劉 磊，張文慧，盧子威，龔傲龍，黃 珂，吉恩躍

(河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098)

0 引言

膨脹土是在自然地質(zhì)過(guò)程中形成的一種地質(zhì)體，其黏土礦物成分主要由親水性礦物如蒙脫石和(或)伊利石組成，同時(shí)具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性，且具有干縮濕脹往復(fù)變形的高塑性黏性土.膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)度衰減性、崩解性、風(fēng)化特性等與一般黏土不同的工程特性[1].因此對(duì)于直接用膨脹土填筑的鐵路(公路)路基，常常發(fā)生邊坡滑塌、路基沉陷、路面變形、構(gòu)造物損毀等一系列問(wèn)題.我國(guó)許多膨脹土分布的地區(qū)，其氣候特征存在著明顯的旱季雨季，在雨季和旱季相互交替的過(guò)程中，膨脹土經(jīng)歷著吸水—失水—吸水—失水無(wú)限次的干濕循環(huán).因此我國(guó)鐵路(公路)路基在運(yùn)營(yíng)期間會(huì)因?yàn)榻?jīng)歷這種干濕循環(huán)而產(chǎn)生反復(fù)脹縮變形、土體開裂、強(qiáng)度衰減等工程病害，給鐵路(公路)的運(yùn)營(yíng)埋下安全隱患.

工程中需要對(duì)膨脹土地基或者膨脹土填料進(jìn)行處理以降低其工程危害后方可使用，目前主要的處理方法有換土法、包邊法、表水防護(hù)、樁基礎(chǔ)法和化學(xué)改良法，其中化學(xué)改良法應(yīng)用較為廣泛，包括摻入有機(jī)類改良劑和無(wú)機(jī)類改良劑兩種方法.

目前，化學(xué)改良膨脹土常用的無(wú)機(jī)改良法以摻入石灰、粉煤灰等添加劑為代表.楊俊[2]、張福海[3]、向文俊等[4]研究了摻灰改良膨脹土和二次摻灰工藝；查甫生等[5]研究了石灰-粉煤灰改良膨脹土的工程特性；陳雷等[6]對(duì)寧懷高速公路路基膨脹土進(jìn)行了石灰改良室內(nèi)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了石灰改良土的線膨脹率、膨脹力、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等指標(biāo)；周葆春等[7]對(duì)石灰改良湖北荊門膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度特征進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究；邊加敏等[8-9]重點(diǎn)研究了初始含水率、摻灰量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響；齊嘉煒等[10]進(jìn)行了石灰改良安徽張莊礦尾礦壩填料膨脹土的膨脹性和水穩(wěn)定性室內(nèi)試驗(yàn)研究.本文通過(guò)消石灰改良膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究消石灰改良膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙發(fā)育規(guī)律、脹縮變形規(guī)律和抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律.

1 試樣制備

1.1 膨脹土選取

本文所用土料取自某鐵路試驗(yàn)段，取土深度為2～4 m，土體呈灰黃色～紅褐色，硬塑～堅(jiān)硬，將被作為路基填料使用.土樣取回后先進(jìn)行風(fēng)干，風(fēng)干后土樣含水率為4.9%，風(fēng)干土樣全部過(guò)5 mm篩.其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.根據(jù)《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10077-2001)試驗(yàn)所用土樣為弱膨脹土.

表1 液塑限和膨脹性指標(biāo)

1.2 膨脹土改良方式

消石灰改良膨脹土的摻灰方法為：將土樣風(fēng)干后過(guò)2 mm篩；取篩下土樣配制到最優(yōu)含水率(允許誤差為±1%)悶料24 h后測(cè)定其含水率，并將土樣分成3份.按干土質(zhì)量計(jì)算，分別摻加3%、5%、7%的消石灰(即每100 g干土分別加入3 g、5 g、7 g消石灰)拌和均勻，后用靜壓法制樣.試樣的密度與要求密度的差值不超過(guò)0.02 g/cm3；試樣直徑為61.8 mm、高度為20 mm；制樣后埋入同摻量同含水率的消石灰改良膨脹土中養(yǎng)護(hù)，改良前后的最大干密度和最優(yōu)含水率見表2.

表2 不同摻灰量膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率

注：摻量為0即表示素膨脹土，擊實(shí)方法均為干法重型擊實(shí).

