干湿循环对改良膨胀土抗剪强度影响分析

张建军

（江苏淮安交通勘察设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001）

膨胀土含有较多的亲水性黏土矿物，具有吸水膨胀，失水收缩的工程性质。公路工程中遇到膨胀土路基，必须对膨胀土进行处理，防止膨胀土在干湿变化情况下反复胀缩，造成路面的损坏。目前，国内对于膨胀土改良主要采用石灰、砂和粉煤灰等。殷琦[1]等对石灰改良膨胀土进行了力学特征、物理特征等方面的研究，并且大量的工程实践也证明，用石灰改良膨胀土具有良好的效果。张鑫[2]等利用掺绿砂改良膨胀土进行室内试验并发现，绿砂改良膨胀土试样的强度主要取决于试样的含水率和掺砂率。从提高抗剪强度指标的角度考虑，在膨胀土中掺石灰比掺风化砂、水泥、粉煤灰更有效果。但从施工角度讲，由于石灰颗粒较小，现场施工难以拌和和控制，对环境污染比较大。再者，石灰改良膨胀土水稳定性较差，具有时效性[3]。因此，本研究在掺石灰改良膨胀土中掺入一定量砂以改善改良膨胀土的施工效果。

对于膨胀土强度特征在干湿循环下的变化情况，赵艳林[4]等进行了深入的研究。但是对于干湿循环对改良膨胀土的影响研究很少。Rao[5]等通过试验研究了干湿循环作用对石灰改良膨胀土的物理性质指标的影响，发现在干湿循环作用下，石灰土的液限增加、塑限减小，黏粒含量增大。而干湿循环对改良膨胀土抗剪强度的影响需要进一步研究。因此本文以掺砂和石灰混合料的改良膨胀土为例，研究干湿循环对改良膨胀土抗剪强度的影响。

1 试验方案

本试验的土样取自沭阳至连云港344省道宿迁段，土样总体呈灰褐色，局部为黄褐色，土样在干燥状态下为坚硬的块状，遇水后迅速崩裂，具有典型的湿胀性，属于典型的高液限淤泥质粘土。土样的基本参数如表1。

表1 土样基本物理参数

试验采用的砂为天然砂，最大粒径2.36mm。本试验采用掺石灰4%和掺砂5%、掺石灰6%的改良膨胀土为研究对象，研究了土样未经过养护与养护后土样进行干湿循环1次、3次、5次、7次、9次后抗剪强度的变化。土样经负载浸泡24小时至风干到初始质量为干湿循环一次。土样采用密封负重养护，室温为29±2℃，养护时间为7天（养护后土样：土样体积变化很小，可以忽略不计。质量最大减小1g，最小不变）。浸泡水温为25±2℃，浸泡时采用负载浸泡。

所有土样均按最佳含水量 （如图1）配制，并按压实度为96%计算所需的土样质量，采用静压法将土样压入环刀。对土样分别进行有荷载膨胀率试验。土样膨胀率如表2所示。

图1 含水量与干密度关系曲线

表2 土样膨胀率

2 强度形成机理

（1）膨胀土中少量活性氧化硅和氧化铝与石灰中氢氧化钙起化学反应，生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙，将土颗粒粘结起来，因而提高膨胀土强度与耐水性。

（2） 离子交换：水与石灰中的Ca2+、Mg2+能使膨胀土的双电层变薄，从而增加土的水稳定性，减少膨胀性，提高土的强度。

（3） 石灰碳化作用：石灰发生碳化反应（如下式），生成物碳酸钙的固相体积比氢氧化钙固相体积稍有增大，使膨胀土的结构更加致密，从而使得膨胀土强度提高。

（4） 胶结作用：膨胀土中的胶结物硅质、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物等使颗粒焊接到一起，从而使得膨胀土强度提高。

（5） 砂砾摩阻力作用：自然砂颗粒之间的摩阻力可以提高膨胀土的抗剪强度，达到路基填筑用土的标准，并利用自然砂来调整膨胀土的颗粒结构，降低其抗剪强度对含水率的敏感性。

