干濕循環(huán)作用對崩解性砂巖改良膨脹土抗剪強度影響

吳少甫

（中鐵二十局集團第二工程有限公司 西安 710016）

1 引言

由于引江濟淮工程兼具調(diào)水、航運和改善水生態(tài)三大功能，生活用水的硬度標準及江淮地區(qū)膨脹土的高含水率特性限制了摻拌生石灰、水泥改良膨脹土方法的使用，因此，因地制宜地開發(fā)一種適合引江濟淮工程特殊的水文地質(zhì)條件及設計目的的膨脹土改良技術對工程中膨脹土邊坡防護方案的順利實施至關重要。李國維等基于引江濟淮工程下伏地層崩解性砂軟巖連續(xù)分布的特點，開發(fā)了一種利用引江濟淮工程崩解性砂巖棄渣改良膨脹土的技術，研究發(fā)現(xiàn)砂巖能較好地改良膨脹土的工程適用性，摻砂率30%時改良效果最佳。

本研究采用室內(nèi)干濕循環(huán)試驗與直接剪切試驗，進一步對干濕循環(huán)作用下純膨脹土及砂巖改良土的強度特性進行探討，分析了砂巖對膨脹土裂隙演化規(guī)律及強度衰減特性的影響，明確了崩解性砂巖棄渣對膨脹土季節(jié)性氣候敏感性的改善效果，為崩解性砂巖改良膨脹土在引江濟淮工程上的應用提供支持。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料

該試驗所用膨脹土取自引江濟淮工程菜巢線，小合分線段，樁號K15+240～K15+340，三級坡坡中處，為黑色重粉質(zhì)壤土，具有弱膨脹性，自由膨脹率62%。所用崩解性砂軟巖取自引江濟淮試驗工程，樁號K41+100～K42+200，河底處，為強風化、棕紅色軟巖，具有非膨脹性，自由膨脹率24%，具有強崩解性，二次循環(huán)耐崩解性指數(shù)Id2為0，崩解后的砂巖顆粒均小于2mm。膨脹土、崩解性砂軟巖基本物理力學指標見表1，礦物組成見表2。

表1 膨脹土與崩解性砂軟巖的基本物理力學指標表

表2 膨脹土與崩解性砂軟巖 X 射線衍射試驗結果表

2.2 試驗方案

李國維等對不同摻砂率的崩解性砂巖改良土的物理力學性質(zhì)開展研究，發(fā)現(xiàn)摻砂率為30%時（干巖：干土=3︰7），砂巖改良膨脹土效果最佳。本研究中對風干后的膨脹土及崩解性砂軟巖破碎過篩，得到膨脹土顆粒（粒徑＜5mm）及砂巖碎屑（粒徑＜2mm），并以30%（質(zhì)量比）的摻量將巖屑加入膨脹土中進行改良，獲取砂巖改良土混合料。

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）對純膨脹土及砂巖改良土進行輕型擊實試驗，得到最優(yōu)含水率與最大干密度，其中純膨脹土、砂巖改良土的最優(yōu)含水率分別為22.80%、19.5%，最大干密度分別為1.59g/cm3、1.63g/cm3。并按最優(yōu)含水率制備混合料，以95%壓實度擊入300mm×300mm×120mm的模具內(nèi)，以Φ61.8mm×20mm 環(huán)刀在試樣模具內(nèi)取試樣，并挑選密度差小于0.02g/cm3的多個試樣配置試樣組，再進行干濕循環(huán)試驗及室內(nèi)剪切試驗。

對純膨脹土及改良土進行干濕循環(huán)試驗，采用先干后濕的順序。對所有土樣進行飽和，定義飽和土樣為初始狀態(tài)，將飽和后的土樣放入溫度45℃、濕度50%的恒溫恒濕箱中干燥12h，再放入真空吸水儀中進行真空飽和12h（試樣達到飽和含水率），此為一次干濕循環(huán)。每次干燥后，對試樣表面進行拍照，記錄其表面裂隙發(fā)展情況，并對循環(huán)次數(shù)為0、1、3、5 次的試樣進行飽和狀態(tài)下的直接快剪試驗。

3 試驗結果分析

3.1 裂隙開展規(guī)律

將1～5 次干濕循環(huán)作用下，純膨脹土與砂巖改良土試樣表面裂隙的發(fā)展過程與分布情況分別拍攝照片，并保持相同視距、視角和環(huán)境條件。可知，干濕循環(huán)作用下，純膨脹土試樣表面裂隙發(fā)育，裂隙數(shù)量多，寬度大，試樣整體收縮嚴重，大裂隙周邊有微小裂隙產(chǎn)生。摻入砂巖碎屑后，砂巖顆粒與土顆粒均勻拌合，改善了土體顆粒級配，增大了土體密實度，降低了土中強親水性黏土顆粒占比，使土體脹縮性降低。砂巖改良土經(jīng)5 次干濕循環(huán)后試樣表面僅產(chǎn)生一條長裂隙，長裂隙周圍未見微小裂隙衍生，裂隙整體收縮量減小。

