干湿和冻融作用下改良后膨胀土力学性能研究分析

2021-11-04樊继文朱玥莹李佳欣高理想王殷才

海峡科技与产业 2021年5期

樊继文朱玥莹李佳欣王宇高理想王殷才龚升

南京工程学院，江苏南京 210000

膨胀土是指内部含有较多亲水性粘土的矿物质。膨胀土吸收水分会发生膨胀并且软化，失去水分后会发生收缩继而开裂。膨胀土成因多以沉积、坡积、冲积、湖积等为主。膨胀土的颜色多为黄色，内部含有矿物质成分以蒙脱石、伊利石为主。在干燥时其强度较高，吸水或经多次膨胀收缩后强度迅速降低。当天然含水率较高时，浸水后的膨胀土膨胀量和膨胀力都比较小，而失水后的膨胀土收缩量与收缩力都会增大。在我国膨胀土分布广泛，其主要分布在平原，盆地以及河间地块。

1 膨胀土的改良方法

当施工建筑区域下含有膨胀土时，由于膨胀土具有这种遇水膨胀、失水收缩的特性，极大可能会对建筑物造成极其严重的危害与损坏，故应当首先考虑对膨胀土的改良，以此降低膨胀土的膨胀性对工程安全性的影响。

1.1 物理方法

当建筑工程量较小或建筑下方覆盖的膨胀土较少时，一般会选取换填法。用符合要求土来换去膨胀土，其操作简单。但是由于投入的时间和精力都较多，不太适用于大多数的施工建筑中膨胀土的改良。

通过改变膨胀土的物理性质的方法叫作机械法，具体包括强夯、桩基等方法。采用机械法可以使膨胀土的干密度加大，孔隙比减少，这种方法可以有效抑制膨胀土的不均匀沉降，以此提高膨胀土地基的稳定性。但由于夯实后的膨胀土仍然具有浸水后体积会剧烈膨胀，失水后体积收缩的特性，所以机械法只适用于上层建筑较小的情况。因此，采用机械法改良膨胀土，不能从根本上解决膨胀土的特性问题。

1.2 化学法

化学法是当代土木工程建设中一种常用的改良方法，也是一种能从根本上改变膨胀土遇水膨胀、失水收缩特性的方法。化学法的具体原理是在膨胀土中加入改良剂使膨胀土内部发生化学反应，破坏膨胀土内部的结构，形成新的无不良膨胀性的改良土质。可以使用石灰、水泥、固化剂等对膨胀土的土壤性质进行改善。

1.2.1 石灰改良膨胀土法

石灰改良法作为应用最早的一种改良方法，被广泛应用于各种建筑物工程的边坡和路基加固。在膨胀土中加入石灰后，石灰会和膨胀土发生一系列的反应，其中主要包括离子交换、结晶等。而离子交换主要指的是石灰中活性强的Ca2+取代膨胀土中低阶离子的过程，以降低膨胀土的液限，增加膨胀土的抗碱程度，使膨胀土的力学性能得到良好的改善，使之满足建筑工程的要求。

1.2.2 水泥改良膨胀土法

水泥法和石灰法一样被广泛运用，但水泥法主要是利用水泥水化后形成的晶体和溶液中的Ca2+来使土壤达到加固的效果。但值得注意的是，在使用水泥改良膨胀土时，改良剂的添加并不是越多效果越好，膨胀土的强度在一定程度会随着水泥掺入量的增加而减小。这是由于在加入水泥使膨胀土的物理化学性能得到改善的同时也会不断消耗膨胀土内部的结合水，而使膨胀土内部的物质发生干裂，近而降低的膨胀土的性能。所以选用水泥作为膨胀土的改良剂时，应当拥有一个合理的浓度参数。

1.2.3 固化剂改良膨胀土法

固化剂中主要包含粉煤灰、钢渣粉等工业废渣。选用工业废渣作为改良剂，是因为生产制造业的发展，工业废渣的产生也随之增多。为了解决工业废渣不断增加的现象，研究者便尝试使用工业废渣作为改良剂改良膨胀土的不良性质，以求替换石灰和水泥。这样既可节省石灰、水泥材料，又可对工业残渣实现循环利用。

