膨潤土改性次生黃土的力學性能

張鵬 楊瑞雪 崔自治 郄明穎 康龍

摘要：針對寧夏次生黃土含砂率大、透水性強的特點，以次生黃土為研究對象，以飽和度、壓實度、膨潤土摻量、含砂率為因素，應用ZJ型電動直剪儀和GZQ-1型全自動氣壓固結儀，設計正交試驗方案L，e （ 45 ），設置35%、55%、75%和95%等4個飽和度水平，0.86，0.90，0.94和0.98等4個壓實度水平，0，1.5%，3.0%和4.5%等4個膨潤土摻量水平，15%、20%、25%和30%等4個砂土含量水平，研究了膨潤土改性次生黃土的強度和壓縮性，分析了各因素的作用規律及顯著性，給出了最優組合。結果表明：壓實度對次生黃土力學性能的改善有利，且影響顯著；膨潤土摻量對黏聚力的影響顯著，對摩擦角和壓縮性的影響不顯著；粗砂含量為25%時對壓縮性最為不利。增大壓實度是改善次生黃土力學性能的有效措施，摻加膨潤土不會對其力學性能產生顯著的不利影響。

關鍵詞：膨潤土；含砂率；力學性能；正交試驗；次生黃土

中圖分類號：TV16；TU502 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.033

寧夏回族自治區由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙漠相圍，南面與黃土高原相連，黃土分布廣[1-3]。次生黃土具有含砂率大、自重濕陷性強、滲透性強等特點[4-5]，其上水利及建筑工程常因防滲失效而引起地基濕陷、沖蝕和潛蝕，最終導致建筑物沉降、開裂，造成不可挽回的損失[3]，因此加強黃土地基防滲是非常必要的。摻加膨潤土可顯著提高黃土的抗滲性能[6-7]，但次生黃土作為建筑地基除了滿足防滲要求外，還應滿足強度和變形要求。崔自治等[8-13]研究了膨潤土改性黏土、黃土和砂土的滲透性，發現膨潤土能明顯降低土壤的滲透性，對砂土抗滲性能的改善尤為明顯。陳開圣等[14-15]研究了壓實度和飽和度對黃土壓縮性的影響，得出壓實度越大壓縮變形系數越小，高含水量下，壓實度對壓縮變形影響顯著。楊博等[16]應用柔性壁滲透儀研究膨潤土改性黃土的滲透性，認為膨潤土減小土體中大中孔隙的數量是減小滲透性的內在機理。趙天宇等[17]通過控制滲透時間、圍壓和滲透壓力等條件得出試驗初期試樣的滲透系數在同一數量級上有較大波動，隨著持續時間增長滲透系數趨于穩定，增大圍壓和滲透壓力都可以引起改性黃土滲透系數在同一數量級上降低。竇遠明等[18]采用R法和方差法分析得出膨潤土摻量對黏聚力和內摩擦角有著著影響，對壓縮模量影響極不顯著。但綜合考慮黃土含砂率和膨潤土摻量對黃土力學性能的影響研究罕見報道。因此，本文研究含砂率和膨潤土摻量對壓實黃土力學性能的作用規律，為寧夏次生黃土地區工程建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黃土取自寧夏同心，密度ρ=1.56g/cm3含水率w=12.2%，土粒相對密度ds=2.72，塑限wp=15.0%，液限w1=27.2%，塑性指數Ip=12.2，最大干密度ρdmax=1.72g/cm3，最優含水率wopt=16.0%，粒徑主要為0.075～0.005mm的粉粒（占81.3%，見圖1）。砂土為粗砂，取自銀川市，含水率ω=1.2%，粒徑分布見圖2，主要為0.25～5mm的砂粒，占83.0%，大于0.5mm的顆粒含量為60.5%。

膨潤土來自市場銷售，主要化學成分為SiO2 ，Na2O、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O，以及少量的CaO、2O5和其他（見表1），主要礦物為蒙脫石，外比表面積59.1m2/g。

1.2 試驗方案與試驗方法

以壓實度λc、飽和度Sr、含砂率s及膨潤土摻量b為因素，設計正交試驗方案L16（45），因素與水平列于表2，其中e為誤差列。

將黃土、砂土風干，碾散，拌勻，測含水率。通過摻加砂土調節含砂率，按試驗方案稱取黃土、膨潤土、砂土和純凈水，先將黃土、砂土和膨潤土混合拌勻，再加純凈水拌勻。用壓樣器每組制備直徑61.8mm、高20mm的試樣8個用于強度指標測定，直徑79.8mm、高20mm的試樣2個用于壓縮性指標測定。

依據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999），強度指標用ZJ型電動直剪儀采用快剪試驗方法測定，設正應力分別為50、100、150、200 kPa，剪切速率為0.8mm/min。壓縮系數用czQ-1型全自動氣壓固結儀采用側限壓縮方法測定，設固結壓力分別為50、100、200、400kPa。

