趙永永

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

膨脹土因其強度低、含水率和壓縮性高等原因，容易造成安全隱患，甚至引發(fā)工程事故[1-2]。通過物理或化學手段對膨脹土進行改性，是提高其力學性質的有效手段[3-5]。

黃英豪等[6]采用相變材料改良膨脹土，對改良后膨脹土的凍融特性進行了研究。安愛軍等[7]基于蒙內鐵路工程存在的膨脹土進行改良，通過核磁共振和電鏡掃描等手段對改良后膨脹土的微觀結構進行了分析。鞏齊齊等[8]通過崩解性砂巖對膨脹土進行改良，研究了改良后膨脹土的裂縫發(fā)展規(guī)律。莊心善等[9]對風化砂改良膨脹土的動力特性做了研究。張雁等[10]利用煤矸石對膨脹土進行改良，確定了最佳摻量，并對最佳摻量下的改良膨脹土的空隙特征值進行了測定。李國維等[11]對崩解性軟巖改良膨脹土的可行性進行了研究，研究表明改良膨脹土的強度穩(wěn)定性得到了提升。商擁輝等[12]通過數(shù)值手段研究了改良膨脹土路基的動力特性。董柏林等[13]利用大型固結儀研究了碎石改良膨脹土的力學特性，研究發(fā)現(xiàn)，摻入25%以上的碎石改良效果較好。

本文基于引江濟淮工程實際，利用水泥對膨脹土進行改性，對素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土進行了凍融循環(huán)試驗，研究了凍融循環(huán)作用對試樣的含水率和體積的變化。在凍融循環(huán)過程中，通過無側向壓縮試驗，對素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土的力學性質進行了研究。

2 試驗準備

引江濟淮工程(安徽段)在引江濟巢段、江淮溝通段有超過100 km的河段分布有弱、中等膨脹潛勢的膨脹土(巖)及少量崩解巖。水泥改性土換填是提高河道邊坡穩(wěn)定性最經(jīng)濟有效的方式之一。本文的試驗對象為引江濟淮工程安徽段膨脹土，通過水泥對膨脹土進行改性，對在凍融循環(huán)下水泥改性膨脹土的力學特性做了研究。

2.1 試樣制備

試驗所用的膨脹土來自引江濟淮工程(安徽段)的引江濟巢段施工工地，為中膨脹土，外觀呈現(xiàn)棕黃色。表1為該膨脹土的基本物理指標。表2為該膨脹土的顆粒組成含量。水泥為普通硅酸鹽水泥。

表1 膨脹土基本物理指標

表2 膨脹土顆粒組成含量 %

試驗試樣為圓柱形，具體制作步驟如下:(1)將土料取回經(jīng)風干后進行篩分；(2)添加水泥，水泥與膨脹土質量的比值即為摻灰比，依據(jù)設定的摻灰比進行配置；(3)根據(jù)含水率的不同往試樣中均勻加水，加水完成后在初凝開始前立即進行制樣。試樣分5層擊實，壓實度控制為90%。試樣尺寸設置為高度120 mm，直徑60 mm，制樣完成后分組養(yǎng)護28 d。試驗所用的試樣數(shù)量為42個。

2.2 研究方案

依據(jù)相關研究和實際工程經(jīng)驗，水泥改性膨脹土的摻灰比設置3種，分別為4%、6%和8%，同摻灰比0%的素膨脹土進行凍融循環(huán)試驗和無側限抗壓試驗，以對比不同摻灰比水泥改性土與素膨脹土的力學性質差異，以及不同凍融循環(huán)次數(shù)對試樣的影響情況。

試樣養(yǎng)護完成后即可開始進行凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)模型試驗裝置的溫度控制精度為±1℃，且在試驗過程中可通過補水進行溫度控制。對試樣進行12次的凍融循環(huán)，一次循環(huán)過程為試驗開始后先將試樣放置在-10℃的環(huán)境中凍結12 h，之后再在常溫條件下將試樣融化12 h。

