黔北紅黏土力學性能改良的試驗研究

劉 勇 廖 燕 朱俊卿 羅全銳

（遵義職業(yè)技術(shù)學院，貴州 遵義 563000）

0 引言

紅黏土在我國分布廣泛，以貴州、云南和廣西最為典型，總出露面積大約20萬km2。黔北地區(qū)巖溶地貌發(fā)育，紅黏土分布廣泛，具有高液限、高塑性、高孔隙性等特點，但具有遇水膨脹、失水收縮等不良特性，對黔北地區(qū)工程項目的安全施工及后期運營都有較大危害。隨著國家新型城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代旅游業(yè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大力推進，黔北經(jīng)濟將迎來前所未有的大發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入也將進一步加大，將會不可避免地遇到紅黏土地質(zhì)環(huán)境，故研究紅黏土物理力學性質(zhì)與改良對土木工程建設(shè)尤為重要，紅黏土本身性質(zhì)無法改變，如何改良就成為學術(shù)界和工程界所面臨的重要問題。

我國紅黏土的工程地質(zhì)研究已有50多年的歷史。不少文獻對紅黏土的工程特性作了很好的概括。20世紀80年代以來，一些學者開始研究紅黏土的物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)及其與工程特性的關(guān)系，取得了一批很有意義的成果[1]。到目前為止，國內(nèi)外已有較多關(guān)于紅黏土成因、微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分、物理力學指標、影響因素等方面的研究：如針對紅黏土的物質(zhì)組成和微結(jié)構(gòu)特征，提出了紅黏土微結(jié)構(gòu)的概化模型[1]；符必昌等學者在對紅土地區(qū)進行大量的勘察及現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，提出了紅土化作用[2]；李光耀等學者從貴州不同地區(qū)氣溫、地形地貌及母巖成分差異性的角度對紅黏土基本性質(zhì)影響進行了分析研究，提出了貴州中東部地區(qū)紅黏土工程性質(zhì)較好，西部地區(qū)工程性質(zhì)較差的結(jié)論[3]；呂海波等基于X射線衍射試驗、全化學元素分析、Bogue法和K值法，對廣西武鳴、桂林兩地紅黏土的礦物成分進行了定性鑒定和定量分析研究[4]；李向東等對云南蒙自紅黏土的含水率、壓實度與CBR、密實度、膨脹量、回彈模量的關(guān)系進行分析[5]；還有些學者從工程性狀下對紅黏土的干濕循環(huán)，以及干濕循環(huán)作用下紅黏土的抗剪強度、濕化特性、脹縮變形特性及力學性質(zhì)等方面進行大量研究[6-11]。

目前，國內(nèi)外通過對紅黏土場地的加固和成分的改良處理也有一定的實踐，主要從以下幾個方面進行改良研究：雷鑫學者通過水泥改良、石灰改良、固化劑改良3種方案，分析改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度，判別不同改良方案的水穩(wěn)性[12]；鄧宇等學者通過間隔雙排樁及錨桿使用在紅黏土場地項目的加固應(yīng)用；還有些學者從木纖維加筋、玄武巖短切纖維(BCF)、聚氨酯材料W-OH、石灰、水泥等方面對紅黏土組份進行改良的研究，也取得了一定的研究成果。

根據(jù)黔北地區(qū)紅黏土的物理力學性質(zhì)，以仁懷、習水、正安等地的紅黏土為例，通過加入一定比例的水泥、石灰及竹纖維等物質(zhì)來改良紅黏土的不良工程性質(zhì)，通過分析改良后的紅黏土物理力學性質(zhì)，判斷改良方式的可行性。本方法既能將黔北地區(qū)竹產(chǎn)業(yè)有效地應(yīng)用到紅黏土場地的改良上，又能達到綠色節(jié)能環(huán)保的效果。

1 試驗方案

1.1 天然土樣采集

本試驗所用的紅黏土取自仁懷市茅臺鎮(zhèn)某施工現(xiàn)場，天然紅黏土結(jié)構(gòu)密實，呈紅棕色。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）和《土工試驗方法標準》（GB/T50123—1999）取得試驗土樣的基本物理性質(zhì)指標，如表1所示。

表1 原狀紅黏土物理性質(zhì)指標

1.2 竹纖維制備

試驗采用5年以上的成熟竹子制備竹纖維，竹纖維是一種有機絮狀纖維物質(zhì)。將竹纖維混合后可形成一個三維空間網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)，均勻度、穩(wěn)定性、分散性及柔韌性較好，是一種新型環(huán)保材料。試驗中竹纖維樣品相關(guān)物理性質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 竹纖維物理性質(zhì)指標

1.3 試驗方法

在取土場地，利用五點法取土樣150kg，將土樣均勻攪拌后分為3份，每份50kg，裝進塑料袋密封，貼上標簽帶回實驗室，利用3種不同的改性方法制備試驗樣品，加入水泥竹纖維（體積比1∶1）、石灰竹纖維（體積比1∶1）、水泥石灰竹纖維（體積比1∶1∶1），分別對應(yīng)的試驗樣品名稱為CBC類土、LBC類土、CLBC類土，同條件養(yǎng)護14d，對這三種改良土體進行抗剪強度、無側(cè)限抗壓強度和自由膨脹試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 三種不同改良方式的紅黏土的物理力學性質(zhì)

