補水條件下膨潤土改性黃土的一維凍融效應研究

閆 壘 石爽爽

（黃河交通學院，河南 焦作 454000）

0 引言

有關(guān)凍融對土壤結(jié)構(gòu)、水分運動、地表沉降等的影響，國外進行了大量的研究，并獲得了相應的研究成果。凍融會使緊密土壤的結(jié)構(gòu)性減弱[1]，會使松散土的結(jié)構(gòu)性強化[2]；凍融會使大、中孔隙含量逐漸增多，小孔隙含量減少，而微孔隙含量基本保持不變，孔隙分布隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定[3,4]。早在21 世紀初，用膨潤土改性土作為防滲透材料的構(gòu)想就引起了國內(nèi)外眾多專家學者的關(guān)注。許多學者在這個問題上做了大量的實驗研究，也取得了很多有益的研究成果：凍融通過改變土的結(jié)構(gòu)、密實度和含水率的大小與分布，進而影響土凍融后的力學性能；多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)土凍融后抗剪強度降低[5]，少數(shù)發(fā)現(xiàn)抗剪強度增加[6]或變化不大[7]；凍融循環(huán)具有強化和弱化不同干密度土壤的雙重作用，凍融對臨界干密度影響不大。在土體抗?jié)B性方面，膨潤土在我國工程中得到廣泛應用。國內(nèi)很多工程中用作防滲層的材料主要有黃土摻膨潤土、膨潤土、黃土、復合土、砂摻膨潤土[8]。崔自治等對膨潤土與粘性土復合改善砂土抗?jié)B性進行了試驗研究，結(jié)果表明，膨潤土與黏性土復合能顯著地降低砂土的滲透性[9]；郄穎等通過研究膨潤土改性黃土的強度特性得出適量摻入膨潤土可對黃土的黏聚力有明顯改善[10-12]。

盡管相關(guān)的研究成果較多，但對補水條件下膨潤土改性黃土的一維凍融效應的研究卻很少?；诖?，本文對在補水條件下添加不同含量膨潤土的黃土展開凍融試驗，并對試驗結(jié)果進行分析，以供相關(guān)研究人員參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料主要為黃土和膨潤土,嚴格按照《土工試驗規(guī)程》測定黃土的物理力學參數(shù)，如含水率、干重度、液限、塑限、最大干密度、最優(yōu)含水率等。其中，黃土的物理力學參數(shù)如表1 所示；黃土的化學成分如表2 所示；膨潤土的主要化學成分如表3 所示；黃土的粒徑分布如圖1所示。

表1 黃土的物理力學參數(shù)分析表

表2 黃土的化學成分分析表

表3 膨潤土的化學成分分析表

圖1 黃土的粒徑分布圖

1.2 試驗分組

為了研究添加不同含量膨潤土的改性黃土凍脹融沉特性，共設(shè)計了6組試驗樣品。第一組為對比試驗樣品，該組樣品不添加膨潤土；其他五組試驗樣品都添加了膨潤土，從第二組到第六組試驗樣品，每組添加膨潤土的含量從1%到5%。六組試驗樣品在試驗過程中的含水量都控制在25%。具體試驗樣品分組情況如表4所示。

表4 試驗分組情況

1.3 試驗方法

為探究非飽和膨潤土改性黃土有限補水條件下的一維凍脹融沉特性，采用定飽和度補水法來保證凍融前后試樣的飽和度一致。一個凍融循環(huán)為72h，其中凍24h，融24h，補水后靜置保養(yǎng)24h。凍結(jié)溫度依據(jù)當?shù)亟y(tǒng)計的歷年平均極端溫度（-10℃），融化溫度取室溫（20℃）。用千分表測量凍融后樣品頂面的凍融變形，分別計算凍脹率和融沉系數(shù),計算公式如式（1）和式（2）所示。每次凍融循環(huán)后的補水量按體積計算，多次均勻補充少量水，直到凍融循環(huán)凍結(jié)變形穩(wěn)定為止。

式中：η——凍脹率，%；

Δhf——試樣的凍脹量，mm；

h0——試樣初始高度，mm。

式中：δ——融沉系數(shù)，%；

Δht——試樣的融沉量，mm；

h0——試樣初始高度，mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

表5 展示的是不同組別試樣不同周期凍融循環(huán)效應測試結(jié)果，在有限補水條件下，試樣凍融循環(huán)5 次后逐漸趨于穩(wěn)定，12次以后基本上不再有大的變化。

