苑曉青,吳澤炬,王 清,陳慧娥,林 森,牛岑岑,徐 鑫

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130026

2.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,長(zhǎng)春 130021

0 引言

分散性土是一種鈉離子含量高的特殊黏性土。在水的作用下,黏土顆粒的雙電層厚度增加,導(dǎo)致排斥力大于吸引力,土顆粒會(huì)分散成原級(jí)顆粒[1]。由于這種土體的抗沖蝕能力差較弱,會(huì)對(duì)水利工程,如堤壩、渠道邊坡、道路邊坡等造成嚴(yán)重的沖蝕和管涌破壞。近年來(lái),吉林西部地區(qū)實(shí)施了多項(xiàng)引水工程項(xiàng)目,在這些工程的建設(shè)過(guò)程中,出現(xiàn)了一些渠道邊坡因沖蝕而發(fā)生塌陷的現(xiàn)象[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的土體具有明顯的分散性特征。因此,在工程中需重視分散性土對(duì)水利工程的威脅,采取相應(yīng)改良和防護(hù)措施來(lái)確保工程的安全可靠。

為了防止分散性土在工程中產(chǎn)生危害,學(xué)者們對(duì)分散性土進(jìn)行了深入研究,采用各種方法來(lái)對(duì)分散性土進(jìn)行改良。傳統(tǒng)改良劑如石灰[3-5]、水泥[6]、粉煤灰[7-8]和明礬[9-11]已被證明在適當(dāng)摻量下可以有效降低土體的分散性,同時(shí)提高力學(xué)性能。新型改良劑如仿巖溶碳酸氫鈣[12]、木質(zhì)素磺酸鈣[13-14]和納米黏土[15]也被用于改良分散性土,它們通過(guò)不同機(jī)制改善土體性質(zhì),在降低土體分散性的同時(shí)提高了土體的穩(wěn)定性和抗水侵蝕能力。但是,在季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū),土體會(huì)不斷受到凍融循環(huán)作用而導(dǎo)致工程性質(zhì)發(fā)生劣化。王理想[16]研究了季凍區(qū)分散性土凍融循環(huán)變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在季凍區(qū)環(huán)境中,分散性土在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后,即使其初始孔隙比和含水率與非分散性土相同,其凍脹量也明顯超過(guò)了非分散性土。王穎[17]研究發(fā)現(xiàn),凍融循環(huán)對(duì)土體的分散性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在凍融循環(huán)過(guò)程中,鹽分遷移和凍脹作用會(huì)使土體的分散性呈上升趨勢(shì),但不同的密實(shí)度會(huì)導(dǎo)致凍融循環(huán)對(duì)分散性的影響程度不同。楊小川[18]在進(jìn)行降雨沖刷試驗(yàn)時(shí),對(duì)經(jīng)歷了7次凍融循環(huán)的分散性土模型進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),土體表面出現(xiàn)了沖溝,這表明凍融循環(huán)后土顆粒之間的黏結(jié)力減弱,導(dǎo)致土體更加分散。劉樂(lè)青等[19]研究了凍融循環(huán)對(duì)黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)過(guò)程中,土體內(nèi)部的大顆粒逐漸變小,同時(shí)小孔隙的含量逐漸增加,顆粒排列方式發(fā)生變化,使土體結(jié)構(gòu)變得疏松,從而降低了強(qiáng)度。王中攀等[20]研究了凍融循環(huán)對(duì)重塑碳酸鹽漬土不排水強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,碳酸鹽漬土的不排水強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度逐漸降低,而凍融循環(huán)前3次的土樣強(qiáng)度下降在整個(gè)劣化過(guò)程中占比較大。

