贝壳改良膨胀土的抗剪强度试验研究

许长辉，孙树林

贝壳改良膨胀土的抗剪强度试验研究

许长辉1，孙树林2

（1.浙江省地矿勘察院，浙江 杭州 310012；2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100）

针对膨胀土遇水膨胀失水收缩的问题，将贝壳碾碎添加到膨胀土中，通过系统的室内抗剪强度试验，探讨贝壳改良膨胀土的强度变化规律。试验结果表明：掺入贝壳能够有效提高膨胀土的抗剪强度，随着贝壳掺量的提高，抗剪强度先增大后减小，12%贝壳掺量时，改良土的抗剪强度达到最大。

贝壳；改良膨胀土；抗剪强度

膨胀土一直是公路工程中一个严峻的问题，这是由于膨胀土遇水膨胀、失水收缩的特点容易给工程活动带来危害，因此必须要对膨胀土进行处理才能达到工程上的要求。近年来，利用固体废弃物改良膨胀土成为改良膨胀土的研究热点[1-6]。黄震[7]等对掺不同比例的石灰、风化砂改良膨胀土的胀缩裂隙与抗剪强度关系进行了研究，认为石灰和风化砂能限制裂隙的发育，并且抗剪强度随着干湿循环次数增加而衰减。邓友生[8]等将聚丙烯纤维加入膨胀土中，发现膨胀土强度随着聚丙烯纤维含量的增加而增大，并且强度随着纤维长度而增大。不同的改良材料有着各自的优缺点，选择固废改良膨胀土能使固废材料得到有效利用并改善环境，具有显著的经济效益和环境效益。本文提出利用贝壳改良膨胀土，既缓解了沿海地区贝壳大量堆积引发的环境污染问题，也为改良膨胀土工程性质提供一种可以借鉴的方法。

1 试验材料

本文土样取自南京工程学院校区内湖边湿地，取土深度2～3 m，属于第四纪中更新世冲击、洪积土层。将土样风干后用木槌敲碎，土样呈黄褐色，为粉质粘土，其中夹杂一些高岭土团块、锰铁质结核和少量植物根茎，无异味，颗粒大小较为均匀。土样的具体物理参数如表1所示。

贝壳的种类非常多，而且形态各异，颜色不同，但是贝壳类的化学组成相似，它们主要有占全壳95%的碳酸钙和少量的贝壳素[9]。CaCO3固体颗粒是一种非常坚硬的固体颗粒，并且具有较高的强度和水稳定性。由于CaCO3固体颗粒对土体的胶结作用使得土体加固，形成石灰稳定土。因此本次试验可以将贝壳碾碎，添加到膨胀土中来改良膨胀土的物理力学性质。本次试验所用贝壳来自饭店客人食用后丢弃的花甲壳，将其洗净风干后碾碎并烘干便可作为试验的改良材料。

表1 试验土样的基本物理参数Tab.1 The basic physical parameters of test soil samples

表2 素土及贝壳改良膨胀土的抗剪强度Tab. 2 Shear strength of pure soil and soil improved with shell

2 试验内容

试验参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行。试验前将土样都风干碾碎过2 mm的筛子，贝壳烘干碾碎后过2 mm的筛子，按照设计的掺量，分别称取贝壳和土比为0:100、4:96、8:92、12:88、16:84，按照最优含水率加水拌合均匀，闷料一昼夜。用击样器制备成剪切用试样，试样的高度为20 mm，直径为61.8 mm，放在养护箱中养护一昼夜。

本次直剪试验采用应变控制式直剪仪测定试样的抗剪强度，分别施加垂直荷载100、200、300、400 kPa。剪切开始时，以0.8 mm/min的剪切速度进行剪切，当百分表出现峰值时，应在剪切位移超过4 mm时停止剪切，记录下破坏值。没有峰值时，应剪切至剪切位移为6 mm时停止剪切。每个试样都做两组平行试验，取平均值为最终结果。

3 试验结果

本次直剪试验的结果见表2，图1是试样的τ-σ关系曲线图。对曲线图中的直线进行拟合，所得拟合方程见公式(1)—(5)。

图1 不同贝壳掺量改良膨胀土的τ-σ关系曲线Fig.1 The τ-σ curve of expansive soil improved by different shell contents

从图1中可以看出掺入贝壳后，膨胀土样的抗剪强度明显提高，其中当贝壳掺量达到12%时，改良膨胀土的粘聚力和内摩擦角到达到了最大107.17 kPa和23.20°，相比于素土的69.77 kPa和21.74°，分别提高了53.50%和6.72%。

