樊繼文 朱玥瑩 李佳欣 王 宇 高理想 王殷才 龔 升

南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210000

膨脹土是指內(nèi)部含有較多親水性粘土的礦物質(zhì)。膨脹土吸收水分會發(fā)生膨脹并且軟化，失去水分后會發(fā)生收縮繼而開裂。膨脹土成因多以沉積、坡積、沖積、湖積等為主。膨脹土的顏色多為黃色，內(nèi)部含有礦物質(zhì)成分以蒙脫石、伊利石為主。在干燥時其強度較高，吸水或經(jīng)多次膨脹收縮后強度迅速降低。當天然含水率較高時，浸水后的膨脹土膨脹量和膨脹力都比較小，而失水后的膨脹土收縮量與收縮力都會增大。在我國膨脹土分布廣泛，其主要分布在平原，盆地以及河間地塊。

1 膨脹土的改良方法

當施工建筑區(qū)域下含有膨脹土?xí)r，由于膨脹土具有這種遇水膨脹、失水收縮的特性，極大可能會對建筑物造成極其嚴重的危害與損壞，故應(yīng)當首先考慮對膨脹土的改良，以此降低膨脹土的膨脹性對工程安全性的影響。

1.1 物理方法

當建筑工程量較小或建筑下方覆蓋的膨脹土較少時，一般會選取換填法。用符合要求土來換去膨脹土，其操作簡單。但是由于投入的時間和精力都較多，不太適用于大多數(shù)的施工建筑中膨脹土的改良。

通過改變膨脹土的物理性質(zhì)的方法叫作機械法，具體包括強夯、樁基等方法。采用機械法可以使膨脹土的干密度加大，孔隙比減少，這種方法可以有效抑制膨脹土的不均勻沉降，以此提高膨脹土地基的穩(wěn)定性。但由于夯實后的膨脹土仍然具有浸水后體積會劇烈膨脹，失水后體積收縮的特性，所以機械法只適用于上層建筑較小的情況。因此，采用機械法改良膨脹土，不能從根本上解決膨脹土的特性問題。

1.2 化學(xué)法

化學(xué)法是當代土木工程建設(shè)中一種常用的改良方法，也是一種能從根本上改變膨脹土遇水膨脹、失水收縮特性的方法?；瘜W(xué)法的具體原理是在膨脹土中加入改良劑使膨脹土內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞膨脹土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，形成新的無不良膨脹性的改良土質(zhì)?？梢允褂檬?、水泥、固化劑等對膨脹土的土壤性質(zhì)進行改善。

1.2.1 石灰改良膨脹土法

石灰改良法作為應(yīng)用最早的一種改良方法，被廣泛應(yīng)用于各種建筑物工程的邊坡和路基加固。在膨脹土中加入石灰后，石灰會和膨脹土發(fā)生一系列的反應(yīng)，其中主要包括離子交換、結(jié)晶等。而離子交換主要指的是石灰中活性強的Ca2+取代膨脹土中低階離子的過程，以降低膨脹土的液限，增加膨脹土的抗堿程度，使膨脹土的力學(xué)性能得到良好的改善，使之滿足建筑工程的要求。

1.2.2 水泥改良膨脹土法

水泥法和石灰法一樣被廣泛運用，但水泥法主要是利用水泥水化后形成的晶體和溶液中的Ca2+來使土壤達到加固的效果。但值得注意的是，在使用水泥改良膨脹土?xí)r，改良劑的添加并不是越多效果越好，膨脹土的強度在一定程度會隨著水泥摻入量的增加而減小。這是由于在加入水泥使膨脹土的物理化學(xué)性能得到改善的同時也會不斷消耗膨脹土內(nèi)部的結(jié)合水，而使膨脹土內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生干裂，近而降低的膨脹土的性能。所以選用水泥作為膨脹土的改良劑時，應(yīng)當擁有一個合理的濃度參數(shù)。

1.2.3 固化劑改良膨脹土法

固化劑中主要包含粉煤灰、鋼渣粉等工業(yè)廢渣。選用工業(yè)廢渣作為改良劑，是因為生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廢渣的產(chǎn)生也隨之增多。為了解決工業(yè)廢渣不斷增加的現(xiàn)象，研究者便嘗試使用工業(yè)廢渣作為改良劑改良膨脹土的不良性質(zhì)，以求替換石灰和水泥。這樣既可節(jié)省石灰、水泥材料，又可對工業(yè)殘渣實現(xiàn)循環(huán)利用。

在張曉果、楊博等人的路基膨脹土改良試驗研究中[1]，我們可以看到石灰改良膨脹土的效果最好，而水泥、固化劑改良膨脹土雖然也能提高膨脹土的物理化學(xué)性質(zhì)，但其并未能從根本上解決膨脹土遇水易崩解的問題。