1.3.1 直剪試驗

取CBC、LBC、CLBC三類土按照5種不同摻入比進行改良紅黏土，每種試樣不少于5個，分別進行直接剪切的快剪試驗，儀器選用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，剪切速率0.8mm/min，剪切位移量4mm。具體實驗步驟：選用高20mm、直徑為61.8mm的環(huán)刀，嚴格按照《土工試驗方法標準》進行改良紅黏土的取樣，直剪儀的垂直加載壓力分別為50kPa、100kPa、200kPa、300kPa和400kPa。采用快剪試驗進行土體抗剪強度指標c、φ值的測定，結(jié)果見表3。

1.3.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

取樣方式與直剪試驗一致，對土樣分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗，儀器選用YYW-1型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀，測力計率定系數(shù)為1.673kPa/0.01mm。試驗步驟如下：選用高80mm、內(nèi)徑39.1mm的土模型，墊好試紙，將改良好的土樣按規(guī)范放入無側(cè)限壓縮儀工作區(qū)，調(diào)好秒表，勻速搖動手柄，拍攝視頻記錄試樣的變化情況，及時記錄數(shù)據(jù)。無側(cè)限抗壓強度值見表3。

1.3.3 自由膨脹率試驗

本次試驗分別取3種改良土樣進行試驗，按現(xiàn)行國標《土工試驗方法標準》的要求進行自由膨脹率試驗，每種土樣制備兩組進行平行測定，取其平均值；同時保證含水率與直接剪切試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗時含水率一致，自由膨脹率測試結(jié)果見表3。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 直剪試驗數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)直接剪切試驗數(shù)據(jù)表3分析，三種改良紅黏土含水率一定時，同種改良方法不同摻入量與土體抗剪強度c、φ的關(guān)系，見圖1、圖2。

圖1 摻入量與改良土黏聚力的關(guān)系

圖2 摻入量與土內(nèi)摩擦角的關(guān)系

由圖1、圖2可知，改良紅黏土的黏聚力c隨摻入比的增加而增大，從1%～9%增加比較顯著，當摻入量超過9%后，隨摻入量的增加黏聚力增量變緩；改良紅黏土的內(nèi)摩擦角φ隨摻入量的增加而增大，其中在1%～9%范圍內(nèi)增加比較明顯，摻入量超過9%后內(nèi)摩擦角增量變緩；同時摻入量對黏聚力的影響比內(nèi)摩擦角影響更顯著。同摻入量下CLBC類改良土抗剪強度指標最大，LBC類改良土最小。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)無側(cè)限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)表3分析，其他條件相同的情況下，改良方法不同摻入量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，見圖3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)和圖3的分析，三種改良方法都能提高紅黏土的無側(cè)限抗壓強度，其中摻入量在1%～9%無側(cè)限抗壓強度增量顯著，超過9%后其增量變緩；同摻入量下CLBC類改良土無側(cè)限抗壓強度最大，LBC類改良土最小。

圖3 摻入量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

2.3 自由膨脹率試驗數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)自由膨脹率試驗數(shù)據(jù)和圖4分析，其他條件相同的情況下，隨摻入量的增加LBC類改良土的自由膨脹率有增大的趨勢，而CBC和CLBC類改良土自由膨脹率逐漸減小；相同情況下，CBC類改良土自由膨脹率減小更顯著，可見石灰對紅黏土自由膨脹率影響顯著。

圖4 摻入量與土自由膨脹率的關(guān)系

3 結(jié)束語

通過對3種改良方法不同摻入量下紅黏土的抗剪強度、無側(cè)限抗壓強度和自由膨脹率進行試驗分析，得出以下結(jié)論：

（1）CBC類、LBC類和CLBC類3種改良紅黏土，隨著摻入量的增加，其抗剪強度指標均逐漸增大，CLBC類改良紅黏土增量最大，抗剪強度指標中摻入量對土的黏聚力影響更顯著，當摻入量超過9%時，增幅變緩。

（2）3類改良紅黏土，隨摻入量的增加，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度顯著增大，CLBC類改良紅黏土增量最大，當摻入量超過9%時，無側(cè)限抗壓強度增幅變緩。

（3）通過3類改良方式的自由膨脹率分析發(fā)現(xiàn)，摻入石灰竹纖維（LBC類）的紅黏土自由膨脹率隨摻入量的增加而增大，而CBC類和CLBC類的自由膨脹率隨摻入量增加而減小，未加石灰的CBC類改良土自由膨脹率減小顯著；可見，石灰對紅黏土自由膨脹率影響顯著。

綜上所述，在不考慮自由膨脹率的前提下，CBC類、LBC類和CLBC類3種改良方法對提高紅黏土的物理力學性能有較大幫助，其中CLBC類改良效果最佳，摻入量控制在9%左右比較合理。