付相深，王齊，楊振北，李賢，汪時(shí)機(jī)

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

膨脹土是一種遇水膨脹、失水收縮的高液限黏土，在中國乃至全世界的分布均十分廣泛。因其兼具多裂縫性和超固結(jié)性,對環(huán)境的濕熱變化敏感，裂縫寬度隨季節(jié)變化，工程性質(zhì)極不穩(wěn)定[1]，對路基、壩基和邊坡等建設(shè)工程的危害較大[2-3]，中國每年因此產(chǎn)生的工程危害經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)百億美元以上[4-5]。近年來，相關(guān)學(xué)者就膨脹土的改良方法開展了大量試驗(yàn)和研究工作，包括應(yīng)用物理、化學(xué)方法[6]、生物技術(shù)和固體廢棄物等[7-8]進(jìn)行改良處治，如沈泰宇等[9]、Ali等[10]通過室內(nèi)土工試驗(yàn)研究了纖維類材料改良膨脹土的可行性和效果；Sami等[11]、Mujtaba等[12]利用硅粉、石灰、高爐礦渣改善膨脹土的工程特性。楊俊等[13]、莊心善等[14]通過試驗(yàn)研究了摻入風(fēng)化砂后膨脹土的一系列工程特性參數(shù)的變化；曾娟娟等[15]、陳永青等[16]通過一系列一維固結(jié)試驗(yàn)及三軸剪切試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，生物酶能有效地改善膨脹土的壓縮性，提高改良膨脹土的力學(xué)性能；He等[17]研制了一種液體離子土壤穩(wěn)定劑，用于控制膨脹土的膨脹和收縮行為，能夠有效抑制膨脹土脹縮變形并提高其強(qiáng)度。雖然目前膨脹土改良的技術(shù)已得以發(fā)展，但經(jīng)濟(jì)、高效且便捷的改良技術(shù)和方案仍有待進(jìn)一步深入和探究。

水玻璃(硅酸鈉的水溶液)具有黏結(jié)力強(qiáng)、價(jià)格低廉、膠凝時(shí)間短等特點(diǎn)，對黏土礦物具有改性作用[18-19]，水玻璃對膨脹土的改性作用有一定的研究價(jià)值?；谠谂蛎浲林邪枞腼L(fēng)化砂可以改善土體顆粒級配、增大孔隙率及土顆粒之間摩擦力的物理原理，“摻砂法”能夠起到降低膨脹率并提高抗剪強(qiáng)度的作用[13]，但露天開采風(fēng)化砂往往伴隨著生態(tài)環(huán)境問題[20]，部分地區(qū)對露天礦的采動還具有災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[21]。另外，由于過度開采，天然砂日益匱乏,為節(jié)約成本，縮短工期，工程建設(shè)中機(jī)制砂正在逐步替代天然砂。對此，用機(jī)制砂替代天然風(fēng)化砂對膨脹土進(jìn)行改良就具有一定的研究價(jià)值。在路基、基坑等工程中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，能準(zhǔn)確地反映土的強(qiáng)度特性。筆者以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為主要試驗(yàn)指標(biāo)，探究機(jī)制砂和水玻璃在單獨(dú)作用和復(fù)合作用下膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化，并通過試驗(yàn)研究了摻砂粒徑對改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

1.1 膨脹土

試驗(yàn)用膨脹土取自廣西南寧市邕武路某路段，該路段處于坡度平緩的丘陵地帶，取土深度為地表以下2～3 m。土樣呈黃褐色，由泥灰?guī)r的風(fēng)化殘積物形成，黏土礦物成分主要為伊利石，含量超過70%。測試得到試驗(yàn)用土的相關(guān)物理性質(zhì)：天然重度19.6 kN/m3，天然含水率15.34%，孔隙比0.88，塑限27.85%，液限52.45%，塑性指數(shù)25，自由膨脹率42%。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)[22]，該膨脹土成因類型為A類，綜合判定為弱～中等膨脹土。

1.2 機(jī)制砂

試驗(yàn)用砂是由SiO2>96%的天然石英質(zhì)海砂經(jīng)過加工得到的，濕含量小于0.2%，燒失量小于0.4%。其相關(guān)物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)用機(jī)制砂的相關(guān)物理性質(zhì)Table 1 Relevant physical properties of the manufactured sand for testing