2 結果與分析

試驗方案與結果列于表3，其中：c為黏聚力，φ為內摩擦角，α為壓縮系數。由表3可知，黏聚力的變化幅度很大，達53.7kPa，內摩擦角的變化幅度較小，僅4.3°左右。

2.1 直觀分析

按正交試驗分析理論得出的各因素作用效應的趨勢見圖3，極差見圖4。

由圖3可見，黏聚力隨壓實度和膨潤土摻量的提高非線性增大，隨飽和度和含砂率的增大近似線性減小。黏聚力的微觀本質是氫鍵[17]，壓實度增大，土粒間的接觸面增加，距離減小，氫鍵增強；飽和度增大，水分增多，水與土粒作用使氫鍵產生組合弱化效應[13]。膨潤土具有膠結和離子交換效應，摻量增加，膠結力增強，黏聚力增大；砂粒不具黏結性，故含砂率增大，黏聚力降低。

內摩擦角隨壓實度的增大呈非線性增大，隨含砂率的增大近似線性增大，隨飽和度的增大和膨潤土摻量的增加近似線性減小。壓實度增大，顆粒間的相互嵌入增多，咬合力增大，其次土粒表面結合水膜變薄，潤滑作用減小，內摩擦角增大。飽和度增大，一是土粒的結合水膜增厚，潤滑效應增強，二是界面張力減小，有效應力降低，內摩擦角減小。膨潤土與水形成抗剪性能很低的“塑性潤滑劑”，故膨潤土摻量增加，內摩擦角降低。砂粒粗，表面粗糙，摩擦阻力大，嵌固效應好，故含砂率增大，內摩擦角增大。

壓縮系數隨壓實度的增大非線性減小，隨飽和度的增大和膨潤土摻量的增加非線性增大，隨含砂率的增大呈先增大后減小的拋物線趨勢，砂土摻量約25%時達到最大。飽和度增大，土的強度降低，土粒易于錯動，壓縮性增大。膨潤土顆粒細，且吸收的水在壓力作用下會被擠出，故其摻量增加，土的壓縮性增大。含砂率較小時，因黏聚力隨含砂率的增大減小較快，綜合強度降低，且起不到骨架作用，壓縮性增大；含砂率達到某一值后，黏聚力隨含砂率的增大減小較慢，綜合強度提高，且骨架作用漸顯，壓縮性減小，因此壓縮系數與含砂率呈拋物線關系。

由圖4可見，各因素對黏聚力、內摩擦角和壓縮系數影響的主次順序有所不同。影響黏聚力和內摩擦角的主次順序為壓實度、飽和度、膨潤土摻量、含砂率。影響壓縮系數的主次順序為壓實度、飽和度、含砂率、膨潤土摻量。

2.2 方差分析

方差分析結果列于表4。由表4可見，各因素對黏聚力的影響最大，對內摩擦角的影響最小。各因素對力學指標影響的顯著性，以壓實度最高，其次是飽和度，含砂率最小；對壓縮系數影響的顯著性順序稍有變化，以膨潤土摻量影響的顯著性最小。增大壓實度是提高次生黃土強度、降低壓縮性的有效措施。摻加膨潤土對次生黃土的黏聚力提高有利，對提高內摩擦角和減小壓縮性不利，但影響不顯著。可見摻加膨潤土以提高次生黃土的抗滲性，不會對其力學性能產生顯著的不利影響。

2.3 最優組合

最優組合應綜合考慮工程要求、效應趨勢、方差分析結果和經濟性等。壓實系數增大對次生黃土的強度提高和壓縮性減小有利，且影響顯著，故越大越好，但過大不經濟，依據《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB50025-2004），壓實黃土墊層小于或等于3m的部分，壓實系數不應小于0.95，大于3m的部分不應小于0.97，可見壓實系數以0.95或0.97最佳。飽和度增大對次生黃土的強度提高和壓縮性減小不利，且影響較大，應越小越好。但為保證施工要求的壓實度，土料應有一定的含水率，即最優含水率，施工時飽和度應選擇最優含水率對應的飽和度。試驗用次生黃土的最優含水率為16.0%，與壓實系數0.95/0.97對應的飽和度為65.5%/69.0%。使用過程中應采取防滲和排水措施，防止飽和度過度增大。摻加膨潤土的主要目的是提高次生黃土的抗滲性，且不會對力學性能產生顯著的不利影響，膨潤土摻量應在滿足抗滲性要求的條件下，盡量少摻，以降低成本。含砂率對黃土力學性能的影響不大，可不予處理，以節省成本。

3 結論

（1）壓實度對黃土力學性能的改善有利，且影響最顯著，增大壓實度是改善次生黃土力學性能的有效措施。

（2）摻加膨潤土以提高次生黃土的抗滲性，不會對其力學性能產生顯著的不利影響。

（3）次生黃土的粗砂含量為25%時對壓縮性最為不利，但影響的顯著性一般，為節省成本，可不予處理。

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