王敏

（湖南華達工程有限公司）

0 引言

膨脹土富含伊利石或蒙脫石等強親水性礦物成分，吸水或失水后容易顯著地產(chǎn)生收縮或者膨脹現(xiàn)象。膨脹土的水穩(wěn)性或耐久性差，屬于不良土料，通常不能直接用作基礎填料。由于我國膨脹土區(qū)域大，廣泛分布于四川、云南、貴州、廣西和湖北等地，對于路基和地基等基礎填筑工程，如果將膨脹土棄之不用會提高經(jīng)濟成本，因此，目前實際工程通常會對膨脹土進行改良，以滿足地基或路基的建筑要求[1]。

對于膨脹土等水穩(wěn)性差的土料，通常采用化學方式進行改良[2]。最常用的化學改良方式為石灰改良和水泥改良[3]?；瘜W改良通過化學反應在土中形成堅硬的骨架以抑制土的變形，從而達到改良土性的目的。相比水泥改良，石灰改良的經(jīng)濟成本低，在基礎填料改良中的應用最廣。工程中膨脹土也多采用石灰進行改良[4-6]。石灰改良膨脹土的改良效果評價依據(jù)通常是強度和耐久性[7-10]。強度主要是指無側限抗壓強度[11]和三軸壓縮強度[12](或三軸抗剪強度)。耐久性主要是指長期泡水和干濕循環(huán)兩種條件下的耐久性[2,3]。目前工程中主要依據(jù)無側限抗壓強度和長期泡水條件下的耐久性判斷膨脹土的改良效果，這顯得片面，從而導致目前石灰改良膨脹土的應用普遍存在問題。例如，降水和地下水位變化會導致路基出現(xiàn)干濕循環(huán)變化。長期干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土路基很容易出現(xiàn)裂縫，對于石灰改良膨脹土道路工程而言，這是常見的工程病害問題。目前對膨脹土改良效果的評價顯得片面的原因在于：一方面，無側限抗壓強度是圍壓為零時的強度，而工程中基礎工程的土料一般都是存在圍壓的。無側限抗壓強度是通過無側限抗壓強度試驗獲得。對于實際工程，相比無側限抗壓強度試驗，由三軸壓縮試驗獲得的強度參數(shù)更具參考價值。另一方面，膨脹土的干濕循環(huán)效應十分顯著[13,14]，現(xiàn)有研究表明，即便經(jīng)過石灰改良，膨脹土仍有比較顯著的縮脹變形[15]。長期泡水條件下石灰改良膨脹土的耐久性通常能滿足要求[3,7]，但這并不意味著干濕循環(huán)作用下的耐久性也能滿足要求。因此，開展干濕循環(huán)作用下石灰改良土的力學性質(zhì)研究具有重要的工程意義。

我國公路路基工程中的膨脹土路基通常采用石灰進行改良。針對石灰改良膨脹土路基工程，本實驗通過設計考慮干濕循環(huán)影響的石灰改良土三軸壓縮試驗，利用試驗研究干濕循環(huán)作用對石灰改良土內(nèi)摩擦角、粘聚力和彈性模量等參數(shù)的影響，以評價石灰改良土的干濕循環(huán)效應，為石灰改良膨脹土的改良效果評價和改良技術發(fā)展等提拱參考。

1 干濕循環(huán)作用條件下的石灰改良膨脹土三軸壓縮試驗

1.1 試驗儀器

試驗設備為GDS 三軸壓縮試驗機。試樣為圓柱體，高度為100mm，直徑為50mm。儀器測量精度高，壓力分辨率為1kPa，體積分辨率為1mm3。加載方式有力控制和位移控制兩種模式。

1.2 試驗方案

1.2.1 制樣

膨脹土取自廣西南寧市，為灰白色，其比重為2.66，塑限為30.1%，液限為62.3%，自由膨脹率為65.1%。主要親水礦物成分為蒙脫石和伊利石?？紤]到工程中石灰改良土中石灰的摻入質(zhì)量百分比通常為3%～8%，本文在膨脹土中摻入4%的生石灰制作試樣。當石灰質(zhì)量百分比為4%時，通過擊實試驗確定改良膨脹土的最大干密度為1.78g/cm3，最優(yōu)含水率為17.5%。本實驗按照最大干密度1.78g/cm3、最優(yōu)含水率17.5%和壓實度0.95 配置石灰膨脹土改良試樣。對試樣進行標準養(yǎng)護。

1.2.2 干濕循環(huán)試驗條件

目前國內(nèi)外對土樣進行干循環(huán)處理沒有統(tǒng)一的試驗標準[2,3]。本實驗參考劉雨等[2,3]提出的方法對試樣進行干濕循環(huán)處理。當改良膨脹土樣的養(yǎng)護齡期達到28d時，讓試樣在室內(nèi)自然風干，風干時間達到2d 時，將試樣浸沒在水槽中，讓試樣吸水飽和，飽和時間為2d。此過程為1 次干濕循環(huán)，時間包括風干2d 和飽水2d。設干濕循環(huán)次數(shù)用M 表示，對于本試驗，M=0,2,5,10,16。

