韓琳琳

(廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

膨脹土是一種在自然地質(zhì)作用下形成的特殊的土壤，其體積隨含水率變化而改變，吸水膨脹，失水收縮。因其性質(zhì)的特殊性和難處理性，膨脹土又被稱為“災(zāi)害性土”。據(jù)統(tǒng)計，全世界由于膨脹土問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)50億美元，已經(jīng)超過洪水、颶風(fēng)等災(zāi)害,僅美國由于膨脹土問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年就高達(dá)20億美元。在我國，僅僅由于膨脹土地基破壞導(dǎo)致的建筑面積就有107萬m2[1-2]。因此，為了減輕膨脹土這種“災(zāi)害性土”的危害，很多科研單位、專家學(xué)者對膨脹土的工程治理進(jìn)行了大量的研究。膨脹土中黏土礦物含量較高，且多為強(qiáng)親水性的蒙脫石和伊利石。在土-水相互作用過程中，含水率增加時土體體積增大，表現(xiàn)為比較強(qiáng)烈的膨脹性[3-4]；含水率降低時體積收縮并伴有裂隙的產(chǎn)生，表現(xiàn)為較明顯的收縮性和裂隙性，上述現(xiàn)象被稱為膨脹土的脹縮特性。膨脹土的脹縮性是其最基本且主要引發(fā)工程事故的特性，研究膨脹土的脹縮性具有重要的理論及工程實際意義[5-6]。本文以南水北調(diào)中線南陽強(qiáng)膨脹土為研究對象，采用離子型土壤固化劑(Ionic Soil Stabilizer，以下簡稱ISS)對強(qiáng)膨脹土進(jìn)行改性，研究其改性前后的脹縮特性。

1 試驗材料的基本性質(zhì)

1.1 試樣的描述

本次試驗所選取的試樣為強(qiáng)膨脹土，棕紅色夾灰綠色條帶，黏粒含量高。為保證樣品的天然狀態(tài)，取樣后迅速用保鮮膜和保鮮袋將樣品進(jìn)行保鮮，然后，將部分樣品在自然狀態(tài)下放在陰涼處風(fēng)干，觀察風(fēng)干后的樣品可發(fā)現(xiàn)有光滑的裂隙面，隨裂隙面可以輕易將樣品掰開。

1.2 試樣的基本物理參數(shù)

為獲得試驗試樣的基本物理參數(shù)，參照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)對試樣進(jìn)行顆粒級配、液塑限、自由膨脹率、擊實等試驗，取得試樣的基本物理性質(zhì)和顆粒級配如表1和表2所示。

表1 試樣的基本物理性質(zhì)表

表2 試樣的顆粒級配表(%)

通過上述試驗，可以得出本樣品的液限高達(dá)58.92%，自由膨脹率高達(dá)95.1%，屬于高液限、高黏粒含量的強(qiáng)膨脹土。

1.3 試樣的礦物成分

膨脹土內(nèi)的主要礦物為碎屑礦物和黏土礦物。本文對粉晶試樣進(jìn)行X衍射試驗，測得試樣中的礦物成分如表3所示。

表3 試樣各種礦物的相對含量表

在該試樣中，蒙脫石含量>50%，為主要的礦物成分。試樣的自由膨脹率為95.1%，蒙脫石是膨脹土高膨脹性的主要原因。

1.4 離子固化劑

本文選用離子型土壤固化劑對膨脹土進(jìn)行化學(xué)改性試驗。所選用的離子型土壤固化劑為中性，棕褐色液體，黏稠狀，無刺激性氣味。該離子固化劑的主要成分為烷基苯磺酸鹽表面活性劑物質(zhì)，同時還有部分無機(jī)、有機(jī)鹽和催化劑成分。離子型土壤固化劑易溶于水，溶于水后能夠分解出大量的正負(fù)離子對土壤進(jìn)行改性，且滲透性良好，與膨脹土能夠較好地粘結(jié)在一起。

2 最優(yōu)配合比試驗

2.1 試驗方案

將膨脹土試樣進(jìn)行風(fēng)干，然后用木碾和碾缽將風(fēng)干后的試樣碾碎，過2mm篩，平均分成6等份，每份1 000g，分別加入蒸餾水和上述5個配比的ISS溶液，使試樣的含水率剛剛超過液限，用保鮮膜包好，放在保濕缸中保濕7d，7d后將保鮮膜拆掉，放在陰涼處自然風(fēng)干。將上述風(fēng)干后的試樣用木碾和碾缽碾碎，將碾碎后的試樣過2mm篩，取不同質(zhì)量的6種試樣根據(jù)土工試驗規(guī)范進(jìn)行土工試驗。

2.2 最優(yōu)配比的選擇

本文選擇界限含水率和自由膨脹率共同作為判定ISS改性膨脹土效果的指標(biāo)。取素土和5種不同配比的ISS改性土，按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)進(jìn)行液限、塑限和自由膨脹率試驗。試驗結(jié)果如表4和表5所示。