2 試驗(yàn)方案

對(duì)素土和3%、5%、7%消石灰改良土試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)(摻量為3%、5%、7%的試樣埋入同摻量同含水率的石灰改良膨脹土中養(yǎng)護(hù)28 d后方可進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，素土試樣不養(yǎng)護(hù)直接進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn))，試樣共經(jīng)歷8次干濕循環(huán).干濕循環(huán)分為浸水膨脹和失水收縮兩個(gè)過(guò)程，浸水膨脹過(guò)程為：將試樣放置在透水石上，先加水至水面和透水石頂面同高，試樣吸水飽和，逐漸將水位升至淹沒(méi)試樣表面為止，浸水24 h即認(rèn)為試樣吸水膨脹穩(wěn)定；失水收縮過(guò)程為：將浸水飽和后的試樣風(fēng)干至制樣初始質(zhì)量，即認(rèn)為試樣失水收縮穩(wěn)定.每次干濕循環(huán)前后對(duì)試樣的高度進(jìn)行量測(cè)，以統(tǒng)計(jì)試樣每次干濕循環(huán)前后的膨脹率和收縮率.試樣經(jīng)歷0次、1次、2次、3次、4次、6次、8次干濕循環(huán)后，將試樣浸水飽和后進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn).同時(shí)對(duì)于消石灰摻量為3%、5%、7%的試樣，當(dāng)試樣養(yǎng)護(hù)至1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d后按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn).

3 結(jié)果與分析

3.1 消石灰摻量和齡期對(duì)自由膨脹率的影響

素土和摻量為3%、5%、7%的消石灰改良膨脹土自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見圖1.從圖1可以看出，改良膨脹土的自由膨脹率隨消石灰摻量的增長(zhǎng)而減小，摻加3%的消石灰就可以消除膨脹土的膨脹性；3種摻量的改良膨脹土的自由膨脹率隨著齡期的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，齡期達(dá)28 d后自由膨脹率雖仍有下降，但基本穩(wěn)定；3%的消石灰摻量即可有效地降低自由膨脹率，達(dá)到明顯的改良效果.同時(shí)可以看出，隨著摻灰量的增長(zhǎng)，改良膨脹土的自由膨脹率總體上呈下降趨勢(shì)，在7%的范圍以內(nèi)，自由膨脹率隨著摻灰量的增長(zhǎng)而減小.

圖1 改良膨脹土自由膨脹率隨齡期變化規(guī)律

3.2 干濕循環(huán)過(guò)程中消石灰摻量對(duì)裂隙發(fā)育的影響

素土和改良膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙發(fā)育情況.第一次干濕循環(huán)后，素土試樣邊緣與環(huán)刀脫離，試樣產(chǎn)生了數(shù)條沒(méi)有貫通表面的裂隙；摻量為3%、5%和7%的改良膨脹土試樣均沒(méi)有明顯收縮現(xiàn)象，且表面未有肉眼可識(shí)別的裂縫出現(xiàn).第三次干濕循環(huán)后，素土試樣邊緣與環(huán)刀脫離，表面裂縫寬度擴(kuò)大，且出現(xiàn)貫通裂縫；摻量為3%的試樣細(xì)微裂隙逐漸擴(kuò)大，試樣與環(huán)刀有稍許脫離，收縮較明顯；摻量為5%和7%的試樣完整，沒(méi)有明顯收縮現(xiàn)象，也未產(chǎn)生明顯裂隙.第六次和第八次干濕循環(huán)后，素土試樣表面的貫穿裂隙及試樣與環(huán)刀間的縫隙均逐漸變寬，貫穿裂隙周圍的分枝裂隙變寬并逐漸延伸至試樣邊緣，試樣表面局部土體脫落更加嚴(yán)重，試樣結(jié)構(gòu)逐漸破壞；摻量為3%的改良土試樣邊緣裂隙逐漸擴(kuò)大，試樣脫離環(huán)刀，收縮明顯，且試樣邊緣土塊剝落比較嚴(yán)重，有較大的貫穿裂縫顯現(xiàn)；摻量為5%的有明顯的收縮現(xiàn)象，試樣邊緣裂縫數(shù)量增加，試樣邊緣土塊剝落現(xiàn)象較前幾次比較嚴(yán)重，但能整體上保證試樣完整，未有明顯的貫穿裂縫出現(xiàn);摻量為7%的試樣完整，有稍許收縮現(xiàn)象，但依舊未產(chǎn)生明顯裂縫，亦未有土塊剝落現(xiàn)象產(chǎn)生.由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，消石灰的摻入有效地抑制了干濕循環(huán)過(guò)程中裂縫的發(fā)育，且隨著摻量的增大改良效果愈加明顯，但5%摻量和7%摻量的改良土試樣在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后相差不大，故可確定合適摻量為5%.

圖2 素土和改良膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)育情況

3.3 干濕循環(huán)過(guò)程中消石灰摻量對(duì)脹縮變形的影響

定義試樣的絕對(duì)膨脹率、相對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率和相對(duì)收縮率分別如下[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：h0為土樣的初始高度,hei為試樣第i次膨脹穩(wěn)定后的高度,he(i-1)為試樣第i-1次膨脹穩(wěn)定后的高度,hsi為試樣第i次收縮穩(wěn)定后的高度,hs(i-1)為試樣第i-1次收縮穩(wěn)定后的高度.