2.2 結(jié)果分析

由表5 可知，各組試樣的凍脹量均大于融沉量，試樣總體呈現(xiàn)出凍結(jié)膨脹，融化下沉，凍融后試樣體積增大的現(xiàn)象。凍脹系數(shù)和融沉系數(shù)多為正值，含水率越大，凍脹越明顯。隨著凍脹循環(huán)次數(shù)的增加，凍脹現(xiàn)象減弱并逐漸穩(wěn)定。凍融循環(huán)5 次前樣品的變化較大，5次凍融循環(huán)后試驗樣品的變化基本穩(wěn)定；凍脹率逐漸增大是由于凍融過程中水的遷移變化所致[13]。土壤的成分很復雜，包括固體土壤顆粒和可溶性鹽分、液態(tài)水和氣態(tài)空氣。在冷凍過程中，水和部分可溶性鹽類引起晶體膨脹，土壤顆粒和空氣的體積收縮。在融化過程中，各種物質(zhì)體積變化是相反的。凍融過后土壤體積的增減與土壤組成和孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在低飽和度下，結(jié)凍過程中水的自由膨脹空間增加，導致土壤膨脹空間減少。

表5 凍脹率與融沉系數(shù)結(jié)果

經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膨潤土含量低的樣品凍脹率較大，凍融循環(huán)的效果更加明顯。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著膨潤土含量的增加，樣品的凍脹結(jié)果呈非線性下降趨勢。膨潤土摻量越少的試樣其凍效應越明顯。同時，隨著膨潤土含量的增加，樣品的凍脹率略有下降。在凍融循環(huán)期間，膨潤土含量的增加可能會降低土壤的凍脹效應。根據(jù)表5 可以得出，試樣的融沉系數(shù)隨著膨潤土含量的增加而降低。在5 次凍融循環(huán)后融沉系數(shù)變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

土壤飽和度是指孔隙中水的體積與孔隙體積之比。土體中水量越多，經(jīng)過凍結(jié)過程水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)體積增大，從而需要的孔隙體積也越大，膨潤土膨脹并具有良好的水合作用。通過添加膨潤土，適當減少土壤中的游離水量，減少凍脹量，降低凍脹作用。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，高含量膨潤土會抑制水運動并減少凍融變形。當溫度下降時，土壤中的水變成冰晶，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使土壤結(jié)冰。

土體的初始孔隙比和界限孔隙比可以決定凍脹融沉或凍縮的程度。界限孔隙比是指土中水結(jié)晶成冰時，土顆粒間空隙體積與土中水分冰晶化后的體積相等，則土體不會凍縮或凍脹。若初始孔隙比小于界限孔隙比，則土體產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，即土體孔隙比逐漸增大至界限孔隙比。反之則產(chǎn)生凍縮現(xiàn)象。綜上可知，土體的周期凍融最后體積穩(wěn)定的過程是其初始孔隙比逐漸趨向界限孔隙比的過程。界限孔隙比主要由其飽和度決定，當有限補水（飽和度不變），膨潤土摻量越大，其吸水膨脹會加大土顆粒間的有效應力，造成含水率、孔隙比和自由水含量較小，促使其無法形成較大的冰晶，其凍脹量較小，試樣的初始孔隙比難以破壞，因此，試驗中樣品在第5 次凍融循環(huán)前，其凍脹率與膨潤土摻量成反相關(guān)關(guān)系。在飽和度不變的情況下，在周期凍融循環(huán)中，試樣的體積逐漸變大，含水率逐漸上升。此時，在土體的孔隙比趨向于界限孔隙比的過程中，土中水分的冰晶化所需要的孔隙越大，凍脹率越大，土體變得疏松，土體抵抗凍融變形的能力逐漸減小，凍脹率隨膨潤土摻量的增大而減小。

由于土粒相互緊密接觸，試樣的自重較小產(chǎn)生的壓縮性小，因此融化沉降量小。不含膨潤土的黃土飽和度越高，試樣的凍脹越高。摻入膨潤土后，膨潤土相應的吸收黃土中的水分，從而黃土中的水分減小，凍脹率相應的比未摻入膨潤土的試樣低。隨著試樣融化，冰的結(jié)晶水分子轉(zhuǎn)化為自由水，體積減小，樣品孔隙率增加，飽和度降低，土樣變得松散。摻入相應含量膨潤土的樣品，膨潤土在土壤融化后吸收水分并膨脹。這將在一定程度上減少土壤中的游離水量，降低土壤的孔隙率，有效減少土壤的融化和沉降。

3 結(jié)束語

綜上所述，添加膨潤土改性的黃土，經(jīng)過數(shù)次凍融循環(huán)后，不同膨潤土摻量的黃土凍融效應不同，總體表現(xiàn)為隨著膨潤土摻量的增加，土的凍脹效應有所減弱，土的凍脹大小與否與土的界限空隙比有關(guān)，凍脹效應在五次凍融循環(huán)之前變化較明顯，五次凍融循環(huán)之后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；另外，膨潤土改性黃土的融沉系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨著膨潤土摻量的增加，融沉系數(shù)有相應的減小趨勢，可用于預測非飽和有限補水條件下膨潤土改性黃土的凍融變形。