周 榮，莊心善，周睦凱，彭承鴻

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

目前國內(nèi)外學(xué)者對膨脹土物理、化學(xué)改良后的土體強(qiáng)度進(jìn)行了研究，虞海珍[1]等將ESR生態(tài)改性劑摻入土中進(jìn)行化學(xué)改良，研究表明：試樣土的內(nèi)摩擦角和黏聚力在改良后明顯提高，水穩(wěn)性達(dá)到了較好的效果；查甫生等[2]使用乙炔的主要廢棄物電石渣對膨脹土進(jìn)行化學(xué)改良，得到了電石渣摻入比例、養(yǎng)護(hù)時間與改良土的強(qiáng)度、漲縮性的關(guān)系，并采用掃描電鏡驗證其結(jié)果；周葆春等[3]在膨脹土中摻入石灰，通過開展單軸、側(cè)限、三軸等試驗，研究了石灰試樣土在不同狀態(tài)下其強(qiáng)度變化，得出濕化飽和后改良土剛度與強(qiáng)度較高；楊俊等[4]通過直剪試驗得出風(fēng)化砂摻量與黏聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系；邊加敏等[5]采用了石灰改良膨脹土方法，研究了初始含水率、摻灰率等因素對改良土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。李妥德等[6]在膨脹土中摻加工業(yè)廢料-礦渣對其進(jìn)行改良，通過一系列試驗得出了改良土摻合料的最佳配比，得到了強(qiáng)度隨固化劑摻量、壓實密度、齡期的變化曲線；莊心善等[7]采用摻入石灰-玄武巖纖維來改性膨脹土，得到了石灰-玄武巖纖維摻量與膨脹土強(qiáng)度的關(guān)系，并確定了其最佳摻量；姚傳芹[8]等研究了不同濃度NaCl、CaCl2溶液對膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響，分析了溶液組分與濃度大小對土樣抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

綜上所述，盡管許多學(xué)者對物理化學(xué)改良后的膨脹土強(qiáng)度進(jìn)行研究，但在孔隙溶液環(huán)境變化時的膨脹土強(qiáng)度研究較少。當(dāng)今，諸多工程建設(shè)對凍土路基進(jìn)行撒鹽處理，該做法易導(dǎo)致土體孔隙溶液環(huán)境發(fā)生改變[9]，進(jìn)而影響膨脹土路基的宏觀力學(xué)性質(zhì)，因此本文研究不同濃度氯化鈉溶液下膨脹土強(qiáng)度變化具有十分重要的意義。

1 試驗材料

本試驗采用的土樣為河南南陽某公路的膨脹土，呈淡黃色，自由膨脹率為44%，為弱膨脹土，見圖1。主要由蒙脫石、伊利石和少許高嶺土組成，其基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。試驗采用氯化鈉溶液，其濃度配制分別為0、0.1、0.3、0.5 mol/L。

圖 1 膨脹土土樣

表1 膨脹土物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗方案

為了研究在氯化鈉溶液下土體強(qiáng)度的變化，參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對不同濃度氯化鈉溶液下的膨脹土進(jìn)行固結(jié)不排水試驗。試驗開始前，先將風(fēng)干過的土樣碾碎，過2 mm孔徑篩，將篩好的土放入溫度為105 ℃的烘箱中，烘烤24 h取出，待其完全冷卻后用密封袋進(jìn)行裝樣保存。

用量筒和燒杯等配制0、0.1、0.3、0.5 mol/L的氯化鈉溶液，并按照土的最優(yōu)含水量與干土進(jìn)行調(diào)配后，放置在塑料薄膜內(nèi)，燜料48 h，使土樣與氯化鈉溶液混合均勻。然后將配置好的土樣放入三瓣模內(nèi)，其中三瓣模直徑為39.1 mm，高度為80 mm，土樣按最大干密度分4層進(jìn)行壓實制樣，并對每層壓實土樣做刮毛處理。試樣制備完成后，使用真空飽和裝置來抽氣飽和，其養(yǎng)護(hù)溶液為氯化鈉溶液。將已養(yǎng)護(hù)好的試樣取出，放入TSZ-2型全自動三軸儀進(jìn)行CU試驗。試驗圍壓分別取100 kPa、200 kPa、300 kPa，剪切速率為0.05 mm/min,試驗所用儀器和破壞后的土樣見圖2。

圖 2 試驗儀器與試樣

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土樣含水率與干密度關(guān)系

按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行擊實試驗。分別制備五組不同含水率的試驗土樣，將每組土樣分層裝入擊實儀內(nèi)，按照相關(guān)規(guī)定，控制相同條件加以壓實；最后得到土樣的最優(yōu)含水率為17%，最大干密度為1.7 g/cm3，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖 3 含水率與干密度關(guān)系曲線

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

為了研究0、0.1、0.3、0.5 mol/L氯化鈉溶液對膨脹土強(qiáng)度的影響，本文采用全自動三軸儀進(jìn)行固結(jié)不排水試驗，得到不同濃度氯化鈉溶液下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，見圖4；不同圍壓下試驗土土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，見圖5。

(a)σ3=100 kPa

由圖4可見：

1)在相同圍壓下，0、0.1、0.3、0.5 mol/L氯化鈉溶液下的土樣主應(yīng)力之差隨著軸向應(yīng)變的增加呈先上升后下降的趨勢。

2)在圍壓為100 kPa時，素土樣的峰值強(qiáng)度最高，為410.5 kPa，0.5 mol/L氯化鈉溶液下土樣的峰值強(qiáng)度為109.8 kPa，遠(yuǎn)低于素土樣的峰值強(qiáng)度，表明氯化鈉溶液會降低膨脹土的強(qiáng)度。在圍壓為200 kPa、300 kPa時，測得數(shù)據(jù)同樣也是素土樣的峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)高于0.5 mol/L氯化鈉溶液峰值強(qiáng)度。