鈣離子劑改良分散性土的原理是通過(guò)鈣離子置換土顆粒表面的鈉離子,減小土顆粒雙電層厚度,增強(qiáng)土顆粒之間連結(jié),從而降低土體的分散性。關(guān)于鈣劑改良土體分散性已有劉杰等[21]、趙高文等[22]證實(shí)有較好的效果,但大部分研究未考慮凍融循環(huán)作用對(duì)改良后土體分散性及強(qiáng)度的影響。由于吉林西部地區(qū)處于季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū),土體將長(zhǎng)年遭受凍融循環(huán),凍融循環(huán)作用會(huì)使土體發(fā)生劣化。在實(shí)際工程應(yīng)用中,改良后的土體在經(jīng)過(guò)數(shù)次的凍融循環(huán)后分散性的變化情況仍不清晰。因此,在進(jìn)行土體改良劑選擇時(shí),需要綜合考慮凍融循環(huán)作用對(duì)土體性質(zhì)的影響。本文選擇吉林省松原市的分散性土樣為研究對(duì)象,采用氧化鈣和氯化鈣兩種鈣劑對(duì)其進(jìn)行改良,根據(jù)對(duì)兩種鈣離子劑不同摻量的土樣進(jìn)行分散性鑒定,選擇最優(yōu)摻量的改良土樣,并進(jìn)行了不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn),以探究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)改良土的分散性和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土樣基本性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自吉林省松原市,位于松嫩平原內(nèi),屬于典型的分散性土分布區(qū)和季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū),取樣地點(diǎn)位于123°47′05″E, 45°02′29″N,取樣深度為地表以下0.4 m。研究區(qū)地貌如圖1a所示。由于研究區(qū)內(nèi)年降水量較少,蒸發(fā)作用較強(qiáng),導(dǎo)致鹽分在地表逐漸積累,因此,研究區(qū)的土體表面呈現(xiàn)灰白色(圖1b),且土體鹽堿化程度較高。

圖1 研究區(qū)地貌圖(a)及出現(xiàn)的沖蝕破壞(b)

試驗(yàn)土樣的粒度成分見(jiàn)表1,顆粒組成中黏粒(粒徑<0.005 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.50%,粉粒(0.005～0.075 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.20%,砂粒(0.075～2.000 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.30%,按照《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2001)》[23]定名為黏土。土樣礦物成分組成見(jiàn)表2。礦物成分中伊蒙混層的體積分?jǐn)?shù)為14.62%,在黏土礦物中體積分?jǐn)?shù)最高,這代表著蒙脫石礦物在土中占有一定的比例。土樣基本物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表3、表4,土樣的鈉離子質(zhì)量摩爾濃度為2.234 9×10-5mol/g,易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.43%,pH值為8.03。同時(shí)具備高pH和高含量鈉離子是黏性土具有分散性的本質(zhì)原因[24],據(jù)此可初步判定土樣具有分散性特征,但仍需進(jìn)行分散性鑒定試驗(yàn)進(jìn)一步判別試驗(yàn)土樣的分散性。

表1 研究區(qū)試驗(yàn)土樣的粒度成分

表2 研究區(qū)試驗(yàn)土樣的礦物體積分?jǐn)?shù)

表3 研究區(qū)試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)

表4 研究區(qū)試驗(yàn)土樣的化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)土樣分散性鑒定

土樣分散性鑒定試驗(yàn)包括針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)。其中:針孔試驗(yàn)使用直徑為38.1 mm、高度為62 mm的圓柱樣品,通過(guò)觀察在50 mm水頭下小孔受水流沖蝕情況及水流量和渾濁情況判斷分散性;碎塊試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為1 cm的正方體土塊,通過(guò)觀察土塊在蒸餾水浸泡下的崩解情況判斷分散性;雙比重計(jì)試驗(yàn)是取30 g試驗(yàn)土樣進(jìn)行常規(guī)和非常規(guī)2次比重計(jì)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),并通過(guò)2次試驗(yàn)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值確定土樣的分散度,以此判斷分散性;交換性鈉離子百分比試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定可交換性鈉離子和孔隙水溶液可交換性陽(yáng)離子的質(zhì)量摩爾濃度,確定土樣的交換性鈉離子百分比(RESP)來(lái)判斷分散性。以上4種分散性鑒定試驗(yàn)的方法和判別標(biāo)準(zhǔn)參照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)[24-27]及《分散性土研究》[28]中提出的方法和判別標(biāo)準(zhǔn)。由于試驗(yàn)土樣中含有較高的易溶鹽和鈉離子,為了更準(zhǔn)確地評(píng)估土樣的分散性,主要通過(guò)針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)土樣進(jìn)行判別,雙比重計(jì)試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)的結(jié)果則作為參考[29]。