各直线相关系数R均大于0.8，可认为拟合程度较好，整理得到不同贝壳掺量下的试样抗剪强度指标如表3所示。

以上结果表明，掺入贝壳后能有效提高膨胀土的抗剪强度指标，并且在12%掺量时，土样的抗剪强度指标提高幅度最大，继续掺加贝壳，抗剪强度增幅不大。

表3 不同贝壳掺量改良膨胀土的抗剪强度指标Tab.3 The shear strength of expansive soil improved by different shell contents

3.1 贝壳掺量对粘聚力的影响

从图2中可以看出，随着贝壳掺量的增加，试样的粘聚力也不断增加，但16%贝壳掺量时粘聚力没有继续增大。最大的粘聚力出现在贝壳掺量为12%的试样上，比素土的69.77 kPa提高了53.50%。这表明掺入贝壳能够有效提高膨胀土的粘聚力。这是因为掺入贝壳后，贝壳颗粒与土体颗粒胶结在一起，改变了土体的结构性，当土体被剪切，贝壳颗粒与土体颗粒产生了拉应力，即提高了颗粒间的引力，使土体的粘聚力变大，从而阻止土体的剪切破坏。贝壳颗粒较少时，土体颗粒能与贝壳颗粒较好的胶结在一起，当贝壳掺量达到16%时，贝壳颗粒过多，颗粒之间互有重叠，反而形成了薄弱面，对土体颗粒之间形成了隔离作用，破坏了土体的结构性，使得土体颗粒间的引力降低，因此粘聚力没有继续增大。

图2 粘聚力与贝壳掺量的关系Fig.2 The relationship between cohesion and volume of shell

图3 内摩擦角与贝壳掺量的关系Fig.3 The relationship between internal friction angle and volume of shell

3.2 贝壳掺量对内摩擦角的影响

土体的内摩擦角φ反映了土体的摩擦特性，提供了土体的摩擦强度，摩擦强度分为咬合摩擦和滑动摩擦，两者共同概化为摩擦角。土体颗粒交错排列使得土体遭受剪切作用时，剪应力迫使土体颗粒抬起越过相邻颗粒，这时所消耗的剪应力即为土体的摩擦强度。

由图3可以看出素土的内摩擦角为21.74°，随着贝壳掺量的增加，内摩擦角先增大后减小，当贝壳掺量达到12%，内摩擦角达到最大值25.80°，由此证明贝壳的加入可以提高膨胀土的摩擦强度。这是因为贝壳掺入土体后，贝壳颗粒与土体颗粒胶结在一起，使得土体受剪切时土体颗粒要越过贝壳颗粒时比原先所受的阻力更大，土体的咬合摩擦力增加，即内摩擦角变大。当贝壳逐渐增多时，贝壳颗粒之间互有重叠，不能与土体颗粒很好的胶结，使得土体变得松散，提高了孔隙比，孔隙增多为土体颗粒的移动提供了便捷通道，使得土体受剪应力作用时土体颗粒移动所受阻力减小，咬合摩擦力变小，即内摩擦角变小。

4 结论

1）掺入贝壳能够有效提高膨胀土的抗剪强度，随着贝壳掺量的提高，抗剪强度先增大后减小，12%贝壳掺量时，改良土的抗剪强度达到最大。

2）掺入贝壳能有效提高改良土的粘聚力，在12%贝壳掺量的时候，粘聚力最大。

3）掺入贝壳后，改良土的内摩擦角有所增大，但是增加的幅度不大，在12%贝壳掺量时达到最大。

[1]孙树林，郑青海，唐 俊，等.碱渣改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力学，2012，33(6)：1608-1612.

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Study of shear strength test on expansive soil improved by shell

XU Changhui1，SUN Shulin2
(1.Geological Exploration Bureau of Zhejiang Province,Hangzhou 310012,China; 2.College of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

According to the characteristics of the expansive soil which are the expansion of soil meets water and shrinkage of soil loses water, the strength change law of shell modified expansive soil was studied by crushing the shells and adding them to the swelling soil through the scientific indoor shear strength test.The test results show that adding shells can effectively improve the shear strength of expansive soil. With the increase of the shell content, the shear strength increases first and then decreases, and the shear strength of the improved soil reaches the maximum when the amount of the shells is 12% .

Shell; Modified expansive soil; Shear strength

TU43

A

1673-9469（2017）03-0038-03

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.008

2017-06-13

国家重点实验室开放研究基金项目（2005408911）；留学回国人员科研基金项目资助（20071108）

许长辉（1990-），男，福建莆田人，硕士，助理工程师，现从事地质工程技术方面的研究。