采用Matlab 軟件，對裂隙圖像進行二值化處理，并提取裂隙率數(shù)據(jù)，將表面裂隙率結果匯于圖1可知，土體表面裂隙率在首次干濕循環(huán)后增幅最大，隨著循環(huán)進行，表面裂隙逐漸發(fā)展，但裂隙率的大小變化不顯著。純膨脹土脹縮能力強，5 次干濕循環(huán)條件下，試樣的表面裂隙率大。摻入砂巖后，土中黏土顆粒占比減小，土體脹縮性降低，干濕循環(huán)過程中表面裂隙率減小，砂巖具有抑制膨脹土表面裂隙開展的作用。

圖1 純膨脹土與改良土在干濕循環(huán)作用下的裂隙率變化圖

3.2 強度蛻化規(guī)律

將純膨脹土與砂巖改良土試樣在0～5 次干濕循環(huán)作用下，直接剪切試驗所得的抗剪強度指標（粘聚力與內(nèi)摩擦角）匯于圖2可知，膨脹土中摻入砂巖后，土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角均增大。其主要原因為，摻入砂巖能有效增加土中粗顆粒的含量，改善膨脹土的顆粒級配，使改良土密實度提高，剪切過程中克服顆粒間錯位或翻滾時的摩擦阻力增大，即抗剪強度增大，具體表現(xiàn)為粘聚力與內(nèi)摩擦角增大。

圖2 純膨脹土與改良土在干濕循環(huán)作用下的抗剪強度指標變化圖

干濕循環(huán)作用易導致土體脹縮裂隙開展，破壞土體結構，使土體強度降低，抗剪強度指標減小。土體內(nèi)摩擦角大小主要受土粒本身的性質(zhì)所影響，干濕循環(huán)作用未對土體內(nèi)摩擦角產(chǎn)生規(guī)律性影響，因此，本研究主要探討干濕循環(huán)作用對土體粘聚力參數(shù)的影響。結果顯示，純膨脹土及砂巖改良土的粘聚力參數(shù)均隨干濕循環(huán)的進行呈遞減趨勢，且首次循環(huán)衰減最為明顯，3～5 次循環(huán)后趨于穩(wěn)定。并且，砂巖摻入后土體粘聚力衰減率明顯減小，5 次干濕循環(huán)作用下，純膨脹土的粘聚力由42.26kPa 衰減至15.90kPa，衰減率為61.9%，而砂巖改良土則由44.80kPa 衰減至21.20kPa，衰減率約為52.7%，可見，砂巖具有抑制膨脹土干濕循環(huán)過程中粘聚力衰減的作用。

將土體粘聚力參數(shù)與表面裂隙率（CIF）之間的關系點匯于圖3可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，改良前、后土體的粘聚力參數(shù)與其CIF 間均滿足線性負相關關系，且決定系數(shù)大于0.98，即干濕循環(huán)作用下土體粘聚力參數(shù)隨CIF 的增加線性減小。由此，在實際工程中可通過測試未干濕循環(huán)及1 次干濕循環(huán)作用下土體的抗剪強度指標及CIF 值，建立土體粘聚力參數(shù)與CIF 間的線性關系式，并結合多次干濕循環(huán)后的土體裂隙狀況，推導被測試土體經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的土體抗剪強度指標。

圖3 干濕循環(huán)過程中土體粘聚力與CIF 間的關系圖

4 結論

干濕循環(huán)作用能促進土體表面裂隙開展，降低土體抗剪強度。干濕循環(huán)作用下，純膨脹土及砂巖改良土的表面裂隙逐漸開展，裂隙率增加，土體抗剪強度減小，且在3～5 次循環(huán)后均趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)作用對土體抗剪強度的影響主要通過土體粘聚力體現(xiàn)，循環(huán)作用未對土體內(nèi)摩擦角產(chǎn)生規(guī)律性影響。

崩解性砂巖抑制膨脹土的裂隙開展。崩解性砂巖能有效抑制干濕循環(huán)作用下膨脹土表面裂隙的開展，降低土體的表面裂隙率。

崩解性砂巖改善膨脹土強度性狀的穩(wěn)定性。崩解性砂巖具有增強膨脹土的粘聚力與內(nèi)摩擦角，抑制干濕循環(huán)過程中膨脹土粘聚力衰減的作用。

土體粘聚力與表面裂隙率線性負相關。干濕循環(huán)作用下，純膨脹土及砂巖改良土的粘聚力參數(shù)與土體表面裂隙率之間均滿足線性負相關關系，工程中可依據(jù)土體在干濕循環(huán)過程中的表面裂隙率對土體的強度指標進行快速推導■