本文進(jìn)行了以下分散性鑒定試驗(yàn):由針孔試驗(yàn)結(jié)果,觀察到針孔試驗(yàn)集水容器側(cè)視圖和俯視圖中的水體都呈現(xiàn)較渾濁狀態(tài)(圖2a),流量為1.76 mL/s,終了孔徑為2 mm,判定土樣為高分散性土;由碎塊試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),土塊放入蒸餾水中后立即出現(xiàn)了云霧狀物質(zhì),經(jīng)過(guò)1 h后土樣已完全崩解,6 h后狀況幾乎不再發(fā)生變化,最終云霧狀物質(zhì)布滿(mǎn)杯底(圖2b),判定土樣為分散性土;雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果分散度為96.62(>50),判定土樣為高分散性土;交換性鈉離子百分比試驗(yàn)結(jié)果RESP為18.78(>15),判定土樣為高分散性土。

a. 針孔試驗(yàn)結(jié)果;b. 碎塊試驗(yàn)結(jié)果。

不同分散性鑒定試驗(yàn)的結(jié)果可能會(huì)存在一定差異,因此采用分散性綜合判別方法[30-31]對(duì)土樣的分散性進(jìn)行判別。該方法確定各分散性鑒定試驗(yàn)結(jié)果的可信度從大到小為針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn),分別賦予4種分散性鑒定試驗(yàn)40%、25%、20%和15%的權(quán)重;并把土樣的分散性等級(jí)分為高分散性、分散性、過(guò)渡性、非分散性4個(gè)等級(jí),同時(shí)對(duì)4種分散性等級(jí)分別賦分10.0、7.5、5.0、2.5。根據(jù)各試驗(yàn)所占權(quán)重及各等級(jí)賦分計(jì)算分散性等級(jí)值R,并將其劃分為4個(gè)級(jí)別:07.5,因此判定土樣為高分散性土(表5)。

表5 試驗(yàn)土樣分散性綜合判定

2 試驗(yàn)方法

2.1 鈣劑改良土體分散性室內(nèi)試驗(yàn)

采用氯化鈣和氧化鈣2種鈣劑對(duì)吉林西部地區(qū)分散性土進(jìn)行改良。具體試驗(yàn)步驟如圖3所示:首先稱(chēng)取一定質(zhì)量過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣,按照摻量為0.2%、0.3%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%分別加入氯化鈣和氧化鈣并攪拌均勻,噴撒蒸餾水至最優(yōu)含水率18.87%,浸潤(rùn)后拌合均勻,裝入密封袋放置24 h,使水分充分?jǐn)U散;接著將準(zhǔn)備好的土樣通過(guò)靜壓法以95%的壓實(shí)度制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱樣品;最后將制好的試樣用保鮮膜密封包裹防止水分蒸發(fā),并放置在保濕器中養(yǎng)護(hù)24 h。

圖3 改良試驗(yàn)具體操作步驟

土樣完成養(yǎng)護(hù)后,分別進(jìn)行4種分散性鑒定試驗(yàn),通過(guò)分散性綜合判別方法確定2種鈣劑的最優(yōu)摻量。之后采用最優(yōu)摻量的改良土進(jìn)行凍融循環(huán)條件下室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

2.2 凍融循環(huán)條件室內(nèi)模擬試驗(yàn)

凍融循環(huán)條件室內(nèi)模擬試驗(yàn)在自制超冷環(huán)境下巖土凍融試驗(yàn)綜合模擬平臺(tái)(圖4)上進(jìn)行,該平臺(tái)能夠模擬-35 ℃的低溫環(huán)境,并具有0.1 ℃的溫度控制精度。根據(jù)改良土的分散性鑒定試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果得出最優(yōu)摻量,選擇最優(yōu)摻量的改良土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)試驗(yàn)中,設(shè)定凍結(jié)溫度為-20 ℃,融化溫度為室溫(約25 ℃)。先將試樣密封在保鮮膜中,放置于該儀器中連續(xù)冷凍12 h,然后將試樣從儀器中取出,放置于工作臺(tái)上解凍12 h,即完成1次凍融循環(huán)。本次試驗(yàn)設(shè)定了不同次數(shù)的凍融循環(huán)次數(shù),分別為0、1、3、5、7、9、10、15和20次。完成凍融循環(huán)試驗(yàn)后,對(duì)土樣進(jìn)行分散性鑒定試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

