大了內摩擦角,當含水率繼續增大時,過多游離的水在膨脹土周圍形成水膜,增大了潤滑作用,減小了內摩擦角。

表5 不同初始含水率和不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的內摩擦角

不同初始含水率以及不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的黏聚力如表6所示。由表6可以得出:①摻入粉煤灰之后,膨脹土黏聚力逐漸增大,但是增長幅度不明顯。當粉煤灰摻量為20%、初始含水率為14%時,黏聚力最大為152.48 kPa,較原狀土的最大黏聚力增長36.08%。②在相同初始含水率下,隨著粉煤灰摻量的增加,黏聚力逐漸增大,但是增長速度較慢,這是因為粉煤灰中含鈣量有限,導致水化反應所產生的水化物較少,因而膠結膨脹土顆粒的能力較弱,土顆粒團粒化程度不夠徹底,因而隨著粉煤灰的摻入,黏聚力增長速度較慢。③在相同粉煤灰摻量下,隨著初始含水率的增大,黏聚力先增大后減小,產生這一現象的原因是由于隨著初始含水率的增大,水化反應更加徹底,生成的膠凝產物增多,土粒間的黏結作用增強,故黏聚力逐漸增大。當初始含水率進一步增大時,土顆粒間自由水增多,使得顆粒間的黏結作用減弱,剪切時自由水也起到了一定的潤滑作用,因此黏聚力逐漸減小。

表6 不同初始含水率和不同粉煤灰摻量下改良膨脹土的黏聚力

表7 不同初始含水率和不同風化砂摻量下改良膨脹土的內摩擦角

2.4 初始含水率和風化砂摻量對膨脹土抗剪強度指標的影響

不同初始含水率以及不同風化砂摻量下改良膨脹土的內摩擦角如表7所示。由表7可以得出:①摻入風化砂之后,膨脹土的內摩擦角有明顯的提高,其最大內摩擦角出現在風化砂摻量為30%、初始含水率為10%時,較原狀土最大內摩擦角提高33.72%。②在相同初始含水率下,隨著風化砂摻量的增加,膨脹土內摩擦角先增大后減小,風化砂摻量在10%～20%時,內摩擦角增長幅度最大,當風化砂摻量超過20%后,內摩擦角增長速度變緩,甚至出現了減小的趨勢。產生這一現象的原因是,風化砂表面粗糙且具有較多的棱角,風化砂顆粒與膨脹土顆粒形成較大的土團粒,從而增大了土體整體摩阻力,當風化砂摻量過大時,土體黏性降低,顆粒間的黏結作用減弱,故內摩擦角逐漸減小。③在相同風化砂摻量下,隨著初始含水率的增大,內摩擦角先增加后急劇減小,從試驗數據上看,各摻量下膨脹土內摩擦角峰值所對應的初始含水率比各自對應的最佳含水率略小2%左右。當初始含水率超過這一峰值時,內摩擦角值急劇下降。這是由于風化砂改良膨脹土基本上屬于物理改良,所涉及的化學反應較少,因此化學反應所需的水量不多;當初始含水率過大時,土孔隙間自由水過多,且無法通過化學反應來消耗,導致土顆粒間的水膜變厚,顆粒間的摩擦作用減弱,因而內摩擦角急劇減小。

不同初始含水率以及不同風化砂摻量下改良膨脹土的黏聚力如表8所示。由表8可以得出:①摻風化砂無法提高膨脹土的黏聚力。在相同初始含水率下,隨著風化砂摻量的增加,黏聚力均大幅降低。這是因為風化砂基本上不具有黏性,摻入膨脹土之后,土體整體的黏性急劇下降。再者由于風化砂摻量過大,導致土體內部空隙增多,顆粒與顆粒間的擠壓嵌擠作用減弱,最終導致黏聚力急劇衰減。②當風化砂摻量一定時,可以通過控制初始含水率來提高膨脹土的黏聚力。每種摻砂量下,黏聚力峰值所對應的初始含水率接近各自最佳含水率。初始含水率超過這一界限含水率時,黏聚力快速減小，這是因為隨著初始含水率的增加,膨脹土顆粒所表現出來的黏性增強,黏聚力不斷提高,當初始含水率超過一定界限時,土顆粒空隙中的自由水增多,超孔隙水壓力不斷增大,致使顆粒間的黏聚力減弱。同時,由于膨脹土本身具有吸水軟化的性質,故當初始含水率過大時,土體穩定性降低,黏聚力急劇減小。

表8 不同初始含水率和不同風化砂摻量下改良膨脹土的黏聚力

3 結 論

a. 在膨脹土中摻入水泥、石灰和粉煤灰均能有效提高膨脹土的黏聚力,黏聚力提高幅度由大到小依次為水泥、石灰、粉煤灰,摻風化砂后會使原狀膨脹土的黏聚力顯著下降。

b. 在膨脹土中摻入水泥、石灰、粉煤灰和風化砂均能提高膨脹土的內摩擦角,其中摻水泥提高的幅度最大,其次是風化砂,摻石灰和粉煤灰對內摩擦角的提高作用并不十分明顯。

c. 在膨脹土中摻入水泥、石灰、粉煤灰和風化砂均能提高膨脹土的抗剪強度,且在標準直剪試驗加載條件下,抗剪強度提高幅度由大到小依次為水泥、石灰、粉煤灰、風化砂。

d. 水泥、石灰、粉煤灰、風化砂均可用于改良膨脹土,但摻石灰、水泥和粉煤灰時,拌和均勻較為困難,且污染環境。在有條件的情況下,可以考慮摻風化砂的改良方法,有利于節約成本,方便施工。

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