2 力學(xué)性能研究

2.1 土抗剪強度

2.1.1 干濕循環(huán)對改良后的膨脹土抗剪強度的影響

改良后的膨脹土抗剪能力與黏聚力有關(guān)。由不同石灰摻量和不同干濕循環(huán)作用下石灰改良后的膨脹土黏聚力變化規(guī)律可知，隨著石灰摻量的逐漸增大，膨脹土黏聚性先增強后減弱，這表明石灰對膨脹土強度有著一定的促進作用，但并不成絕對的正比關(guān)系[2]。由圖1可以看出，循環(huán)次數(shù)和黏聚力成反比關(guān)系，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，改良后的膨脹土黏聚力隨之減弱。

圖1 黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線[2]

和黏聚力相同的是，干濕循環(huán)作用對石灰改良后的膨脹土抗剪強度影響因素之一的內(nèi)摩擦角也有著很大的影響。由圖1可知，石灰摻量的增大也對內(nèi)摩擦角起著先增強后減弱的作用，但變化幅度略微減小。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，會引起內(nèi)摩擦角逐漸減小[2]。

干濕循環(huán)作用會極大程度減弱膨脹土的強度，從圖2可得不同干濕循環(huán)次數(shù)對內(nèi)摩擦角與黏聚力的變化規(guī)律，干濕循環(huán)次數(shù)的增多會引起內(nèi)摩擦角的不斷減小及黏聚力的不斷降低，膨脹土逐漸膨脹軟化，抗剪強度也隨之受到影響而降低。在土樣含水量較低的情況下，土樣中的水主要以結(jié)合水的形式存在，因其具有一定的黏滯性，從而使得土樣間的膠結(jié)作用較大。當結(jié)合水膜隨含水量增加由薄變厚時，結(jié)合水膜的膠結(jié)作用力也會跟著減小，由此帶來抗剪強度的減弱。因此，在實際工程中，對于低含水率的膨脹土，其吸水后強度減弱情況將十分嚴重，應(yīng)提前做好防排水和土體改良工作。

圖2 內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線[2]

2.1.2 凍融循環(huán)對改良后膨脹土抗剪強度的影響

在相同的圍壓條件下，改良后的膨脹土抗剪強度在凍融循環(huán)次數(shù)增加的情況下逐漸減弱，且圍壓越大，抗剪強度下降得越快，這是由于凍融循環(huán)下膨脹土?xí)l(fā)生反復(fù)脹縮變形，使得土體結(jié)構(gòu)變得疏松，導(dǎo)致抗剪強度的下降[3]。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐步減小且減小趨勢逐漸趨于穩(wěn)定[4]?？辜魪姸入S著凍融循環(huán)次數(shù)變化而變化的曲線如圖3所示。

圖3 黏聚力和內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線[3]

凍融循環(huán)會影響膨脹土的黏聚力大小，凍融過程中土體顆粒的連接方式和整體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這將影響土體顆粒的間距，降低土體的黏聚力；同時，每一次的凍融循環(huán)也會對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生著影響，雖然石灰的加入會改變內(nèi)摩擦角，但一般來說，在石灰摻量一定的情況下，內(nèi)摩擦角會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。可以看出，在一定的石灰含量和豎向壓力下，膨脹土抗剪強度一開始會隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而有所衰減，之后趨于穩(wěn)定。這說明在凍融循環(huán)開始時，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能突遭破壞，土抗剪強度迅速減弱，而后隨著凍融次數(shù)的逐漸增多，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全破壞，抗剪強度隨之趨于穩(wěn)定，不再有大幅變化。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

2.2.1 干濕循環(huán)作用對改良后膨脹土力學(xué)性能的影響

膨脹土的無側(cè)限抗壓強度與壓縮模量有關(guān)。通過圖4，我們發(fā)現(xiàn)如果干濕循環(huán)次數(shù)不斷增加，土樣的壓縮模量就會隨之減小，影響效果也會不斷減弱，至第25次干濕循環(huán)作用下壓縮模量變化曲線趨于平緩。其中，首次干濕循環(huán)的作用效果最為顯著[5]。土體中的鹽晶體是土骨架的組成部分，鹽晶體在土體中主要起著膠結(jié)作用。在干濕循環(huán)的反復(fù)作用下，鹽晶體逐漸溶解從而致使土顆粒間的連接能力變差。此外，隨著土樣的濕度增加，伊利石、蒙脫石等親水礦物吸水膨脹，致使土骨架膨脹。而隨著土樣的濕度減小，土骨架失水后產(chǎn)生不均勻收縮，土樣的孔隙率會增大。

圖4 干濕循環(huán)次數(shù)與壓縮模量的關(guān)系曲線[7]

在一定量的同種改良劑作用下，如果干濕循環(huán)次數(shù)不斷增加，則無側(cè)限抗壓強度逐漸隨之降低。當粉煤灰的摻量為15%時，粉煤灰對于膨脹土無側(cè)限抗壓的強度的提高起到了最明顯的作用，改良效果最佳。在這種情況下，膨脹土在干濕循環(huán)作用下強度的弱化效應(yīng)最為明顯。當土體受的水的侵蝕作用后，團聚體膠結(jié)物質(zhì)將逐漸溶解，顆粒間的黏聚力逐漸減弱，部分土顆粒隨水溶液溶解遷移，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再密實，出現(xiàn)空隙、空洞等缺陷，從而造成改良膨脹土無側(cè)限抗壓強度降低[6]。