圖4 自制超冷環(huán)境下巖土凍融試驗(yàn)綜合模擬平臺(tái)

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀(圖5)上進(jìn)行。試樣采用靜壓法制備,制成直徑為39.1 mm、高度為80 mm的圓柱樣品,達(dá)到95%的壓實(shí)度。試驗(yàn)操作按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)[32]進(jìn)行,通過(guò)該試驗(yàn)可獲得土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖5 應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀

2.4 掃描電鏡試驗(yàn)

掃描電鏡試驗(yàn)選擇經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)后具有代表性的試樣。先將其置于液氮中進(jìn)行冷凍,持續(xù)時(shí)間為12 h。然后將試樣轉(zhuǎn)移到真空冷凍干燥儀中進(jìn)行凍結(jié)干燥,持續(xù)時(shí)間為8 h,以確保樣品完全脫水并保持其初始形態(tài)和結(jié)構(gòu)不變。完成干燥后將樣品掰開(kāi)以獲得新鮮的斷面并用導(dǎo)電膠將樣品粘在樣品臺(tái)上,隨后使用離子濺射儀進(jìn)行噴金處理。最后將處理完成的試樣使用掃描電鏡(圖6)進(jìn)行試驗(yàn),掃描倍數(shù)設(shè)置為800倍,從微觀角度觀察土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同改良劑對(duì)土體分散性改良效果的影響

針孔試驗(yàn)結(jié)果顯示:0.2%氧化鈣摻量(圖7a)下的改良土孔徑為1.2 mm,集水容器內(nèi)水體呈輕微渾濁,鑒定土樣為過(guò)渡性土;0.3%～1.6%氧化鈣摻量(圖7b—f)和0.2%～1.6%氯化鈣摻量(圖7g—l)下土樣的孔徑均為1.0 mm且集水容器內(nèi)水體完全清澈,鑒定土樣均為非分散性土。

碎塊試驗(yàn)結(jié)果表明:氧化鈣摻量為0.2%(圖8a)的土塊崩解且周?chē)a(chǎn)生輕微的膠粒懸浮物,水體微渾濁,鑒定土樣為過(guò)渡性土;而采用氧化鈣摻量為0.3%～1.6%(圖8b—f)和氯化鈣摻量為0.2%～1.6%(圖8g—l)改良的土塊崩解后水體未出現(xiàn)渾濁,鑒定土樣均為非分散性土。

a—f. 氧化鈣改良土碎塊試驗(yàn)結(jié)果;g—l.氯化鈣改良土碎塊試驗(yàn)結(jié)果。摻量依次為0.2%、0.3%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%。

從雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果(圖9)可以看出:隨著摻量的增加,兩種鈣劑改良土的分散度均呈下降趨勢(shì):摻量0.2%氧化鈣改良土樣的分散度為32.2%,鑒定土樣為過(guò)渡性土,而摻量0.3%～1.6%的氧化鈣和摻量0.2%～1.6%氯化鈣改良土樣的分散度均小于30.0%,鑒定土樣均為非分散性土。

圖9 改良土樣雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

圖10為交換性鈉離子百分比試驗(yàn)結(jié)果,從圖10可以看出:氯化鈣改良土的交換性鈉百分比在相同摻量下均低于氧化鈣改良土;氧化鈣改良土在摻量為0.2%～1.2%的交換性鈉離子百分比屬于過(guò)渡性土的范圍內(nèi),僅摻量為1.6%時(shí)屬于非分散性土;氯化鈣改良土在0.2%和0.3%摻量下的交換性鈉離子百分比屬于過(guò)渡性土,在0.4%～1.6%的摻量下交換性鈉離子百分比都屬于非分散性土的范圍內(nèi)。