在张晓果、杨博等人的路基膨胀土改良试验研究中[1]，我们可以看到石灰改良膨胀土的效果最好，而水泥、固化剂改良膨胀土虽然也能提高膨胀土的物理化学性质，但其并未能从根本上解决膨胀土遇水易崩解的问题。

2 力学性能研究

2.1 土抗剪强度

2.1.1 干湿循环对改良后的膨胀土抗剪强度的影响

改良后的膨胀土抗剪能力与黏聚力有关。由不同石灰掺量和不同干湿循环作用下石灰改良后的膨胀土黏聚力变化规律可知，随着石灰掺量的逐渐增大，膨胀土黏聚性先增强后减弱，这表明石灰对膨胀土强度有着一定的促进作用，但并不成绝对的正比关系[2]。由图1可以看出，循环次数和黏聚力成反比关系，随着干湿循环次数增多，改良后的膨胀土黏聚力随之减弱。

图1 黏聚力与干湿循环次数的关系曲线[2]

和黏聚力相同的是，干湿循环作用对石灰改良后的膨胀土抗剪强度影响因素之一的内摩擦角也有着很大的影响。由图1可知，石灰掺量的增大也对内摩擦角起着先增强后减弱的作用，但变化幅度略微减小。随着干湿循环次数的增多，会引起内摩擦角逐渐减小[2]。

干湿循环作用会极大程度减弱膨胀土的强度，从图2可得不同干湿循环次数对内摩擦角与黏聚力的变化规律，干湿循环次数的增多会引起内摩擦角的不断减小及黏聚力的不断降低，膨胀土逐渐膨胀软化，抗剪强度也随之受到影响而降低。在土样含水量较低的情况下，土样中的水主要以结合水的形式存在，因其具有一定的黏滞性，从而使得土样间的胶结作用较大。当结合水膜随含水量增加由薄变厚时，结合水膜的胶结作用力也会跟着减小，由此带来抗剪强度的减弱。因此，在实际工程中，对于低含水率的膨胀土，其吸水后强度减弱情况将十分严重，应提前做好防排水和土体改良工作。

图2 内摩擦角与干湿循环次数的关系曲线[2]

2.1.2 冻融循环对改良后膨胀土抗剪强度的影响

在相同的围压条件下，改良后的膨胀土抗剪强度在冻融循环次数增加的情况下逐渐减弱，且围压越大，抗剪强度下降得越快，这是由于冻融循环下膨胀土会发生反复胀缩变形，使得土体结构变得疏松，导致抗剪强度的下降[3]。随着冻融循环次数的增加，黏聚力和内摩擦角均逐步减小且减小趋势逐渐趋于稳定[4]。抗剪强度随着冻融循环次数变化而变化的曲线如图3所示。

图3 黏聚力和内摩擦角与冻融循环次数的关系曲线[3]

冻融循环会影响膨胀土的黏聚力大小，冻融过程中土体颗粒的连接方式和整体结构会发生变化，这将影响土体颗粒的间距，降低土体的黏聚力；同时，每一次的冻融循环也会对内摩擦角产生着影响，虽然石灰的加入会改变内摩擦角，但一般来说，在石灰掺量一定的情况下，内摩擦角会随着冻融循环次数的增加而呈现下降的趋势。可以看出，在一定的石灰含量和竖向压力下，膨胀土抗剪强度一开始会随着冻融循环次数增加而有所衰减，之后趋于稳定。这说明在冻融循环开始时，膨胀土内部结构与性能突遭破坏，土抗剪强度迅速减弱，而后随着冻融次数的逐渐增多，土体内部结构被完全破坏，抗剪强度随之趋于稳定，不再有大幅变化。