為了在變形測量過程中考慮到試樣發(fā)生不均勻變形，沿試樣高度設置5個斷面進行試樣的直徑測量，設置2個垂直斷面以測量試樣高度，最后對測量結果進行平均。含水率的測定通過試驗結束后對試樣進行稱重來計算。

凍融循環(huán)次數(shù)對試樣力學特性的影響規(guī)律也是本研究的目的之一，通過無側限壓縮試驗對凍融循環(huán)次數(shù)分別為 0、1、2、3、5、7、9 和 12 次的試樣應力應變狀態(tài)進行確定。無側限壓縮試驗的控制方式選用應變控制，加載速率為1.5 mm/min。

3 結果與分析

3.1 凍融循環(huán)過程中的試樣含水率變化

圖1展示了在凍融循環(huán)過程中試樣水分的損失情況。從圖中可以看出，水分損失與凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)正相關。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的水分損失逐漸增大，最大值不超過5%。在凍融循環(huán)次數(shù)相同時，水分損失率最大的為素膨脹土試樣。在試驗初期，三種水泥改性膨脹土的水分損失率較為接近，在試驗末期，水分損失率從大到小的摻灰比依次為4%、6%和8%，這說明水泥能降低在凍融循環(huán)條件下膨脹土的水分損失，摻灰比越高，水分損失越小。

圖1 凍融循環(huán)過程中試樣的水分損失

3.2 凍融循環(huán)和對試樣體積的影響

圖2展示了凍融循環(huán)過程中各試樣的體積變化情況。從圖中可以看出，在凍融循環(huán)過程中，水泥對膨脹土的變形有抑制作用。未摻入水泥的膨脹土即素膨脹土試樣的體積變化較大，在試驗結束時，達到了2.5%左右，變化幅值在試驗初期較大，后面趨于穩(wěn)定，約為1.5%。相較于素膨脹土試樣，摻入水泥的改性膨脹土的體積變化率較小，約為-1.5%～0.5%之間，水泥在凍融循環(huán)過程中對膨脹土的變形抑制效果顯著，亦呈現(xiàn)出摻灰比越高體積變化率越小的一般性規(guī)律。這是由于，通過往膨脹土中摻入水泥后，土中含的水會與摻入的水泥兩者之間會發(fā)生水化反應，使得土體由之前的離散狀態(tài)逐漸演變?yōu)槟z結狀態(tài)，導致了土體性質的變化，降低了土體的脹縮特性，提高了強度。

圖2 凍融循環(huán)過程中試樣的體積變化

3.3 凍融循環(huán)條件下的水泥改性土力學特性

凍融循環(huán)在自然界中是一種常見的強風化作用，對土石結構的力學性質有著極大的影響。本文通過無側限壓縮試驗，對不同循環(huán)次數(shù)下試樣的力學參數(shù)進行了測定。

3.3.1 應力-應變曲線

圖3展示了在凍融循環(huán)條件下素膨脹土和3種不同摻灰比的水泥改性土的應力應變曲線。從圖中可以看出，土體應力應變曲線形式為“軟化型”，通過不同摻量的水泥對膨脹土進行改性，均可以顯著提高土體強度，但是與素膨脹土試樣的應力應變曲線相比，改性土的塑性表現(xiàn)較差，這說明水泥在提高土體強度的同時，亦降低了其塑性。

圖3 膨脹土應力-應變曲線

就同一試樣而言，呈現(xiàn)出凍融循環(huán)次數(shù)增加而峰值應力減小的一般特征，且降低幅度在第一次循環(huán)之后最為明顯，之后隨著循環(huán)次數(shù)增加，峰值應力的降低幅度較小。就水泥改性膨脹土而言，如圖3b、3c、3d所示，強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加的同時，其試樣變形能力也逐漸提高，即曲線由“瘦高”向“矮胖”轉變，雖然強度減少，但是隨著應變的增加，應力降低沒有凍融循環(huán)前來得那么快，這說明，凍融循環(huán)作用不僅降低了水泥改性膨脹土的強度，亦提升了其韌性。