圖10 改良土樣交換性鈉離子百分比試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合4種分散性鑒定試驗(yàn)可以計(jì)算出不同摻量改良土的分散性等級(jí)值:摻量0.2%氧化鈣改良土的分散性等級(jí)值為5.0×0.40+5.0×0.25+5.0×0.20+5.0×0.15=5.000,判定土樣為過(guò)渡性土;摻量0.3%～1.2%氧化鈣改良土和摻量0.2%～0.3%氯化鈣改良土的分散性等級(jí)值都為2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2+5.0×0.15=2.875,為過(guò)渡性土;摻量1.6%氧化鈣改良土和摻量0.4%～1.6%氯化鈣改良土的分散等級(jí)值為2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2+2.5×0.15=2.500,為非分散性土。從表6的分散性綜合判定結(jié)果可以看出,氧化鈣改良土在摻量為1.6%時(shí)才改良為非分散性土,而氯化鈣改良土在摻量為0.4%時(shí)4種分散性鑒定結(jié)果就為非分散性土。上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明氯化鈣對(duì)分散性的改良效果優(yōu)于氧化鈣,氧化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為1.6%,氯化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為0.4%。

表6 改良土樣分散性綜合判定

3.2 凍融循環(huán)作用對(duì)改良土分散性的影響

由于氯化鈣對(duì)土體分散性的改良效果優(yōu)于氧化鈣,因此選擇氯化鈣改良的最優(yōu)摻量0.4%的土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)經(jīng)歷1、3、5、7、9、10、15、20次凍融循環(huán)的改良土進(jìn)行針孔試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn)試樣孔徑為1.0 mm,小于1.5 mm,集水容器內(nèi)水體完全清澈,可鑒定為非分散性土。

n為土樣經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)。

經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的改良土的碎塊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。從圖12可以看出,所有土樣在崩解后周?chē)紱](méi)有出現(xiàn)渾濁,可鑒定為非分散性土。

圖12 凍融循環(huán)后改良土的碎塊試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的改良土的雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖13。從圖13可以看出,所有土樣分散度均小于30%,可鑒定為非分散性土。

圖13 凍融循環(huán)后改良土的雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)土樣的含鹽量較高,凍融循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致土樣發(fā)生鹽脹,使得測(cè)定的可交換性鈉離子和孔隙水溶液可交換性陽(yáng)離子的質(zhì)量摩爾濃度不準(zhǔn)確,且孔隙水溶液可交換性陽(yáng)離子的質(zhì)量摩爾濃度的測(cè)定受多種因素影響[33],這些原因都會(huì)導(dǎo)致交換性陽(yáng)離子百分比試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際不符;因此對(duì)經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的改良土僅采用碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)這3種分散性鑒定試驗(yàn)來(lái)判斷土樣分散性。結(jié)合3種分散性鑒定試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算經(jīng)歷凍融循環(huán)的改良土分散性等級(jí)值均為2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2=1.525,判定為非分散性土。從雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果(圖13)可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土樣的分散度呈上升趨勢(shì),說(shuō)明凍融循環(huán)作用會(huì)增強(qiáng)土樣的分散性。凍融循環(huán)作用對(duì)土體的分散性產(chǎn)生影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是土在凍融循環(huán)過(guò)程中,在溫度梯度、濃度梯度、水分對(duì)流共同作用下水分和鹽分會(huì)發(fā)生遷移。水鹽遷移的過(guò)程中可能會(huì)引起鹽分逐漸積聚,進(jìn)而產(chǎn)生鹽脹效應(yīng),使土體結(jié)構(gòu)松散化[34]。土樣的取樣深度為0.4 m,是長(zhǎng)期處于上層滲透淋濾與下層毛細(xì)作用的水鹽運(yùn)移的目標(biāo)深度,使其具有更多的黏粒和鹽分析出結(jié)晶的條件[35],在凍融循環(huán)的作用下鹽脹效應(yīng)會(huì)更明顯,會(huì)進(jìn)一步增大土體的分散性。二是土在凍融循環(huán)過(guò)程中會(huì)使土體中的水發(fā)生相變,即從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)土體中的水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí),固態(tài)冰的體積比相同質(zhì)量的液態(tài)水大。這種情況下,土顆粒受到擠壓,導(dǎo)致土顆粒之間的間距增大,從而減弱了它們之間的連結(jié)力,進(jìn)而對(duì)土體的分散性產(chǎn)生了影響[36]。此外,固態(tài)冰的形成還會(huì)增加土體的孔隙比和松散度,降低土體的致密程度,進(jìn)而增加土體的分散性。