1.3 水玻璃

為便于控制，試驗(yàn)中試樣的含水率一致，試驗(yàn)采用山東優(yōu)索化工科技有限公司生產(chǎn)的零水硅酸鈉(Na2SiO3)，模數(shù)為1.4，規(guī)格為分析純，白色粉狀固體，常溫下易溶于水。試驗(yàn)中將其溶于水而得到的溶液即為水玻璃。

2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 機(jī)制砂和水玻璃對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

取膨脹土樣風(fēng)干碾碎后過2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，再放入110 ℃烘箱烘干至恒溫后取出，用于制樣。為探究機(jī)制砂和水玻璃在單一作用和復(fù)合作用下對試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分別取硅酸鈉摻量為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.5%，砂的摻量為0.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%(摻量為機(jī)制砂或硅酸鈉的質(zhì)量占試樣干重的比例)進(jìn)行交叉試驗(yàn)。為最大程度接近現(xiàn)場實(shí)際情況，試驗(yàn)制備的試樣含水率均取為15%(接近試驗(yàn)用土的天然含水率)，干密度取天然干密度1.65 g/cm3，便于制樣和觀察比較。試樣為直徑38.1 mm，高80 mm的圓柱體試樣，試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[23]進(jìn)行，采用YSH-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，軸向速率為1 mm/min,每種摻量下的改良土做3組平行試樣，取平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同摻量下改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值Table 2 Unconfined compressive strength values of modified expansive soils with different amounts

以硅酸鈉摻量為橫坐標(biāo)，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，得到的交叉試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由試驗(yàn)結(jié)果可見，分別單獨(dú)摻入機(jī)制砂和水玻璃時(shí)，強(qiáng)度均隨著摻量的增加而先增大后減小。機(jī)制砂摻量為10%時(shí)，試樣強(qiáng)度最高，與楊俊等[13]利用風(fēng)化砂改良膨脹土的研究結(jié)果相同，水玻璃(硅酸鈉)摻量為1.0%時(shí)，試樣強(qiáng)度最高。復(fù)合摻入時(shí)，機(jī)制砂降低了水玻璃的改良效果。

圖1 交叉試驗(yàn)結(jié)果

圖2(a)、(b)分別是通過上述無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出的在單獨(dú)摻入機(jī)制砂和水玻璃時(shí)試樣破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖2可以看出，分別摻入機(jī)制砂和水玻璃時(shí)，試樣剛度較素土均有所提高(剛度可用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段斜率定性表征)，且提高幅度均隨摻量的增加而先增大后減小，后者提高效果明顯優(yōu)于前者。摻砂量為10%時(shí)，試樣剛度最大，但摻砂量達(dá)到20%時(shí)，剛度低于素土。摻入水玻璃時(shí)，剛度均高于素土，摻量為1.0%時(shí)，試樣剛度最大。

圖2 不同改性試樣破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of different modified

2.2 摻砂粒徑范圍對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為探究摻入砂的粒徑范圍對試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，將試驗(yàn)用的機(jī)制砂依次過2、1、0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑分別為≤0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm的砂。由表2可得，單獨(dú)摻入機(jī)制砂時(shí)，當(dāng)摻量為10%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，因此，在控制摻砂量為10%的情況下，改變摻入砂的粒徑大小，觀測試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。試樣含水率及干密度同上一試驗(yàn)，制樣方法及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也同上一試驗(yàn)。得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同摻砂粒徑下試樣的強(qiáng)度變化Fig.3 Variation of sample strength under different

3 直剪試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究兩種方法在有側(cè)限壓力情況下對土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，對摻砂10%、摻水玻璃1.0%以及兩者復(fù)合作用下的膨脹土開展直剪試驗(yàn)，含水率和干密度與前述試驗(yàn)保持一致，得到不同垂直壓力σ下的抗剪強(qiáng)度τf，擬合出的τf-σ關(guān)系曲線和公式如圖4所示，得到的莫爾-庫倫抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表3。

