譚文超，陳平貨

(1.湖南省長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000;2.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

膨脹土是一種常見的特殊土體，具有遇水膨脹，失水收縮的特點。廣大科技工作者和工程技術(shù)人員通過大量的研究，取得了豐碩的成果。

繆林昌等［1，2］研究了膨脹土含水量、粘聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系函數(shù)，認(rèn)為土樣的密度對膨脹土的剪脹特性有較大影響。譚羅榮等［3，4］提出將膨脹土強(qiáng)度分為飽和狀態(tài)強(qiáng)度和吸力引起強(qiáng)度，并分析了吸力引起的附加強(qiáng)度的表達(dá)方式。龔璧衛(wèi)等［5］研究了不同含水量和密度的非飽和擊實膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性，認(rèn)為含水量的變化可以顯著地影響土體的凝聚力。孔令偉等［6］研究了膨脹土的潛勢等級，認(rèn)為膨脹土的加州承載比(CBR)隨膨脹潛勢等級和壓實功的變化而變化。徐永福等［7］建立了膨脹土分形模型。

在公路工程中，膨脹土路基屬于公認(rèn)的較難處理路段。工程實踐表明，降雨、蒸發(fā)等過程會引起膨脹土體內(nèi)部干濕循環(huán)變化，并引發(fā)膨脹土土體產(chǎn)生裂縫，強(qiáng)度減小，并導(dǎo)致路基破壞。因此，有必要對膨脹土進(jìn)行改性研究，通過摻加水泥，提高土體強(qiáng)度，降低土體的裂隙性和在干濕循環(huán)條件下土體的強(qiáng)度損失。

水泥改性膨脹土可以用來作為高速鐵路的路基填料。有研究表明，改性后的膨脹土的膨脹性有了一定的遏制，但是在干濕循環(huán)條件下，仍然會導(dǎo)致周期荷載下土體的強(qiáng)度衰減。本文將對多次干濕循環(huán)條件下，水泥改性膨脹土的強(qiáng)度衰減規(guī)律進(jìn)行研究，找出衰減規(guī)律，為水泥改性膨脹土的工程應(yīng)用提供可靠的試驗依據(jù)。

1 試驗方法步驟

1.1 土樣的物性指標(biāo)

試樣所用土樣取自河南省南陽市，試驗前過2 mm 篩并烘干。土樣的物性指標(biāo)見表1。

表1 土樣的特性指標(biāo)

1.2 水泥改性方法

由于國家尚無統(tǒng)一的水泥改性土室內(nèi)試驗操作規(guī)程，故參照混凝土砂漿試驗規(guī)程來進(jìn)行膨脹土的水泥改性試驗。所采用的水泥為325#普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為4 h。這樣可以降低水泥改性土強(qiáng)度，以便減小改性土的裂隙。首先將土樣烘干，并加水拌勻，密封24 h。然后按照質(zhì)量比4∶100 的比例加入水泥，并攪拌均勻。將混合后的改性土土樣分為10 組，每組3 個試樣，制成直徑3.91 cm，高8.0 cm 的標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗圓柱樣。其中5 組用來測定土樣的三軸固結(jié)不排水強(qiáng)度，5 組測定剪切波速。制樣時間要控制在水泥初凝前，即需要在4 h 內(nèi)完成。然后將試樣在濕度大于90%的條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 改性土試樣干濕循環(huán)

將養(yǎng)護(hù)好的試樣進(jìn)行真空負(fù)壓飽和。飽和方法如下。

首先將試樣放入飽和器中，將飽和器放入真空罐，然后將真空罐內(nèi)的空氣抽至0.1 個大氣壓以下，然后停止抽氣。打開進(jìn)水管，待完全浸沒飽和器之后，關(guān)閉進(jìn)水管，靜置4 h 以上。這樣獲得的試樣飽和度在95%以上，可以滿足要求。

采用自然風(fēng)干的方法來實現(xiàn)試樣的失水過程。將試樣在室溫條件下進(jìn)行風(fēng)干，通過測量試樣的質(zhì)量來計算試樣的失水質(zhì)量，控制試樣失水在總含水量的30%時，失水過程結(jié)束，此為一次干濕循環(huán)。然后按照前述方法對不同組的試樣進(jìn)行不同次數(shù)的干濕循環(huán)。4 組試樣的干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1、2、3、4 次。