從表7分散性鑒定試驗(yàn)結(jié)果可以看出,改良土的凍融循環(huán)次數(shù)在20次以?xún)?nèi)時(shí),土樣仍為非分散性土,說(shuō)明采用氯化鈣改良的土樣在經(jīng)歷有限次數(shù)的凍融循環(huán)仍具有良好的改良效果。氯化鈣在凍融循環(huán)的劣化作用下仍能抑制土樣產(chǎn)生分散的原因是:凍融循環(huán)主要破壞土體的物理力學(xué)性質(zhì),不改變土體的化學(xué)性質(zhì),而是通過(guò)物理過(guò)程對(duì)土體結(jié)構(gòu)造成影響[37];氯化鈣主要通過(guò)鈣離子置換土體中的鈉離子來(lái)降低土顆粒的雙電層厚度,進(jìn)而增加土顆粒之間的吸引力,促使土顆粒聚集形成較大的團(tuán)聚體,從而使土顆粒難以分散成原始的顆粒級(jí)別。因凍融循環(huán)而產(chǎn)生的凍脹作用和鹽脹作用對(duì)氯化鈣改良土的分散性影響較小,因此氯化鈣可以作為一種良好的土體改良劑用于季凍區(qū)土體分散性的治理。

表7 凍融循環(huán)作用下改良土樣分散性綜合判定

3.3 凍融循環(huán)作用對(duì)改良土力學(xué)性能的影響

凍融循環(huán)是一種強(qiáng)風(fēng)化作用,它使土中的水分狀態(tài)反復(fù)變化,引起凍脹和融沉,破壞土體結(jié)構(gòu),從而改變土體的力學(xué)性質(zhì)[38]。根據(jù)圖14中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,改良土的抗壓強(qiáng)度持續(xù)下降。在經(jīng)歷了20次凍融循環(huán)后,改良土的抗壓強(qiáng)度下降了約40%,表明凍融循環(huán)對(duì)改良土的抗壓性能產(chǎn)生了顯著影響。值得注意的是,在凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到5次的過(guò)程中,改良土的抗壓強(qiáng)度下降速度較快;這可能是由于初始凍融循環(huán)引起的凍脹作用使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的明顯降低。然而,在凍融循環(huán)次數(shù)從5次增加到20次的過(guò)程中,改良土的抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)逐漸變緩,并且在10次以上的凍融循環(huán)中,改良土的抗壓強(qiáng)度基本保持在60 kPa左右。在一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,改良土的抗壓強(qiáng)度基本穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平。

圖14 不同凍融循環(huán)次數(shù)下改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明,氯化鈣改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受到凍融循環(huán)次數(shù)的影響,由于黏土顆粒具有雙電層結(jié)構(gòu),通常帶有一定數(shù)量的負(fù)電荷,會(huì)在土顆粒四周形成電場(chǎng),而水是一種極性分子,水中有各種帶正電的鹽離子,這些水分子和鹽離子在電場(chǎng)中定向排列。在凍融循環(huán)過(guò)程中,土中的自由水首先發(fā)生凍結(jié),隨著溫度降低,土顆粒周?chē)慕Y(jié)合水會(huì)發(fā)生凍結(jié),結(jié)合水的凍結(jié)使原來(lái)的電化學(xué)力失去平衡,為了維持電場(chǎng)的平衡,土顆粒的未凍的自由水分子會(huì)被不斷地吸引,土樣中的水分發(fā)生反復(fù)的相變和遷移,土顆粒和土孔隙受土中水分的狀態(tài)變化而不斷調(diào)整和變化[39];因此初期的凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,使得抗壓強(qiáng)度迅速下降。然而,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定,抗壓強(qiáng)度下降的速率減緩。這可能是由于土樣在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后,土顆粒的排列方式達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài),土顆粒之間的連結(jié)更加牢固,減少了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)破壞和強(qiáng)度損失。凍融循環(huán)作用對(duì)改良土的力學(xué)性能的劣化較明顯,因此氯化鈣不宜單獨(dú)用于改良季凍區(qū)土體的力學(xué)性能。

