膨润土改性次生黄土的力学性能

2018-09-10张鹏杨瑞雪崔自治郄明颖康龙

人民黄河 2018年9期

张鹏杨瑞雪崔自治郄明颖康龙

摘要：针对宁夏次生黄土含砂率大、透水性强的特点，以次生黄土为研究对象，以饱和度、压实度、膨润土掺量、含砂率为因素，应用ZJ型电动直剪仪和GZQ-1型全自动气压固结仪，设计正交试验方案L，e （ 45 ），设置35%、55%、75%和95%等4个饱和度水平，0.86，0.90，0.94和0.98等4個压实度水平，0，1.5%，3.0%和4.5%等4个膨润土掺量水平，15%、20%、25%和30%等4个砂土含量水平，研究了膨润土改性次生黄土的强度和压缩性，分析了各因素的作用规律及显著性，给出了最优组合。结果表明：压实度对次生黄土力学性能的改善有利，且影响显著；膨润土掺量对黏聚力的影响显著，对摩擦角和压缩性的影响不显著；粗砂含量为25%时对压缩性最为不利。增大压实度是改善次生黄土力学性能的有效措施，掺加膨润土不会对其力学性能产生显著的不利影响。

关键词：膨润土；含砂率；力学性能；正交试验；次生黄土

中图分类号：TV16；TU502 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.033

宁夏回族自治区由腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙漠相围，南面与黄土高原相连，黄土分布广[1-3]。次生黄土具有含砂率大、自重湿陷性强、渗透性强等特点[4-5]，其上水利及建筑工程常因防渗失效而引起地基湿陷、冲蚀和潜蚀，最终导致建筑物沉降、开裂，造成不可挽回的损失[3]，因此加强黄土地基防渗是非常必要的。掺加膨润土可显著提高黄土的抗渗性能[6-7]，但次生黄土作为建筑地基除了满足防渗要求外，还应满足强度和变形要求。崔自治等[8-13]研究了膨润土改性黏土、黄土和砂土的渗透性，发现膨润土能明显降低土壤的渗透性，对砂土抗渗性能的改善尤为明显。陈开圣等[14-15]研究了压实度和饱和度对黄土压缩性的影响，得出压实度越大压缩变形系数越小，高含水量下，压实度对压缩变形影响显著。杨博等[16]应用柔性壁渗透仪研究膨润土改性黄土的渗透性，认为膨润土减小土体中大中孔隙的数量是减小渗透性的内在机理。赵天宇等[17]通过控制渗透时间、围压和渗透压力等条件得出试验初期试样的渗透系数在同一数量级上有较大波动，随着持续时间增长渗透系数趋于稳定，增大围压和渗透压力都可以引起改性黄土渗透系数在同一数量级上降低。窦远明等[18]采用R法和方差法分析得出膨润土掺量对黏聚力和内摩擦角有著著影响，对压缩模量影响极不显著。但综合考虑黄土含砂率和膨润土掺量对黄土力学性能的影响研究罕见报道。因此，本文研究含砂率和膨润土掺量对压实黄土力学性能的作用规律，为宁夏次生黄土地区工程建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄土取自宁夏同心，密度ρ=1.56g/cm3含水率w=12.2%，土粒相对密度ds=2.72，塑限wp=15.0%，液限w1=27.2%，塑性指数Ip=12.2，最大干密度ρdmax=1.72g/cm3，最优含水率wopt=16.0%，粒径主要为0.075～0.005mm的粉粒（占81.3%，见图1）。砂土为粗砂，取自银川市，含水率ω=1.2%，粒径分布见图2，主要为0.25～5mm的砂粒，占83.0%，大于0.5mm的颗粒含量为60.5%。

膨润土来自市场销售，主要化学成分为SiO2 ，Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O，以及少量的CaO、2O5和其他（见表1），主要矿物为蒙脱石，外比表面积59.1m2/g。

1.2 试验方案与试验方法

以压实度λc、饱和度Sr、含砂率s及膨润土掺量b为因素，设计正交试验方案L16（45），因素与水平列于表2，其中e为误差列。

将黄土、砂土风干，碾散，拌匀，测含水率。通过掺加砂土调节含砂率，按试验方案称取黄土、膨润土、砂土和纯净水，先将黄土、砂土和膨润土混合拌匀，再加纯净水拌匀。用压样器每组制备直径61.8mm、高20mm的试样8个用于强度指标测定，直径79.8mm、高20mm的试样2个用于压缩性指标测定。

依据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999），强度指标用ZJ型电动直剪仪采用快剪试验方法测定，设正应力分别为50、100、150、200 kPa，剪切速率为0.8mm/min。压缩系数用czQ-1型全自动气压固结仪采用侧限压缩方法测定，设固结压力分别为50、100、200、400kPa。

2 结果与分析

试验方案与结果列于表3，其中：c为黏聚力，φ为内摩擦角，α为压缩系数。由表3可知，黏聚力的变化幅度很大，达53.7kPa，内摩擦角的变化幅度较小，仅4.3°左右。

