干濕循環對粉煤灰改良路堤膨脹土影響試驗研究

張明敏

(懷化市公路路政管理支隊， 湖南 懷化 418000)

0 引言

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的特性，導致膨脹土分布區域路堤設計與施工難度逐漸增大，對路堤工程穩定性造成嚴重影響，同時，膨脹土極易受到水環境變化的影響，因此研究路堤膨脹土的改性以及干濕循環作用下膨脹土的強度變化特征具有重要意義[1-4]。目前，針對膨脹土物理力學特性的研究，楊和平等[4]利用改進的土體直剪試驗方法，研究了不同干濕循環條件下膨脹土的抗剪強度變化及其對邊坡穩定性影響；李新明等[5]以路堤膨脹土處理為研究對象，研究干濕循環對殘余強度的影響，提出了膨脹土路基處理的石灰改性包邊處理法；吳珺華等[6]研究干濕循環對膨脹土強度影響，得到了基質吸力與抗剪強度隨循環次數的變化關系，冷挺等[7]總結了現有膨脹土路基處理技術，從工程特性方面提出了膨脹土研究方法；呂海波等[8]以膨脹土抗拉強度為研究對象，得到含水率與干濕循環作用下膨脹土抗拉強度變化規律。針對膨脹土的改良研究，孫樹林等[9]研究了堿渣摻加對膨脹土改良特性影響，結果表明堿渣對提高膨脹土粘聚力效果明顯，對內摩擦角效果不明顯；邊加敏等[10]研究改良膨脹土路堤施工，提出了以膨脹性為主控參數、強度為驗證參數的施工原則；查甫生等[11-12]從變形與強度特性等方面，研究了摻加電石渣與石灰-粉煤灰改良膨脹土的影響規律。

本文以粉煤灰改良膨脹土為研究對象，分別研究不同粉煤灰摻量與干濕循環作用下改良膨脹土強度特性，分析了改良膨脹土無側限抗壓強度以及抗剪強度參數的變化規律，得到了最優粉煤灰摻量，為膨脹土改良以及路堤工程設計與施工提供參考依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗材料主要包括膨脹土、粉煤灰等，膨脹土取樣深度大約為2m，通過室內試驗測得膨脹土基本物理指標，如表1所示。

表1 膨脹土基本物理指標密度/(g·cm-3)最優含水率/%液限/%塑限/%自由膨脹率/%1.8813.83226.852.6

試驗中粉煤灰取自發電生產的Ⅲ級干排灰，粉煤灰顏色呈灰褐色，性態為粉末狀，根據組分測定試驗得到其主要組分為Fe2O3、SiO2、CaO等，其密度為2.16g/cm3、細度為13.20%、燒失量為7.20%。

根據粉煤灰摻量的不同將試樣分為0(未摻加粉煤灰)、5%、10%、15%、20%、30%試驗組，其中粉煤灰摻量定義為粉煤灰質量占膨脹土質量的百分比，將不同粉煤灰摻量膨脹土制作成壓實土樣備用。

1.2 試驗方法

對不同粉煤灰摻量條件下改良膨脹土試件進行干濕循環試驗，循環次數設計為0、5、10、20、30次，改良膨脹土1次干濕循環過程可定義為：采用直接浸水法，待試樣達到飽水狀態時，放入烘箱內烘干24h，烘箱溫度控制在40～45℃，此時，改良膨脹土1次干濕循環完成。

根據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[13]開展室內試驗，改良膨脹土試件的養護時間為24d，分別測定粉煤灰改良膨脹土無側限抗壓強度、抗剪強度參數，分析粉煤灰摻量及干濕循環次數對粉煤灰改良膨脹土強度的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度

不同干濕循環作用下粉煤灰改良膨脹土無側限抗壓強度變化規律如圖1所示。從圖中可以發現，無側限抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加先增大后減小，干濕循環對粉煤灰強度產生弱化作用。