圖4 τf-σ關(guān)系曲線

表3 不同土樣的莫爾-庫倫強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Measured Mohr-Coulomb shear strength parameters of different soil samples

由圖4和表3可以得到，摻入機(jī)制砂(10%)后土樣黏聚力減少了8.7%，但內(nèi)摩擦角增大了5.4°，摻入水玻璃(1.0%)后，黏聚力增大了41%，內(nèi)摩擦角增大了2.9°，兩者復(fù)合作用下，土樣黏聚力增大了10.4%，內(nèi)摩擦角增大了3.0°。機(jī)制砂主要通過改變土體的內(nèi)摩擦角而影響抗剪強(qiáng)度，水玻璃主要通過改變土體的黏聚力而影響抗剪強(qiáng)度。相比機(jī)制砂單獨(dú)作用及兩者復(fù)合作用，水玻璃單獨(dú)作用對抗剪強(qiáng)度的提高作用更明顯。

4 自由膨脹率試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法對該膨脹土膨脹特性的影響，分別用摻量為10%的機(jī)制砂(粒徑≤0.5 mm)和摻量為1%的硅酸鈉(水玻璃)對該膨脹土進(jìn)行改良，觀測改良前后的自由膨脹率。試樣制備方法為：選取具有代表性的風(fēng)干膨脹土樣過0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，在110 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱(精度0.1 ℃)內(nèi)烘干。取3份烘干土樣，每份100 g，調(diào)整含水率至15%(接近天然含水率)，一份為素土試樣，其余兩份分別摻入10%的機(jī)制砂(粒徑≤0.5 mm)和1%的硅酸鈉攪拌均勻，將試樣用密封袋密封，放入保濕缸中靜置24 h后取出，觀測自由膨脹率δef，試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[23]進(jìn)行，每組土樣進(jìn)行 3次平行試驗(yàn)，3次結(jié)果相對誤差控制在1%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 改良前后土樣的自由膨脹率Table 4 Free expansion rate of soil samples before and after improvement

結(jié)果顯示，兩種改良方法均能降低膨脹土自由膨脹率，改良后的土樣膨脹性體現(xiàn)為非膨脹土(δef<40%)。

5 結(jié)果分析

1)單獨(dú)摻入機(jī)制砂時(shí)，由表2和圖3可得，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和剛度隨著摻量的增加先增大后減小，當(dāng)摻量為10%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，摻量超過10%時(shí)開始降低，當(dāng)摻量為15%時(shí)，低于素土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。結(jié)合莊心善等[24]對風(fēng)化砂改良膨脹土強(qiáng)度特性的研究進(jìn)行分析，當(dāng)摻量較小時(shí)，機(jī)制砂的摻入改變了試樣的顆粒級配，密實(shí)度提高，增加了試樣中粗顆粒的含量和硬度，同時(shí)，還增加了試樣中顆粒與顆粒間的摩擦力以及砂粒與土之間的膠結(jié)咬合，強(qiáng)度和剛度增加，但隨著摻量的增加，試樣中膨脹土的含量減少，孔隙率增加，密實(shí)度降低，試樣的黏聚力不斷減小，強(qiáng)度和剛度逐漸降低，當(dāng)摻砂量達(dá)到15%時(shí)，強(qiáng)度和剛度均低于素土試樣。

2)控制摻砂量為最佳摻量10%，改變砂的粒徑范圍，圖3所示結(jié)果表明，摻砂粒徑小于0.5 mm時(shí)，相比表2(未控制摻砂粒徑)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅度提高，由圖4和表3可得，此改性作用下土樣的內(nèi)摩擦角顯著提高，抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)提高。摻砂粒徑大于0.5 mm時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于素土試樣。將圖3中不同摻砂粒徑下的試樣分別編號為1#、2#、3#、4#，1#～4#試樣破壞后的裂隙截面見圖5。如前面所分析，摻砂可以提高顆粒間的膠結(jié)力和摩擦力，所以，2#比1#(素土)更密實(shí)，裂隙截面更粗糙，強(qiáng)度也更高。而隨著摻砂粒徑的增加，與2#試樣相比，3#、4#試樣孔隙增多，密實(shí)度降低，4#試樣比1#試樣更松散。由此可見，隨著摻砂粒徑變大，顆粒之間的骨架間隙增大，導(dǎo)致黏聚力的減小超過顆粒間摩擦力的增加，試樣的強(qiáng)度降低，且低于摻砂前的強(qiáng)度。