3 试验结果与分析

（1） 龄期对抗剪强度的影响。

将制好的试样放在应变控制式直剪仪上进行不同垂直荷载，不同龄期下土样的直剪试验，剪切速度为0.8mm/min。

对掺入4%石灰和5%砂改良膨胀抗剪强度的龄期与抗剪强度关系曲线，如图2所示。

从图2可知，掺砂和石灰改良膨胀土内摩擦角随养护天数逐渐减小，但是整体变化不大。而粘聚力随养护天数的增大有显著的增大。养护7天后，土的抗剪强度趋于稳定。出现这种现象的可能原因有：1）随着时间的增加，膨胀土中少量活性氧化硅和氧化铝与石灰中氢氧化钙起化学反应，将土颗粒粘结起来，使得土样的粘聚力增加，而这一反应在7天内已基本完成，因此，粘聚力在养护7天后趋于稳定。2）碳化作用生成的碳酸钙形成保护膜阻止离子交换作用、碳化作用的进行，并且改良后的膨胀土微小的膨胀也会造成内摩擦角降低。

图2 龄期与抗剪强度关系曲线

（2）干湿循环对抗剪强度的影响。

对养护后的土样进行干湿循环，循环后的土样每组土样做至少四组平行试验，取试验数据差值满足精度要求的四组结果的平均值作为最终试验结果。土样抗剪强度随循环次数变化曲线如图3、图4所示。

图3 循环次数与粘聚力关系曲线

由图3可知，养护后与未养护土样的粘聚力分别随循环次数变化趋势基本一致，但是养护后土样的粘聚力变化幅度较未养护土样大。循环第一次后，土样的粘聚力减少，随后增大，循环五次后，又出现了下降。粘聚力是土粒间的胶结作用和各种物理-化学键力作用的结果，其大小与土的矿物组成和压实程度有关。土样浸泡水中后，部分胶结物质溶于水，使得土的粘聚力下降，同时土质结构被水破坏。当再次浸水后，由于土质结构被破坏，土颗粒与水接触更加充分，石灰碳化作用加剧，致使土样粘聚力增大。但是随着循环次数增多，土样结构破坏加剧，胶结作用被削弱，颗粒变得松散，同时石灰碳化作用减弱，致使粘聚力下降。

由图4可知，干湿循环一次时，养护与未养护土样内摩擦角均提高，干湿循环两次后，两者的变化规律大致相反。干湿循环五次后，养护后土样的内摩擦角变化幅度减缓，未养护土样整个过程内摩擦角变化幅度较养护后土样小。土的内摩擦角反映了土的摩擦特性，一般认为包含两个部分：土颗料的表面摩擦力，颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力。可以认为，进行干湿循环后，石灰碳化作用生成的碳酸钙增加了土颗粒的摩擦力，并使得颗粒间的嵌入与联锁作用加剧，使得初期干湿循环内摩擦角出现增大。而随着干湿循环次数增多，土体内部次生裂缝增多，土体结构被破坏，使得内摩擦角大小出现波动。

图4 循环次数与内摩擦角关系曲线

4 结论

（1）研究表明适当养护对掺灰和砂混合料的改良膨胀土的抗剪强度的影响较大。工程实践中，掺灰改良膨胀土至少应该养护7天，以保证改良膨胀土的强度达到稳定。

（2）干湿循环对土的抗剪强度影响较大。干湿循环五次后，土样抗剪强度有所提高，主要是因为石灰的碳化作用影响。随着循环次数增加，土的抗剪强度出现衰减。因此工程实际中，应该加强改良膨胀土地基排水，尽量减少干湿循环作用。

（3）在膨胀土中掺入石灰与砂能够较好地降低膨胀土的膨胀性，提高改良膨胀土的强度。

[1]殷琦，陈佳，朱心潇，等.灰改良膨胀土的强度特性试验研究[J].城市道桥与防洪，2008，（8）：352-354.

[2]张鑫，孙树林，魏永耀，等.掺绿砂改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力学，2012，33（2）:209-212.

[3]杨俊，童磊，张国栋，等.风化砂改良膨胀土对抗剪强度指标的影响研究[J].水土保持研究，2013，20(2):276-281.

[4]赵艳林，曾召田，吕海波.干湿循环对膨胀土变形指标的影响[J].桂林工学院学报，2009，24(4):470-474.

[5]Rao S M，Reddy B V V，Muttharam M.Effect of Cyclic Wettingand Drying on the Index Properties of a Lime-Stabilised Expansive Soil[J]．Ground Improvement，2001，5(3):107－110．