3.4 土體微觀結(jié)構(gòu)特征

土的孔隙特征是土體微觀重要結(jié)構(gòu)特征之一,也是影響土體工程地質(zhì)性質(zhì)的重要因素[40],孔隙的變化反映著土體結(jié)構(gòu)的變化。凍融循環(huán)后土樣放大800倍的圖像如圖15所示。從圖15可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的裂隙寬度增大,數(shù)量增加。未改良的土孔隙和裂隙較大(圖15a);未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土樣裂隙和孔隙數(shù)量較少,土顆粒之間的膠結(jié)較密實(shí),沒(méi)有明顯貫通的裂隙,土體整體性較好(圖15b);經(jīng)歷1次和5次凍融循環(huán)后的土樣,裂隙和孔隙的數(shù)量都有增加,裂隙寬度與未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土樣相比稍有增加,顆粒之間的接觸方式主要以面-面接觸為主(圖15c、d);經(jīng)歷10次及20次凍融循環(huán)后的土樣,裂隙和孔隙的數(shù)量以及裂隙寬度都有明顯的增加,小裂隙寬度增加并且相互連接形成大裂隙,導(dǎo)致大顆粒由于裂隙的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾☆w粒,顆粒之間的接觸方式由面-面接觸向點(diǎn)-面接觸和點(diǎn)-點(diǎn)接觸發(fā)展(圖15e、f)。

a. 素土;b. n =0;c. n =1;d. n =5;e. n =10;f. n =20。

土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的三相體系。固體顆粒構(gòu)成了土的骨架,顆粒之間通過(guò)相互之間的接觸和排列形成了土的結(jié)構(gòu)框架。水和氣體填充在固體顆粒之間的孔隙中,占據(jù)了土體積的一部分。凍融循環(huán)過(guò)程中由于土體的裂隙和孔隙不斷增加,使土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷下降,但下降的趨勢(shì)逐漸變小。造成土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降的因素主要在兩方面:一方面是水分相變時(shí)冰晶生長(zhǎng)對(duì)顆粒產(chǎn)生擠壓,引起顆粒之間產(chǎn)生位移并相互擠壓,大顆粒破碎成小顆粒,同時(shí)改變孔隙的形態(tài),使中、小孔隙合并成大孔隙,從而導(dǎo)致土中的大孔隙增加;另一方面是由于水分在土顆粒的毛細(xì)力和吸附力作用下發(fā)生遷移,水對(duì)土體產(chǎn)生的反作用力對(duì)孔隙形態(tài)和顆粒排列產(chǎn)生影響[39]。這些因素都導(dǎo)致土體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生改變,使土樣的抗壓強(qiáng)度下降。根據(jù)對(duì)凍融循環(huán)10次和20次的掃描電鏡圖像的比較,可以觀察到裂隙和孔隙的差別并不顯著;這表明在這個(gè)循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi),土顆粒和孔隙的狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到了一種相對(duì)穩(wěn)定的水平,意味著隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土樣的裂隙和孔隙的形成和分布變化逐漸減少。由于裂隙和孔隙已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受到凍融循環(huán)作用的影響逐漸減小。因此,土樣在經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)逐漸減弱。

4 結(jié)論

1)氯化鈣對(duì)分散性的改良效果要優(yōu)于氧化鈣,氧化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為1.6%,氯化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為0.4%。

2)氯化鈣改良土改良土樣在經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后,土樣的分散性幾乎不發(fā)生改變,說(shuō)明氯化鈣可以用于改良季凍區(qū)土體的分散性。在經(jīng)歷20次凍融循環(huán)后,土樣的抗壓強(qiáng)度下降了約40%。由于凍融循環(huán)作用對(duì)改良土的力學(xué)性能的劣化較明顯,因此氯化鈣不宜單獨(dú)用于改良季凍區(qū)土體的力學(xué)性能。

3)通過(guò)掃描電鏡圖像觀察,可以發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的裂隙和孔隙逐漸增多。改良土初期受到凍融循環(huán)的影響較大,但在超過(guò)10次循環(huán)后,土顆粒的裂隙和孔隙狀態(tài)趨于穩(wěn)定。這也導(dǎo)致顆粒組成、孔隙組成和分布等特征趨于穩(wěn)定。