隨著摻量的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度開始逐漸減小。一方面，由于水玻璃中硅酸鈉水解生成硅酸凝膠為水解反應(yīng)(可逆反應(yīng))，當(dāng)水解達(dá)到一定程度，隨著硅酸鈉的加入，不再生成硅酸凝膠。另一方面，已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體中孔隙溶液的濃度增大時(shí)，土顆粒之間的排列及結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變[26-27]，而土體的結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度具有重要影響，隨著硅酸鈉摻量的增加，鹽溶液的濃度增加，改變了膨脹土的結(jié)構(gòu)，使其從集聚狀變成絮凝狀，使得土體結(jié)構(gòu)變得疏松，降低了顆粒之間的作用[28-29]，所以，試樣的密實(shí)度呈6#>7#>8#的規(guī)律，試樣的強(qiáng)度和剛度也逐漸降低。

4)當(dāng)水玻璃和機(jī)制砂復(fù)合改良時(shí)，保持水玻璃摻量一定，表2所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著機(jī)制砂的摻入，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，改良效果不如水玻璃單獨(dú)改良時(shí)的效果，當(dāng)砂的摻量達(dá)到15%時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度低于素土試樣。這是由于，雖然單獨(dú)加入一定量的機(jī)制砂可以提高試樣的強(qiáng)度，但由表1可知，試驗(yàn)所用的機(jī)制砂粗粒含量較多(粒徑大于0.5 mm的顆粒占比超過70%)，當(dāng)復(fù)合改良時(shí)，相對于試樣中原來的土顆粒，粗砂顆粒比表面積降低，不僅降低了凝膠在土顆粒之間的黏結(jié)作用，還降低了試樣的密實(shí)性，從而導(dǎo)致機(jī)制砂的加入降低了水玻璃的改良效果。從圖4及表3可見，相比水玻璃單獨(dú)作用時(shí)，兩者復(fù)合作用下土樣黏聚力的提高幅度有所降低，也進(jìn)一步說明機(jī)制砂的加入會降低凝膠在土顆粒之間的黏結(jié)作用。

5)由自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果可得，摻機(jī)制砂和摻水玻璃均能使該膨脹土的自由膨脹率降低，按照規(guī)范，改良后的土已不屬于膨脹土,進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種膨脹土改良方法的可行性。兩種方法相比，水玻璃降低自由膨脹率的效果稍好，但具體的降低機(jī)理還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)探究。

6 結(jié)論

1)機(jī)制砂替代天然風(fēng)化砂改良該弱膨脹土具有一定可行性，摻砂量為10%、摻砂粒徑小于0.5 mm的情況下，改良效果最好，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可提高15.7%，剛度達(dá)到最大，內(nèi)摩擦角增大，抗剪強(qiáng)度提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，若摻砂粒徑大于0.5 mm，會降低該膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。與風(fēng)化砂改良相比，機(jī)制砂材料供應(yīng)更方便，成本更低，可以為通過摻砂方法改良膨脹土的實(shí)際工程提供參考。在路基工程中，可按“素土攤平、含水率調(diào)整、路拌機(jī)拌合、碾壓整平、檢測驗(yàn)收”的原則設(shè)計(jì)施工工藝。

2)水玻璃(硅酸鈉溶液)摻入該弱膨脹土后，土體的剛度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)硅酸鈉的摻量為1%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，提高了52.4%，剛度達(dá)到最大，黏聚力提高了41%，抗剪強(qiáng)度較素土顯著提高，自由膨脹率由改良前的42%降低到20%，對該膨脹土的改良效果較好。與目前已有的其他復(fù)合改良方法相比，水玻璃改良配制簡單、施工便捷，更加經(jīng)濟(jì)，實(shí)際應(yīng)用中可采用現(xiàn)場土壤分層噴灑的方法，針對不同地區(qū)的膨脹土改良，此方法的有效性還需進(jìn)一步的現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。