干濕循環(huán)對改良后膨脹土彈性模量也有一定程度影響。以石灰改良膨脹土為例，改良膨脹土樣的初始彈性模量會隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而顯著減弱，適當?shù)脑黾訃鷫嚎梢砸种聘蓾裱h(huán)對改良后膨脹土初始彈性模量的削減作用，這是由于圍壓增加后，凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架受到的束縛增大，從而增強了凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架抵抗變形的能力。膨脹土中的石灰遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會出現(xiàn)包裹著土顆粒和填充孔隙的凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而形成了新的土骨架。然而由于石灰的含量有限，即便經(jīng)過了改良，膨脹土中的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(fù)產(chǎn)生干縮和濕脹現(xiàn)象，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實度。土顆粒團的反復(fù)干縮和濕脹必然引起束縛土顆粒的凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架的反復(fù)變形[7]。

2.2.2 凍融循環(huán)作用對改良后膨脹土力學(xué)性能的影響

土樣在飽和的狀態(tài)下進行凍融循環(huán)。土樣在融化的過程中，冰晶體的融化使得土樣內(nèi)部水分進行了重新分布，土體內(nèi)部顆粒的排列、分布狀態(tài)發(fā)生了變化，孔隙大小及其分布也產(chǎn)生了變化，從而弱化了土骨架的強度。凍結(jié)過程中膨脹土內(nèi)部液態(tài)水含量對表面裂隙的分布及形態(tài)產(chǎn)生重要影響，當臨界飽和度較大時，凍結(jié)過程對裂隙起到促進作用，反之則為抑制作用。干濕凍融循環(huán)作用造成土體表面裂隙開始開裂時間滯后，主要原因是凍融過程使膨脹土整體結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮壓密，進而抑制了土體后續(xù)裂隙的生成。

在凍融循環(huán)的作用下，膨脹土的各項性能指標呈顯著下降趨勢。壓縮應(yīng)變與土樣的干密度有關(guān)。如圖5所示，垂直壓力介于0～200 KPa時，且土樣的干密度為最大值時，土樣側(cè)限壓縮應(yīng)變最大，也就是說，干密度較大的土樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而產(chǎn)生較大的變化[5]。在凍融循環(huán)次數(shù)一定時，側(cè)限壓縮應(yīng)變的增幅隨著垂直壓力的增加而增大。在同樣的垂直壓力作用下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，側(cè)限壓縮應(yīng)變也隨之增加，初期較為顯著，但隨著垂直壓力作用次數(shù)的增加，側(cè)限壓縮應(yīng)變的幅度不斷減小。由此可見，原本穩(wěn)定的壓實土體經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，強度發(fā)生了一定的弱化，循環(huán)次數(shù)越多，其削弱效果越明顯。

圖5 土樣在不同循環(huán)次數(shù)下垂直壓力與側(cè)限壓縮應(yīng)變的關(guān)系曲線[5]

由圖6可以看出，在一定垂直壓力的作用下，首次凍融循環(huán)對壓縮模量的減弱效果最為明顯，壓縮模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，當凍融循環(huán)次數(shù)增加至20次時，壓縮模量的減小幅度逐漸趨于平緩。

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)與壓縮模量的關(guān)系曲線[7]

3 結(jié) 論

本文探究了干濕、凍融環(huán)境作用下改良后膨脹土力學(xué)性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）膨脹土抗剪能力與粘聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)。摻入適量石灰可以增強膨脹土的結(jié)構(gòu)黏聚能力，提高膨脹土的強度。隨著石灰摻量的逐漸增加，膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角先增大后減小，并且存在改良臨界摻量。而內(nèi)摩擦角的變化幅度略小于黏聚力變化幅度。

（2）干濕循環(huán)對摩擦角的影響沒有黏聚力顯著，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，改良后的膨脹土粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小，且內(nèi)摩擦角減小與次數(shù)增加呈線性關(guān)系。

（3）在干濕循環(huán)作用下，改良膨脹土的骨架容易產(chǎn)生疲勞變性破壞，所以土樣的壓縮模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小的趨勢，其中首次干濕循環(huán)的作用效果最為顯著。

（4）在一定量的同種改良劑作用下，無側(cè)限抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

（5）膨脹土含有親水礦物，會因吸水膨脹和失水收縮而產(chǎn)生裂隙。凍融循環(huán)作用對原本穩(wěn)定的壓實土體產(chǎn)生了弱化作用。凍結(jié)過程中膨脹土內(nèi)部液態(tài)水含量對表面裂隙的分布及形態(tài)產(chǎn)生重要影響，當臨界飽和度較大時，凍結(jié)過程對裂隙起到促進作用，反之則為抑制作用。