2.2 无侧限抗压强度

2.2.1 干湿循环作用对改良后膨胀土力学性能的影响

膨胀土的无侧限抗压强度与压缩模量有关。通过图4，我们发现如果干湿循环次数不断增加，土样的压缩模量就会随之减小，影响效果也会不断减弱，至第25次干湿循环作用下压缩模量变化曲线趋于平缓。其中，首次干湿循环的作用效果最为显著[5]。土体中的盐晶体是土骨架的组成部分，盐晶体在土体中主要起着胶结作用。在干湿循环的反复作用下，盐晶体逐渐溶解从而致使土颗粒间的连接能力变差。此外，随着土样的湿度增加，伊利石、蒙脱石等亲水矿物吸水膨胀，致使土骨架膨胀。而随着土样的湿度减小，土骨架失水后产生不均匀收缩，土样的孔隙率会增大。

图4 干湿循环次数与压缩模量的关系曲线[7]

在一定量的同种改良剂作用下，如果干湿循环次数不断增加，则无侧限抗压强度逐渐随之降低。当粉煤灰的掺量为15%时，粉煤灰对于膨胀土无侧限抗压的强度的提高起到了最明显的作用，改良效果最佳。在这种情况下，膨胀土在干湿循环作用下强度的弱化效应最为明显。当土体受的水的侵蚀作用后，团聚体胶结物质将逐渐溶解，颗粒间的黏聚力逐渐减弱，部分土颗粒随水溶液溶解迁移，内部结构不再密实，出现空隙、空洞等缺陷，从而造成改良膨胀土无侧限抗压强度降低[6]。

干湿循环对改良后膨胀土弹性模量也有一定程度影响。以石灰改良膨胀土为例，改良膨胀土样的初始弹性模量会随着干湿循环次数的增加而显著减弱，适当的增加围压可以抑制干湿循环对改良后膨胀土初始弹性模量的削减作用，这是由于围压增加后，凝胶网络骨架受到的束缚增大，从而增强了凝胶网络骨架抵抗变形的能力。膨胀土中的石灰遇水发生化学反应后，会出现包裹着土颗粒和填充孔隙的凝胶网络，从而形成了新的土骨架。然而由于石灰的含量有限，即便经过了改良，膨胀土中的土颗粒团仍然能够接触到水。干湿循环作用下，膨胀土颗粒团不可避免地反复产生干缩和湿胀现象，破坏内部结构密实度。土颗粒团的反复干缩和湿胀必然引起束缚土颗粒的凝胶网络骨架的反复变形[7]。

2.2.2 冻融循环作用对改良后膨胀土力学性能的影响

土样在饱和的状态下进行冻融循环。土样在融化的过程中，冰晶体的融化使得土样内部水分进行了重新分布，土体内部颗粒的排列、分布状态发生了变化，孔隙大小及其分布也产生了变化，从而弱化了土骨架的强度。冻结过程中膨胀土内部液态水含量对表面裂隙的分布及形态产生重要影响，当临界饱和度较大时，冻结过程对裂隙起到促进作用，反之则为抑制作用。干湿冻融循环作用造成土体表面裂隙开始开裂时间滞后，主要原因是冻融过程使膨胀土整体结构发生收缩压密，进而抑制了土体后续裂隙的生成。

在冻融循环的作用下，膨胀土的各项性能指标呈显著下降趋势。压缩应变与土样的干密度有关。如图5所示，垂直压力介于0～200 KPa时，且土样的干密度为最大值时，土样侧限压缩应变最大，也就是说，干密度较大的土样随着冻融循环次数的增加而产生较大的变化[5]。在冻融循环次数一定时，侧限压缩应变的增幅随着垂直压力的增加而增大。在同样的垂直压力作用下，随着冻融循环次数不断增加，侧限压缩应变也随之增加，初期较为显著，但随着垂直压力作用次数的增加，侧限压缩应变的幅度不断减小。由此可见，原本稳定的压实土体经过冻融循环作用后，强度发生了一定的弱化，循环次数越多，其削弱效果越明显。