表2 試樣三軸固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度

1.4 三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗

為了更好地模擬高鐵路基受力狀況，取三軸試驗的圍壓為20 kPa，對試樣進(jìn)行三軸試驗，測定其固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度。所獲得的抗剪強(qiáng)度取平均值，結(jié)果如表2和圖1所示。由結(jié)果可知，試樣的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。當(dāng)干濕循環(huán)為1 次時，強(qiáng)度比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了36.5%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為2 次時，強(qiáng)度比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了41.3%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為3 次時，強(qiáng)度比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了43.8%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為4 次時，強(qiáng)度比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了44.6%。而當(dāng)試樣經(jīng)歷過干濕循環(huán)之后，其后再經(jīng)歷干濕循環(huán)，其強(qiáng)度降低比例依次減小。如試樣第1 次干濕循環(huán)，強(qiáng)度比不經(jīng)歷干濕循環(huán)減小了36.5%，而第2 次干濕循環(huán)后強(qiáng)度比第1 次干濕循環(huán)后降低了7.5%，第3 次干濕循環(huán)后強(qiáng)度比第2 次干濕循環(huán)后降低了4.26%，第4 次干濕循環(huán)后強(qiáng)度比第3 次降低了1.37%。

圖1 三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)衰減圖

1.5 水泥改性膨脹土剪切波速試驗

采用透射法來測定水泥改性膨脹土的剪切波速。并通過比較不同的干濕循環(huán)次數(shù)的土樣的剪切波速改變規(guī)律與水泥改性膨脹土不排水抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律之間的關(guān)系，找到用測定剪切波速來替代抗剪強(qiáng)度的方法。測試儀器為DB4 型多波參數(shù)分析儀，彈性波速按下式計算。

式中:V 為試樣中的彈性波速;L 為試樣高度;T 為波通過試樣的總時間;T0為傳感器的延時時間。

所測得的土樣剪切波速與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如表3和圖2所示。由試驗可知，試樣的剪切波速隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。當(dāng)干濕循環(huán)為1次時，波速比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了22.7%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為2 次時，波速比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了37.5%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為3 次時，波速比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了44.6%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為4 次時，波速比干濕循環(huán)次數(shù)為0 時降低了48.6%。而當(dāng)試樣經(jīng)歷過干濕循環(huán)之后，其后再經(jīng)歷干濕循環(huán)，其波速降低比例依次減小。如試樣第1 次干濕循環(huán)，波速比不經(jīng)歷干濕循環(huán)減小了22.7%，而第2 次干濕循環(huán)后波速比第1 次干濕循環(huán)后降低了19.1%，第3 次干濕循環(huán)后波速比第2次干濕循環(huán)后降低了11.4%，第4 次干濕循環(huán)后波速比第3 次降低了7.1%。

表3 試樣剪切波速

圖2 剪切波速隨干濕循環(huán)次數(shù)衰減圖

2 結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果，干濕循環(huán)對水泥改性膨脹土的強(qiáng)度有很大影響。經(jīng)歷了干濕循環(huán)之后，試樣的強(qiáng)度會顯著降低。首次干濕循環(huán)后，強(qiáng)度降低較多，而后再進(jìn)行干濕循環(huán)，強(qiáng)度會逐漸降低并趨于穩(wěn)定。而試樣的剪切波速同樣受到干濕循環(huán)的影響，其波速降低的規(guī)律與強(qiáng)度降低的規(guī)律類似。

［1］繆林昌，仲曉晨，殷宗澤.膨脹土的強(qiáng)度與含水量的關(guān)系［J］.巖土力學(xué)，1999(6):71 －75.

［2］繆林昌，崔 穎，陳可君，等.非飽和重塑膨脹土的強(qiáng)度試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(2):274 －276.

［3］譚羅榮，孔令偉.膨脹土膨脹特性的變化規(guī)律研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(10):1554 －1559.

［4］譚羅榮，孔令偉.膨脹土的強(qiáng)度特性研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26(7):1009 －1013.

［5］龔壁衛(wèi).非飽和擊實膨脹土總應(yīng)力強(qiáng)度探討［J］.長江科學(xué)院院報，1998(2):40 －43.

［6］孔令偉，郭愛國，陳善雄，等.膨脹土的承載強(qiáng)度特征與機(jī)制［J］.水利學(xué)報，2004(11):54 －61.

［7］徐永福，董 平.非飽和土的水分特征曲線的分形模型［J］.巖土力學(xué)，2002，23(4):400 －405.