1.2.3 試樣加載

利用GDS 試驗機對干濕循環(huán)處理后的試樣開展三軸壓縮試驗。試驗條件為固結排水。考慮到實際工程中路基土的圍壓通常不超過200kPa[12]，本試驗中的圍壓設為30kPa、60kPa 和120kPa。每個圍壓作用下的試驗一共需要5 個試樣，各試樣的干濕循環(huán)作次數(shù)分別為M=0,2,5,10,16。試樣等向固結后，在軸向進行加載。試樣軸向加載的控制模式為位移加載，軸向位移加載的速率為0.02mm/min。對試驗結果進行處理，得到抗剪強度參數(shù)：內(nèi)摩擦角ψ 和粘聚力c，以及彈性參數(shù)：初始彈性模量E0。

2 試驗結果及分析

2.1 干濕循環(huán)對石灰改良膨脹土抗剪強度的影響

2.1.1 干濕循環(huán)對內(nèi)摩擦角的影響

圖1 給出了石灰改良膨脹土樣的內(nèi)摩擦角和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關系曲線。從圖1 看出，隨著干濕次數(shù)M 從0 增加至16，內(nèi)摩擦角ψ 從35.2°逐漸衰減至32.8°，減少了2.4°，衰減幅度為6.8%。這表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，石灰改良膨脹土樣的內(nèi)摩擦角逐漸衰減。

2.1.2 干濕循環(huán)對粘聚力的影響

圖1 內(nèi)摩擦角和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關系

圖2 粘聚力和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關系

由以上結果分析可知，干濕循環(huán)對粘聚力的影響比內(nèi)摩擦角顯著。由于土的抗剪強度由內(nèi)摩擦角和粘聚力這兩個特征參數(shù)確定，它隨內(nèi)摩擦角和粘聚力的增大而增大，因此，干濕循環(huán)作用顯著降低石灰改良膨脹土樣的粘聚力，從而顯著降低土的抗剪強度。

2.2 干濕循環(huán)對石灰改良膨脹土彈性模量的影響

土的彈性模量的特征參數(shù)為初始彈性模量。圖3 給出了不同圍壓作用下初始彈性模量和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關系曲線。根據(jù)圖3，當圍壓S=30kPa 時，隨著干濕次數(shù)M 從0 增加至16，初始彈性模量E0從139.2MPa逐漸衰減至112.5MPa，減少了29.8MPa，衰減幅度為21.4%；當圍壓S=60kPa 時，隨著干濕次數(shù)M 從0 增加至16，初始彈性模量E0從143.8MPa 逐漸衰減至115.7MPa，減少了28.1MPa，衰減幅度為19.5%；當圍壓S=120kPa 時，隨著干濕次數(shù)M 從0 增加至16，初始彈性模量E0從155.7MPa 逐漸衰減至131.8MPa，減少了23.9MPa，衰減幅度為15.4%。以上結果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，石灰改良膨脹土樣的初始彈性模量顯著衰減。因此，干濕循環(huán)作用對石灰改良膨脹土的初始彈性模量有顯著的衰減作用。

圖3 初始彈性模量和干濕循環(huán)次數(shù)之間的關系

由以上結果分析還可知，當圍壓S 從30kPa 增加至100kPa，初始彈性模量的衰減幅度從21.4%降至15.4%，這表明，增加圍壓可以降低干濕循環(huán)作用對初始彈性模量的衰減作用。

2.3 干濕循環(huán)影響機理分析

膨脹土中石灰遇水發(fā)生離子交換、凝膠化等化學反應，使得膨脹土中出現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡。凝膠網(wǎng)絡包裹膨脹土顆粒和填充孔隙，構成新的土骨架。相比原土骨架而言，改良土中的凝膠網(wǎng)絡骨架強度高，剛度強，能承載較大的力作用以及在一定程度抑制膨脹土顆粒的滑移和變形，從而達到提高膨脹土強度和改善膨脹土變形性能的目的。

由于石灰含量有限，即便經(jīng)過改良，膨脹土中土顆粒團仍然能夠接觸到水。干濕循環(huán)作用下，膨脹土顆粒團不可避免地反復產(chǎn)生干縮和濕脹現(xiàn)象。土顆粒團的反復縮脹變形必然引起束縛土顆粒團的凝膠網(wǎng)絡骨架的反復變形。相比水泥改良土，通常石灰改良土的土骨架的抗疲勞穩(wěn)定性較差，因此，石灰改良土普遍存在的主要缺點為：在反復荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞變形。同樣，石灰改良膨脹土也存在這個缺點。因此，干濕循環(huán)作用下，石灰改良膨脹土骨架容易產(chǎn)生疲勞變形破壞，從而降低石灰改良膨脹土的抗剪強度和彈性模量。即干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的耐久性差。干濕循環(huán)作用是石灰改良膨脹土路基出現(xiàn)張裂破壞的主要原因之一。

從試驗結果可知，提高圍壓可以抑制干濕循環(huán)對彈性模量的衰減作用，這是因為，圍壓增加后，凝膠網(wǎng)絡骨架受到的束縛增大，從而增強了凝膠網(wǎng)絡骨架抵抗變形的能力。

3 結論

針對石灰改良膨脹土，通過對干濕循環(huán)試樣開展三軸壓縮試驗，研究內(nèi)摩擦角、粘聚力和初始彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，分析了干濕循環(huán)的影響機理，得到以下主要結論：

⑴干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的耐久性差。石灰改良膨脹土的內(nèi)摩角、粘聚力和初始彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而衰減。其中，粘聚力和初始彈性模量的衰減最顯著。

⑵提高圍壓有助于減少干濕循環(huán)對石灰改良膨脹土初始彈性模量的衰減作用。