干湿循环作用对崩解性砂岩改良膨胀土抗剪强度影响

2022-05-26吴少甫

治淮 2022年4期

吴少甫

（中铁二十局集团第二工程有限公司西安 710016）

1 引言

由于引江济淮工程兼具调水、航运和改善水生态三大功能，生活用水的硬度标准及江淮地区膨胀土的高含水率特性限制了掺拌生石灰、水泥改良膨胀土方法的使用，因此，因地制宜地开发一种适合引江济淮工程特殊的水文地质条件及设计目的的膨胀土改良技术对工程中膨胀土边坡防护方案的顺利实施至关重要。李国维等基于引江济淮工程下伏地层崩解性砂软岩连续分布的特点，开发了一种利用引江济淮工程崩解性砂岩弃渣改良膨胀土的技术，研究发现砂岩能较好地改良膨胀土的工程适用性，掺砂率30%时改良效果最佳。

本研究采用室内干湿循环试验与直接剪切试验，进一步对干湿循环作用下纯膨胀土及砂岩改良土的强度特性进行探讨，分析了砂岩对膨胀土裂隙演化规律及强度衰减特性的影响，明确了崩解性砂岩弃渣对膨胀土季节性气候敏感性的改善效果，为崩解性砂岩改良膨胀土在引江济淮工程上的应用提供支持。

2 试验材料及方案

2.1 试验材料

该试验所用膨胀土取自引江济淮工程菜巢线，小合分线段，桩号K15+240～K15+340，三级坡坡中处，为黑色重粉质壤土，具有弱膨胀性，自由膨胀率62%。所用崩解性砂软岩取自引江济淮试验工程，桩号K41+100～K42+200，河底处，为强风化、棕红色软岩，具有非膨胀性，自由膨胀率24%，具有强崩解性，二次循环耐崩解性指数Id2为0，崩解后的砂岩颗粒均小于2mm。膨胀土、崩解性砂软岩基本物理力学指标见表1，矿物组成见表2。

表1 膨胀土与崩解性砂软岩的基本物理力学指标表

表2 膨胀土与崩解性砂软岩 X 射线衍射试验结果表

2.2 试验方案

李国维等对不同掺砂率的崩解性砂岩改良土的物理力学性质开展研究，发现掺砂率为30%时（干岩：干土=3︰7），砂岩改良膨胀土效果最佳。本研究中对风干后的膨胀土及崩解性砂软岩破碎过筛，得到膨胀土颗粒（粒径＜5mm）及砂岩碎屑（粒径＜2mm），并以30%（质量比）的掺量将岩屑加入膨胀土中进行改良，获取砂岩改良土混合料。

根据《土工试验规程》（SL237-1999）对纯膨胀土及砂岩改良土进行轻型击实试验，得到最优含水率与最大干密度，其中纯膨胀土、砂岩改良土的最优含水率分别为22.80%、19.5%，最大干密度分别为1.59g/cm3、1.63g/cm3。并按最优含水率制备混合料，以95%压实度击入300mm×300mm×120mm的模具内，以Φ61.8mm×20mm 环刀在试样模具内取试样，并挑选密度差小于0.02g/cm3的多个试样配置试样组，再进行干湿循环试验及室内剪切试验。

对纯膨胀土及改良土进行干湿循环试验，采用先干后湿的顺序。对所有土样进行饱和，定义饱和土样为初始状态，将饱和后的土样放入温度45℃、湿度50%的恒温恒湿箱中干燥12h，再放入真空吸水仪中进行真空饱和12h（试样达到饱和含水率），此为一次干湿循环。每次干燥后，对试样表面进行拍照，记录其表面裂隙发展情况，并对循环次数为0、1、3、5 次的试样进行饱和状态下的直接快剪试验。

3 试验结果分析

3.1 裂隙开展规律

将1～5 次干湿循环作用下，纯膨胀土与砂岩改良土试样表面裂隙的发展过程与分布情况分别拍摄照片，并保持相同视距、视角和环境条件。可知，干湿循环作用下，纯膨胀土试样表面裂隙发育，裂隙数量多，宽度大，试样整体收缩严重，大裂隙周边有微小裂隙产生。掺入砂岩碎屑后，砂岩颗粒与土颗粒均匀拌合，改善了土体颗粒级配，增大了土体密实度，降低了土中强亲水性黏土颗粒占比，使土体胀缩性降低。砂岩改良土经5 次干湿循环后试样表面仅产生一条长裂隙，长裂隙周围未见微小裂隙衍生，裂隙整体收缩量减小。

采用Matlab 软件，对裂隙图像进行二值化处理，并提取裂隙率数据，将表面裂隙率结果汇于图1可知，土体表面裂隙率在首次干湿循环后增幅最大，随着循环进行，表面裂隙逐渐发展，但裂隙率的大小变化不显著。纯膨胀土胀缩能力强，5 次干湿循环条件下，试样的表面裂隙率大。掺入砂岩后，土中黏土颗粒占比减小，土体胀缩性降低，干湿循环过程中表面裂隙率减小，砂岩具有抑制膨胀土表面裂隙开展的作用。

图1 纯膨胀土与改良土在干湿循环作用下的裂隙率变化图

3.2 强度蜕化规律

将纯膨胀土与砂岩改良土试样在0～5 次干湿循环作用下，直接剪切试验所得的抗剪强度指标（粘聚力与内摩擦角）汇于图2可知，膨胀土中掺入砂岩后，土体的粘聚力与内摩擦角均增大。其主要原因为，掺入砂岩能有效增加土中粗颗粒的含量，改善膨胀土的颗粒级配，使改良土密实度提高，剪切过程中克服颗粒间错位或翻滚时的摩擦阻力增大，即抗剪强度增大，具体表现为粘聚力与内摩擦角增大。

图2 纯膨胀土与改良土在干湿循环作用下的抗剪强度指标变化图

干湿循环作用易导致土体胀缩裂隙开展，破坏土体结构，使土体强度降低，抗剪强度指标减小。土体内摩擦角大小主要受土粒本身的性质所影响，干湿循环作用未对土体内摩擦角产生规律性影响，因此，本研究主要探讨干湿循环作用对土体粘聚力参数的影响。结果显示，纯膨胀土及砂岩改良土的粘聚力参数均随干湿循环的进行呈递减趋势，且首次循环衰减最为明显，3～5 次循环后趋于稳定。并且，砂岩掺入后土体粘聚力衰减率明显减小，5 次干湿循环作用下，纯膨胀土的粘聚力由42.26kPa 衰减至15.90kPa，衰减率为61.9%，而砂岩改良土则由44.80kPa 衰减至21.20kPa，衰减率约为52.7%，可见，砂岩具有抑制膨胀土干湿循环过程中粘聚力衰减的作用。

将土体粘聚力参数与表面裂隙率（CIF）之间的关系点汇于图3可知，不同干湿循环次数下，改良前、后土体的粘聚力参数与其CIF 间均满足线性负相关关系，且决定系数大于0.98，即干湿循环作用下土体粘聚力参数随CIF 的增加线性减小。由此，在实际工程中可通过测试未干湿循环及1 次干湿循环作用下土体的抗剪强度指标及CIF 值，建立土体粘聚力参数与CIF 间的线性关系式，并结合多次干湿循环后的土体裂隙状况，推导被测试土体经历多次干湿循环后的土体抗剪强度指标。