表4 改性前后液塑限、塑性指數(shù)的變化情況表

表5 改性前后自由膨脹率的變化情況表

3 干濕循環(huán)作用下ISS改性膨脹土脹縮特性研究

3.1 試驗方案

膨脹土在自然界中，往往經(jīng)歷多次吸水膨脹-失水收縮的過程。干濕循環(huán)作用下膨脹土的脹縮變形規(guī)律與“一次吸水膨脹”或“一次失水收縮”的變形規(guī)律并不完全相同。因此，本文著重分析在干濕循環(huán)作用下ISS改性膨脹土的“濕脹-干縮”變形規(guī)律。本次干濕循環(huán)試驗，選定33%為初始含水率，含水率的循環(huán)幅度為15%～35%，進(jìn)行5次循環(huán)，干濕循環(huán)控制過程圖如圖1所示。

在干濕循環(huán)過程中，采用低溫60 ℃烘干法模擬干燥過程，干燥時間為6h。在烘干過程中，分別在試驗開始后10min、20min、40min、1h、1.5h、2h、3h、4h、6h將試樣取出稱重，并用鋼尺和電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量。在試樣中心和四周四個點進(jìn)行測量，去掉最大和最小值，取剩余3次的平均值為試樣的垂向高度。試驗完成后，將所拍照片導(dǎo)入到AutoCAD軟件中?？紤]到試樣收縮的各向異性，分別選取4個方向進(jìn)行統(tǒng)計，將統(tǒng)計數(shù)值取平均值作為試樣的徑向試驗值。

圖1 干濕循環(huán)控制過程示意圖

在干濕循環(huán)過程中，用固結(jié)儀進(jìn)行吸濕過程的模擬，吸濕時間為36h。干燥過程結(jié)束后，將試樣放在干燥缸中進(jìn)行冷卻。等試樣完全冷卻至室溫后，將試樣按照土工試驗規(guī)范安裝在固結(jié)儀上進(jìn)行有側(cè)限無荷載試驗。在固結(jié)盒內(nèi)自上而下加入蒸餾水至沒過試樣表面5mm，試驗開始后，分別于5min、10min、20min、30min、45min、1h、2h、4h、7h、12h、24h、36h時讀取百分表的讀數(shù)。吸水飽和后，取出試樣稱重。如此按照上述試驗過程完成5次干濕循環(huán)次數(shù)的模擬。

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 收縮變形規(guī)律分析

本文采用徑向線縮率進(jìn)行分析。徑向線縮率是指土體水平方向直徑的收縮量與初始直徑的比值。徑向線縮率和垂向線縮率如式(1)所示：

(1)

按照試驗過程，對素土和ISS改性土五次干濕循環(huán)作用下的徑向、垂向線縮率進(jìn)行統(tǒng)計，繪制試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 素土徑向收縮時程曲線圖

圖3 ISS改性土徑向收縮時程曲線圖

從圖2和圖3中可以分析出：(1)素土與ISS改性土兩者的徑向收縮規(guī)律是相同的，徑向線收縮率隨時間的增加而增大，隨含水率的減小而增大，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低；(2)在第一次循環(huán)時，試驗開始10min后試樣就進(jìn)入快速收縮階段，而到第五次循環(huán)時，試驗開始60min后試樣才開始進(jìn)入快速收縮階段；(3)經(jīng)歷三次循環(huán)之后，試樣的徑向線收縮率降低幅度較小，第四次循環(huán)和第五次循環(huán)的徑向線縮率已經(jīng)非常相近；(4)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，曲線的斜率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，即試樣的收縮系數(shù)在逐漸變小。上述結(jié)果表明：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的收縮變形能力在降低；經(jīng)歷四次干濕循環(huán)后，徑向線縮率開始趨于穩(wěn)定。

從圖2和圖3中還可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，試樣進(jìn)入快速收縮的時間也增多。以素土試樣為例，當(dāng)進(jìn)行第一次循環(huán)時，試樣收縮1h后，收縮率為4.42%，已經(jīng)完成本次試驗整體收縮(11.36%)的38.9%。經(jīng)歷五次循環(huán)后，收縮1h后，完成率僅為0.72%。由此可見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣在試驗初期完成的收縮量在逐步下降，這主要由兩個原因造成：

(1)試樣內(nèi)的水分可包含兩個部分：試樣表面的水分和試樣內(nèi)部的水分。試樣由于剛剛經(jīng)歷吸水過程，表面會帶有一定的水分，收縮試驗開始后，表面的水分在高溫下先蒸發(fā)。