3.3.2 無側限抗壓強度

將凍融循環(huán)作用后的試樣無側向抗壓強度與其未受到凍融循環(huán)作用的初始強度比值定義為F，圖4展示了在不同凍融循環(huán)次數(shù)下各試樣的F變化情況。從圖中可以看出，表現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而F值減小的一般性規(guī)律，且F的減小幅度在第一次凍融循環(huán)之后表現(xiàn)得最為明顯，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)降低的幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。對比不同試樣發(fā)現(xiàn)，摻入水泥能有效減緩凍融循環(huán)作用對無側限抗壓強度的影響，且隨著摻灰比的增加，減緩作用越來越明顯。這是由于摻灰比越大，即改性土試樣中存在的水泥成分越多，土顆粒之間的膠結作用則會越明顯，土體越牢固，受凍融循環(huán)的影響則越小。

圖4 F隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

3.3.3 彈性模量

將凍融循環(huán)作用后的試樣應變?yōu)?%時的彈性模量與其未受到凍融循環(huán)作用的試樣應變?yōu)?%時的初始彈性模量比值定義為Q，圖5展示了在不同凍融循環(huán)次數(shù)下各試樣的Q變化情況。從圖中可以看出，表現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而Q值減小的一般性規(guī)律，且Q的減小幅度在第一次凍融循環(huán)之后表現(xiàn)得最為明顯，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，Q降低的幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。與素膨脹土試樣相比，摻入水泥能有效減緩凍融循環(huán)作用對彈性模量的影響，且隨著摻灰比的增加，減緩作用逐漸增加，但不同摻灰比下的彈性模量差異不是非常大。

圖5 Q隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

3.3.4 破壞應變

根據(jù)以上研究，膨脹土的應力應變曲線屬于軟化型曲線，在該曲線中，破壞應變則對應應力應變曲線中峰值軸應力所對應的軸向應變。圖6展示了不同試樣的破壞應變隨凍融次數(shù)增加的變化情況。從圖中可以看出，素膨脹土的破壞應變較高，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其破壞應變呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢。相對于素膨脹土試樣而言，水泥改性膨脹土的破壞應變較小，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加雖然略有波動，但變化不大。破壞應變與摻灰比呈現(xiàn)負相關趨勢，摻灰比越大，破壞應變越低，這亦證明了前文的結論，往膨脹土中摻入水泥進行改性，在增大土體強度的同時，亦降低了其塑性。

圖6 應變破壞隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

4 結論

本文結合引江濟淮工程的具體工程實際，通過水泥對膨脹土進行改性，對素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土進行了凍融循環(huán)試驗，研究了凍融循環(huán)作用對試樣的含水率和體積的變化。在凍融循環(huán)過程中，通過無側向壓縮試驗，測定了素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土的力學性質。得出主要結論如下:

(1)在凍融循環(huán)過程中，試樣的水分損失與凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)正相關趨勢，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的水分損失逐漸增大。通過摻入水泥，對在凍融循環(huán)過程中的試樣水分損失和體積變化情況均有改善效果。

(2)凍融循環(huán)作用降低土體的強度的同時，增大了土體韌性，使其變形能力有所提高。

(3)通過不同摻量的水泥對膨脹土進行改性，均可以顯著提高土體強度，但改性土的塑性表現(xiàn)較差，摻入的水泥量越多，破壞應變越小，摻入水泥在提高土體強度的同時，亦降低了塑性。

(4)摻入水泥能有效減緩凍融循環(huán)作用對土體無側限抗壓強度和彈性模量的影響，且隨著摻灰比的增加，減緩作用越來越明顯。