素土和改良膨脹土絕對(duì)膨脹率、 相對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率、相對(duì)收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.由圖3和圖4可知，干濕循環(huán)過(guò)程中，素土和改良膨脹土的絕對(duì)膨脹率和絕對(duì)收縮率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加，但其增加速率逐漸變緩，經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后，絕對(duì)膨脹率基本趨于穩(wěn)定，絕對(duì)收縮率大于零.結(jié)合絕對(duì)膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系可知，干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土發(fā)生了不可逆的膨脹變形.相對(duì)膨脹率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小，在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后，相對(duì)膨脹率基本趨于穩(wěn)定，這因?yàn)殡S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土經(jīng)歷了削弱、部分恢復(fù)、再削弱、再部分恢復(fù)的循環(huán)過(guò)程，當(dāng)達(dá)到一定程度(6次干濕循環(huán))后，膨脹土的脹縮性也就趨于一種穩(wěn)定狀態(tài).改良膨脹土的相對(duì)收縮率在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后也基本趨于穩(wěn)定，但是素土的相對(duì)收縮率處于上升態(tài)勢(shì).綜合圖3、圖4、圖5和圖6，每次干濕循環(huán)后改良膨脹土絕對(duì)膨脹率、 相對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率、相對(duì)收縮率相對(duì)于素膨脹土均大幅度減小，說(shuō)明消石灰起到了明顯的改良效果.

圖3 絕對(duì)膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖4 相對(duì)膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖5 絕對(duì)收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖6 相對(duì)收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

3.4 干濕循環(huán)過(guò)程中消石灰摻量對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

素土和改良膨脹土試樣經(jīng)歷1次、2次、3次、4次、6次、8次干濕循環(huán)后，將試樣浸水飽和后進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8.從圖7和圖8中可以看出，素土和改良膨脹土的內(nèi)摩擦角基本上不隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而變化，黏聚力則隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈衰減態(tài)勢(shì)，且第一次衰減最明顯.但摻量為3%、5%、7%的改良膨脹土在后幾次干濕循環(huán)過(guò)程中黏聚力衰減變緩，甚至有出現(xiàn)黏聚力增加的現(xiàn)象，這是因?yàn)楦牧寂蛎浲链嬖谥g期效應(yīng)，在后幾次干濕循環(huán)過(guò)程中試樣的養(yǎng)護(hù)時(shí)間相比于前幾次有所增加.對(duì)比素土和改良膨脹土可知，改良膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力這兩個(gè)參數(shù)每次干濕循環(huán)后均比素土高，說(shuō)明經(jīng)過(guò)石灰改良后的膨脹土其水穩(wěn)定性相比素膨脹土有很大提高，但摻量為7%的膨脹土的黏聚力在每次干濕循環(huán)試驗(yàn)前后均比摻量為5%和3%的小.筆者認(rèn)為這是摻量為7%的試樣由于消石灰摻量過(guò)高導(dǎo)致膨脹土過(guò)度沙化，使其黏聚力降低，這同時(shí)也反映出合適摻量在5%到7%之間，和前面改良膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)育情況得出的關(guān)于最優(yōu)摻量的結(jié)論吻合.

圖7 內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖8 黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文對(duì)膨脹土進(jìn)行了膨脹性試驗(yàn)，并對(duì)不同消石灰摻量的改良膨脹土進(jìn)行了各項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究了消石灰摻量對(duì)膨脹土的自由膨脹率和水穩(wěn)定性的影響.試驗(yàn)所得主要結(jié)論如下:

(1)3%、5%、7%三種摻量的改良膨脹土的自由膨脹率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，28 d后基本穩(wěn)定， 3%的消石灰摻量就能有效降低膨脹土的自由膨脹率.

(2)素土在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)完全破壞；3%、5%、7%三種消石灰摻量的改良膨脹土的水穩(wěn)定性明顯好于素膨脹土，消石灰的摻入能夠有效地抑制干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙的發(fā)育；當(dāng)摻量為7%時(shí)，經(jīng)歷8次干濕循環(huán)的試樣在表觀上與經(jīng)歷0次干濕循環(huán)的試樣幾乎沒(méi)有差別.

(3)干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土發(fā)生了不可逆的膨脹變形，在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后其脹縮變形趨于穩(wěn)定.

(4)消石灰的摻入能夠有效地抑制干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土抗剪強(qiáng)度的衰減，并很大程度地提高膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；得出合適摻量為5%.