2.1 直观分析

按正交试验分析理论得出的各因素作用效应的趋势见图3，极差见图4。

由图3可见，黏聚力随压实度和膨润土掺量的提高非线性增大，随饱和度和含砂率的增大近似线性减小。黏聚力的微观本质是氢键[17]，压实度增大，土粒间的接触面增加，距离减小，氢键增强；饱和度增大，水分增多，水与土粒作用使氢键产生组合弱化效应[13]。膨润土具有胶结和离子交换效应，掺量增加，胶结力增强，黏聚力增大；砂粒不具黏结性，故含砂率增大，黏聚力降低。

内摩擦角随压实度的增大呈非线性增大，随含砂率的增大近似线性增大，随饱和度的增大和膨润土掺量的增加近似线性减小。压实度增大，颗粒间的相互嵌入增多，咬合力增大，其次土粒表面结合水膜变薄，润滑作用减小，内摩擦角增大。饱和度增大，一是土粒的结合水膜增厚，润滑效应增强，二是界面张力减小，有效应力降低，内摩擦角减小。膨润土与水形成抗剪性能很低的“塑性润滑剂”，故膨润土掺量增加，内摩擦角降低。砂粒粗，表面粗糙，摩擦阻力大，嵌固效应好，故含砂率增大，内摩擦角增大。

压缩系数随压实度的增大非线性减小，随饱和度的增大和膨润土掺量的增加非线性增大，随含砂率的增大呈先增大后减小的抛物线趋势，砂土掺量约25%时达到最大。饱和度增大，土的强度降低，土粒易于错动，压缩性增大。膨润土颗粒细，且吸收的水在压力作用下会被挤出，故其掺量增加，土的压缩性增大。含砂率较小时，因黏聚力随含砂率的增大减小较快，综合强度降低，且起不到骨架作用，压缩性增大；含砂率达到某一值后，黏聚力随含砂率的增大减小较慢，综合强度提高，且骨架作用渐显，压缩性减小，因此压缩系数与含砂率呈抛物线关系。

由图4可见，各因素对黏聚力、内摩擦角和压缩系数影响的主次顺序有所不同。影响黏聚力和内摩擦角的主次顺序为压实度、饱和度、膨润土掺量、含砂率。影响压缩系数的主次顺序为压实度、饱和度、含砂率、膨润土掺量。

2.2 方差分析

方差分析結果列于表4。由表4可见，各因素对黏聚力的影响最大，对内摩擦角的影响最小。各因素对力学指标影响的显著性，以压实度最高，其次是饱和度，含砂率最小；对压缩系数影响的显著性顺序稍有变化，以膨润土掺量影响的显著性最小。增大压实度是提高次生黄土强度、降低压缩性的有效措施。掺加膨润土对次生黄土的黏聚力提高有利，对提高内摩擦角和减小压缩性不利，但影响不显著。可见掺加膨润土以提高次生黄土的抗渗性，不会对其力学性能产生显著的不利影响。

2.3 最优组合

最优组合应综合考虑工程要求、效应趋势、方差分析结果和经济性等。压实系数增大对次生黄土的强度提高和压缩性减小有利，且影响显著，故越大越好，但过大不经济，依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004），压实黄土垫层小于或等于3m的部分，压实系数不应小于0.95，大于3m的部分不应小于0.97，可见压实系数以0.95或0.97最佳。饱和度增大对次生黄土的强度提高和压缩性减小不利，且影响较大，应越小越好。但为保证施工要求的压实度，土料应有一定的含水率，即最优含水率，施工时饱和度应选择最优含水率对应的饱和度。试验用次生黄土的最优含水率为16.0%，与压实系数0.95/0.97对应的饱和度为65.5%/69.0%。使用过程中应采取防渗和排水措施，防止饱和度过度增大。掺加膨润土的主要目的是提高次生黄土的抗渗性，且不会对力学性能产生显著的不利影响，膨润土掺量应在满足抗渗性要求的条件下，尽量少掺，以降低成本。含砂率对黄土力学性能的影响不大，可不予处理，以节省成本。

3 结论

（1）压实度对黄土力学性能的改善有利，且影响最显著，增大压实度是改善次生黄土力学性能的有效措施。

（2）掺加膨润土以提高次生黄土的抗渗性，不会对其力学性能产生显著的不利影响。

（3）次生黄土的粗砂含量为25%时对压缩性最为不利，但影响的显著性一般，为节省成本，可不予处理。

参考文献：

[1]郑广芬，陈晓光，赵光平，等.宁夏冬季气温的变化及同期500hPa环流特征量的变化特征[J].干旱区地理，2006，29（1）：59-64.

[2]崔自治，周伟红，潘鹏，等.宁夏同心重塑黄土的触变特性[J].水力发电学报，2016，35（6）：111-117.

[3]万清琦，崔自治，杨宁宁，等.压实水泥湿陷性黄土的力学特性[J].南水北调与水利科技，2016，14（1）：119-123.

[4]郭爱国，孔令伟，陈建斌，等.孔压静力触探用于含浅层生物气砂土工程特性的试验研究[J].岩土力学，2007，28（8）：1539-1543.

[5]孟祥连，夏万云，周福军，等.银西高铁董志源地区黄土工程特性分析研究[J].铁道工程学报，2016（12）：24-28.

[6]周春生，史海滨，于健.冻融作用对膨润土防渗毯防渗特性的影响[J].农业工程学报，2012，28（5）：95-100.

[7]张虎元，赵天宇，吴军荣，等.膨润土改性黄土衬里防渗性能室内测试与预测[J].岩土力学，2011，32（7）：1963-1969.