這是由于，一方面黏土顆粒表面帶有不平衡的負(fù)電荷，在電場作用下，四周游離狀態(tài)的陽離子會被吸引在土顆粒表面，從而與水分子、土體表面負(fù)電荷構(gòu)成雙電層；另一方面隨著氯化鈉溶液濃度增加，更多Na+吸附在土顆粒周圍，使土顆粒表面雙電層厚度減小，即減小了土顆粒間結(jié)合水膜厚度，土體結(jié)構(gòu)隨著結(jié)合水膜厚度的減小由集聚結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為絮凝結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低[8]。

由圖5可知，在相同氯化鈉溶液濃度下，隨著圍壓的增加，同一濃度下的土樣峰值強(qiáng)度會逐漸增加，在圍壓為300 kPa時，0、0.1、0.3、0.5 mol/L氯化鈉溶液下試樣土的峰值強(qiáng)度最大，依次為489.5 kPa、440.9 kPa、370.1 kPa、286.6 kPa，呈明顯降低趨勢。

(a)0 mol/L

因為土樣在固結(jié)狀態(tài)下，土體孔隙中水分逐漸排出、體積發(fā)生大幅度減小，內(nèi)部孔隙逐漸被壓縮。而且飽和土體是兩相體系，土顆粒與水的壓縮可忽略不計，土體變形量取決于孔隙的變化量，孔隙中水被壓出的量。圍壓較大時，試樣內(nèi)的砂顆粒和土顆粒充分地受擠壓，互相包裹，孔隙本身被大幅度壓縮，其變形的空間減少，逐漸形成密實結(jié)構(gòu)。顆粒表面充分摩擦，隨著體積的減小，改良土顆粒被壓縮得更加緊密，土體的抗剪強(qiáng)度增大。

3.3 氯化鈉濃度對內(nèi)摩擦角、黏聚力的影響

通過極限狀態(tài)莫爾-庫倫圓，得出氯化鈉溶液濃度與土樣內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系(表2、圖6)。由圖6可知：不同濃度氯化鈉溶液對內(nèi)摩擦角和黏聚力有著不同程度的影響。0 mol/L氯化鈉溶液下的土樣內(nèi)摩擦角最小，為9.52°；0.5 mol/L氯化鈉溶液下的土樣的內(nèi)摩擦角最大，為17.9°；氯化鈉溶液濃度從0～0.1 mol/L、0.1～0.3 mol/L、0.3～0.5 mol/L，其內(nèi)摩擦角依次增加量為1.99°、3.42°、2.97°，可得出0.3 mol/L土樣內(nèi)摩擦角變化量最大。原因可歸結(jié)為，隨著氯化鈉溶液濃度增加，雙電層厚度隨之減小，土顆粒重新排列更加困難，致使摩擦力增大，即表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大。

表2 不同氯化納濃度下內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系

圖 6 不同氯化納濃度下內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系曲線

膨脹土的黏聚力隨氯化鈉溶液濃度增加而逐漸減小。0 mol/L氯化鈉溶液下的土樣黏聚力最大，為158.3 kPa；0.5 mol/L氯化鈉溶液下的土樣黏聚力最小，為9.6 kPa。隨著濃度依次增大，黏聚力呈逐漸下降趨勢，氯化鈉溶液濃度的提高會使雙電層厚度減小，擴(kuò)散雙電層斥力減弱，從而使黏聚力逐漸降低?？傮w來說，濃度對內(nèi)摩擦角的影響相對較小。

由上述試驗結(jié)果可得到氯化鈉溶液濃度與內(nèi)摩擦角、黏聚力擬合關(guān)系曲線(圖7)；濃度與土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)擬合方程表達(dá)式,見表3，最終可得濃度與土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的一次函數(shù)表達(dá)式。

(a)內(nèi)摩擦角與氯化鈉溶液濃度

表3 內(nèi)摩擦角和黏聚力的擬合方程

可得出：

c=ax+b

(1)

φ=dx+e

(2)

其中，a、b、d、e為試驗參數(shù)，參數(shù)取值見表3，黏聚力和內(nèi)摩擦角的擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.9979、0.9955，表明擬合程度較好。

土的抗剪強(qiáng)度公式為：

τf=c+σtanφ

(3)

式中：τf土的抗剪強(qiáng)度，c土的黏聚力，φ土的內(nèi)摩擦角。

將(1)和(2)代入(3)氯化納可得氯化納濃度與土的抗剪強(qiáng)度函數(shù)：

τf=-291.85x+152.541+σtan(16.688x+9.71)

4 結(jié)論

在保持土樣干密度與含水率均為最佳條件下，分別將0，0.1，0.3，0.5 mol/L氯化鈉溶液與膨脹土均勻混合，依次進(jìn)行擊實試驗與CU剪切試驗，得到結(jié)論如下：

1)在相同圍壓下，不同濃度氯化鈉溶液的主應(yīng)差值呈現(xiàn)先增加后減小逐漸趨于平緩的趨勢，試樣土的抗剪強(qiáng)度會隨著氯化鈉溶液濃度的增加而降低，素土樣抗剪強(qiáng)度最大，說明氯化鈉溶液會降低膨脹土的抗剪強(qiáng)度。

2)在同一氯化鈉溶液濃度下，試樣土的峰值強(qiáng)度隨圍壓增大而增大。

3)氯化鈉溶液濃度的變化對內(nèi)摩擦角和粘聚力皆有影響，但兩者相比之下，對黏聚力影響極大。

4)濃度變化與土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈線性關(guān)系，可得出相對應(yīng)的一次函數(shù)表達(dá)式。