圖1 膨脹土無側限抗壓強度變化規律

根據圖1可知，粉煤灰摻量為15%時，粉煤灰改良膨脹土無側限抗拉強度最大，由不摻加粉煤灰時的0.51MPa增加到0.63MPa，增幅約為23.52%。當粉煤灰摻量大于15%時，無側限抗壓強度逐漸減低。從膨脹土細觀結構變化角度分析，粉煤灰中的陽離子產生的離子交換，使得膨脹土中分散的顆粒凝聚形成團聚體，降低了膨脹土的塑性指數，能夠有效的抑制膨脹土的脹縮效應，增強膨脹土的強度。當粉煤灰摻量大于15%時，顆粒凝聚形成的團聚體體積及數目增大，造成顆粒的比表面積減小，導致團聚體之間的粘聚程度降低，從而造成過量摻加粉煤灰的膨脹土無側限抗壓強度降低，同時，由于干濕循環作用造成土體結構損傷，一定程度上加劇粉煤灰強度的降低。

隨著干濕循環次數增加，無側限抗壓強度逐漸降低。粉煤灰摻量為15%時，抗壓強度由0.63MPa降低至0.47MPa，干濕循環作用對膨脹土強度弱化效應顯著。由于水的侵蝕作用，導致團聚體膠結物質溶解，顆粒之間的粘結力減弱，部分土體顆粒隨水溶液溶解遷移，內部結構不再密實，出現孔隙、空洞等缺陷，從而造成改良膨脹土無側限抗壓強度降低。

2.2 抗剪強度參數

不同干濕循環作用下粉煤灰改良膨脹土黏聚力與內摩擦角變化規律如圖2所示，從圖中可以發現，黏聚力與內摩擦角隨著粉煤灰摻量的增加先增大后減小，干濕循環對粉煤灰強度產生弱化作用。

圖2 膨脹土黏聚力與內摩擦角變化規律

根據圖2可知，摻加粉煤灰提高了膨脹土抗剪強度參數。無干濕循環作用影響下，當粉煤灰摻量為15%時，粘聚力與內摩擦角提高幅度最大，黏聚力由35.66kPa提高至43.56kPa，增加幅度為22.15%，內摩擦角由28.80°增加至30.20°，增加幅度為5.33%。摻加粉煤灰對黏聚力的影響明顯大于內摩擦角。

粉煤灰摻量為15%時，干濕循環作用下膨脹土黏聚力由43.56kPa降低至32.18kPa，內摩擦角由30.20°減小至27.30°，干濕循環作用能夠引起膨脹土內部結構的變異，導致土體顆粒之間的粘結力逐漸減弱，從而影響膨脹土黏聚力的大小。

通過對不同粉煤灰摻量條件下膨脹土試件進行干濕循環試驗，得到膨脹土無側限抗壓強度、抗剪強度參數的變化規律，試驗結果表明: ① 粉煤灰摻加能夠在一定程度上改良膨脹土，且存在一個最佳粉煤灰摻量，最佳粉煤灰摻量會因為膨脹土性質的不同而有所變化，因此，需要通過室內試驗綜合確定工程中膨脹土改良的最佳粉煤灰摻量。② 干濕循環作用對粉煤灰改良膨脹土具有弱化作用，膨脹土強度隨干濕循環次數增加而逐漸降低，不同強度參數對干濕循環作用的敏感性不同，無側限抗壓強度及黏聚力弱化效應顯著，而內摩擦角雖然出現降低，但是降低幅度較小。

3 結論

針對粉煤灰改良膨脹土強度特性，分別開展不同干濕循環次數作用下力學試驗，得到抗壓強度、抗剪強度參數隨循環次數的變化關系，主要研究結論包括：

1) 摻加粉煤灰能夠在一定程度上提高膨脹土強度，試驗結果表明最佳粉煤灰摻量約為15%。摻加粉煤灰使得膨脹土形成團聚體，提高膨脹土強度，試驗中改良膨脹土無側限抗壓強度增幅約為24.11%、黏聚力與內摩擦角增幅分別為22.15%與5.33%。

2) 干濕循環作用對粉煤灰改良膨脹土具有弱化效應，膨脹土無側限抗壓強度及黏聚力弱化效應顯著，內摩擦角對干濕循環作用敏感性較低。干濕循環作用在一定程度上影響粉煤灰改良膨脹土強度，從而對改良膨脹土路基穩定性產生不利影響。