(2)試樣內(nèi)部的水包含裂隙間的水和土塊內(nèi)的水。當(dāng)試樣表面水分蒸發(fā)后，試樣內(nèi)部的水分開始蒸發(fā)。裂隙間的水由于受到的粒間作用力較小，水分子能夠更自由、更快地進(jìn)出到裂隙，在表面水分蒸發(fā)后先一步蒸發(fā)。因此，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，試樣在試驗初期完成的收縮量在逐步下降。

為了研究ISS對膨脹土徑向收縮的改性效果，現(xiàn)對素土與ISS改性土的徑向線收縮率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系統(tǒng)計如表6所示。

表6 徑向線縮率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系數(shù)值表

從表6中可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，兩種試樣的徑向線縮率均在變化。經(jīng)歷五次干濕循環(huán)，素土的徑向線縮率變化范圍為3.11%～11.36%，ISS改性土的徑向線縮率變化范圍為2.46%～10.67%。對比素土與ISS改性土的徑向線縮率可得：ISS對膨脹土的徑向收縮有一定的抑制作用，但抑制作用不明顯。在不同的干濕循環(huán)次數(shù)下，ISS對膨脹土的徑向收縮最大改變量能夠達(dá)到0.86%，最大的改變率能達(dá)到20.89%。ISS對徑向線縮率的改變量并沒有隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低，且在第三次循環(huán)時改變量最大，說明ISS對膨脹土的徑向線縮率的抑制作用沒有隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低。從試驗數(shù)據(jù)中可以得出ISS對膨脹土的徑向收縮有一定的抑制作用，且這種抑制作用在第三次干濕循環(huán)時達(dá)到最大，并沒有隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低。對此，可以給出如下解釋：在試樣中加入ISS后，試樣的微結(jié)構(gòu)和礦物的活性發(fā)生了變化，試樣黏土礦物的自身活性通過ISS改性作用發(fā)生鈍化，黏土礦物片團(tuán)聚呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，試樣的整體膨脹收縮能力降低。

3.2.2 膨脹變形分析

根據(jù)兩種試樣的膨脹時程曲線，可以看出：

(1)試樣在試驗開始20min內(nèi)吸水迅速膨脹，而后進(jìn)入緩慢膨脹階段，膨脹量幾乎為0。從圖中可得試樣大約在24h內(nèi)就能完成全部膨脹過程。

圖4 素土膨脹時程曲線圖

圖5 ISS改性土膨脹時程曲線圖

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，兩種試樣的無荷載膨脹率降低。在第一次循環(huán)時，素土和ISS改性土的膨脹率都較高，分別為11.6%和9.36%，經(jīng)歷了三次干濕循環(huán)后，膨脹率已經(jīng)變化不大，開始趨于穩(wěn)定。

上述結(jié)果表明，ISS對試樣的膨脹性有較好的抑制作用，能夠較為有效地抑制試樣的膨脹。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，兩種試樣的最終膨脹率均在降低，經(jīng)歷三次干濕循環(huán)后，兩種試樣的膨脹率趨于穩(wěn)定，干濕循環(huán)對試樣膨脹的影響作用微小。對五次干濕循環(huán)素土與ISS改性土的無側(cè)限膨脹率進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以得出：ISS改性土的無荷載膨脹率均小于素土，說明ISS對膨脹土的無荷載膨脹有比較明顯的抑制作用。在第一次循環(huán)時，素土與改性土的無荷載膨脹率相差可達(dá)2.24%，ISS對膨脹土的無荷載膨脹率改變率達(dá)到19.31%。但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，無荷載膨脹率的改變量依次為2.24%>1.15%>0.75%>0.71%>0.7%，改變量依次降低，說明ISS對膨脹土膨脹變形的抑制作用會隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低。綜合分析可知，ISS對膨脹土的無荷載膨脹變形有比較明顯的抑制作用，但這種改性效果會隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低(見表7)。

表7 無荷載膨脹率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系數(shù)值表

4 結(jié)語

本文以ISS為膨脹土的固化劑，研究了五次干濕循環(huán)作用下ISS對膨脹土脹縮特性的改性作用，根據(jù)徑向線縮率和無側(cè)限膨脹率研究，得出以下結(jié)論：

(2)無論是素土試樣，還是改性土試樣，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的收縮變形能力均在降低。素土的徑向線縮率變化范圍為3.11%～11.36%，ISS改性土的徑向線縮率變化范圍為2.46%～10.67%，說明ISS對膨脹土的徑向收縮有一定的抑制作用，但抑制作用不明顯。

(3)素土試樣及改性土試樣，經(jīng)過三次干濕循環(huán)后，膨脹性均趨于穩(wěn)定。經(jīng)過ISS改性后，試樣的無荷載膨脹率可降低0.7%～2.24%。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，素土與ISS改性土在試驗初始階段膨脹完成率均逐漸增加，但增長速率在降低，說明ISS對試樣的膨脹變形有較明顯的改性效果，但這種改性效果隨循環(huán)次數(shù)的增多而降低。