水泥改性膨胀土干湿循环特性研究

谭文超，陈平货

(1.湖南省长沙市轨道交通集团有限公司，湖南 长沙 410000;2.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

膨胀土是一种常见的特殊土体，具有遇水膨胀，失水收缩的特点。广大科技工作者和工程技术人员通过大量的研究，取得了丰硕的成果。

缪林昌等［1，2］研究了膨胀土含水量、粘聚力和内摩擦角之间的关系函数，认为土样的密度对膨胀土的剪胀特性有较大影响。谭罗荣等［3，4］提出将膨胀土强度分为饱和状态强度和吸力引起强度，并分析了吸力引起的附加强度的表达方式。龚璧卫等［5］研究了不同含水量和密度的非饱和击实膨胀土的抗剪强度特性，认为含水量的变化可以显著地影响土体的凝聚力。孔令伟等［6］研究了膨胀土的潜势等级，认为膨胀土的加州承载比(CBR)随膨胀潜势等级和压实功的变化而变化。徐永福等［7］建立了膨胀土分形模型。

在公路工程中，膨胀土路基属于公认的较难处理路段。工程实践表明，降雨、蒸发等过程会引起膨胀土体内部干湿循环变化，并引发膨胀土土体产生裂缝，强度减小，并导致路基破坏。因此，有必要对膨胀土进行改性研究，通过掺加水泥，提高土体强度，降低土体的裂隙性和在干湿循环条件下土体的强度损失。

水泥改性膨胀土可以用来作为高速铁路的路基填料。有研究表明，改性后的膨胀土的膨胀性有了一定的遏制，但是在干湿循环条件下，仍然会导致周期荷载下土体的强度衰减。本文将对多次干湿循环条件下，水泥改性膨胀土的强度衰减规律进行研究，找出衰减规律，为水泥改性膨胀土的工程应用提供可靠的试验依据。

1 试验方法步骤

1.1 土样的物性指标

试样所用土样取自河南省南阳市，试验前过2 mm 筛并烘干。土样的物性指标见表1。

表1 土样的特性指标

1.2 水泥改性方法

由于国家尚无统一的水泥改性土室内试验操作规程，故参照混凝土砂浆试验规程来进行膨胀土的水泥改性试验。所采用的水泥为325#普通硅酸盐水泥，其初凝时间为4 h。这样可以降低水泥改性土强度，以便减小改性土的裂隙。首先将土样烘干，并加水拌匀，密封24 h。然后按照质量比4∶100 的比例加入水泥，并搅拌均匀。将混合后的改性土土样分为10 组，每组3 个试样，制成直径3.91 cm，高8.0 cm 的标准三轴试验圆柱样。其中5 组用来测定土样的三轴固结不排水强度，5 组测定剪切波速。制样时间要控制在水泥初凝前，即需要在4 h 内完成。然后将试样在湿度大于90%的条件下养护28 d。

1.3 改性土试样干湿循环

将养护好的试样进行真空负压饱和。饱和方法如下。

首先将试样放入饱和器中，将饱和器放入真空罐，然后将真空罐内的空气抽至0.1 个大气压以下，然后停止抽气。打开进水管，待完全浸没饱和器之后，关闭进水管，静置4 h 以上。这样获得的试样饱和度在95%以上，可以满足要求。

采用自然风干的方法来实现试样的失水过程。将试样在室温条件下进行风干，通过测量试样的质量来计算试样的失水质量，控制试样失水在总含水量的30%时，失水过程结束，此为一次干湿循环。然后按照前述方法对不同组的试样进行不同次数的干湿循环。4 组试样的干湿循环次数分别为0、1、2、3、4 次。

表2 试样三轴固结不排水剪切强度

1.4 三轴固结不排水抗剪强度试验

为了更好地模拟高铁路基受力状况，取三轴试验的围压为20 kPa，对试样进行三轴试验，测定其固结不排水抗剪强度。所获得的抗剪强度取平均值，结果如表2和图1所示。由结果可知，试样的固结不排水抗剪强度随着干湿循环次数的增加而减小。当干湿循环为1 次时，强度比干湿循环次数为0 时降低了36.5%;当干湿循环次数为2 次时，强度比干湿循环次数为0 时降低了41.3%;当干湿循环次数为3 次时，强度比干湿循环次数为0 时降低了43.8%;当干湿循环次数为4 次时，强度比干湿循环次数为0 时降低了44.6%。而当试样经历过干湿循环之后，其后再经历干湿循环，其强度降低比例依次减小。如试样第1 次干湿循环，强度比不经历干湿循环减小了36.5%，而第2 次干湿循环后强度比第1 次干湿循环后降低了7.5%，第3 次干湿循环后强度比第2 次干湿循环后降低了4.26%，第4 次干湿循环后强度比第3 次降低了1.37%。

图1 三轴固结不排水抗剪强度随干湿循环次数衰减图

1.5 水泥改性膨胀土剪切波速试验

采用透射法来测定水泥改性膨胀土的剪切波速。并通过比较不同的干湿循环次数的土样的剪切波速改变规律与水泥改性膨胀土不排水抗剪强度变化规律之间的关系，找到用测定剪切波速来替代抗剪强度的方法。测试仪器为DB4 型多波参数分析仪，弹性波速按下式计算。

式中:V 为试样中的弹性波速;L 为试样高度;T 为波通过试样的总时间;T0为传感器的延时时间。

所测得的土样剪切波速与干湿循环次数的关系如表3和图2所示。由试验可知，试样的剪切波速随着干湿循环次数的增加而减小。当干湿循环为1次时，波速比干湿循环次数为0 时降低了22.7%;当干湿循环次数为2 次时，波速比干湿循环次数为0 时降低了37.5%;当干湿循环次数为3 次时，波速比干湿循环次数为0 时降低了44.6%;当干湿循环次数为4 次时，波速比干湿循环次数为0 时降低了48.6%。而当试样经历过干湿循环之后，其后再经历干湿循环，其波速降低比例依次减小。如试样第1 次干湿循环，波速比不经历干湿循环减小了22.7%，而第2 次干湿循环后波速比第1 次干湿循环后降低了19.1%，第3 次干湿循环后波速比第2次干湿循环后降低了11.4%，第4 次干湿循环后波速比第3 次降低了7.1%。

表3 试样剪切波速

图2 剪切波速随干湿循环次数衰减图

2 结论

根据试验结果，干湿循环对水泥改性膨胀土的强度有很大影响。经历了干湿循环之后，试样的强度会显著降低。首次干湿循环后，强度降低较多，而后再进行干湿循环，强度会逐渐降低并趋于稳定。而试样的剪切波速同样受到干湿循环的影响，其波速降低的规律与强度降低的规律类似。

［1］缪林昌，仲晓晨，殷宗泽.膨胀土的强度与含水量的关系［J］.岩土力学，1999(6):71 －75.

［2］缪林昌，崔 颖，陈可君，等.非饱和重塑膨胀土的强度试验研究［J］.岩土工程学报，2006，28(2):274 －276.

［3］谭罗荣，孔令伟.膨胀土膨胀特性的变化规律研究［J］.岩土力学，2004，25(10):1554 －1559.

［4］谭罗荣，孔令伟.膨胀土的强度特性研究［J］.岩土力学，2005，26(7):1009 －1013.

［5］龚壁卫.非饱和击实膨胀土总应力强度探讨［J］.长江科学院院报，1998(2):40 －43.

［6］孔令伟，郭爱国，陈善雄，等.膨胀土的承载强度特征与机制［J］.水利学报，2004(11):54 －61.

［7］徐永福，董 平.非饱和土的水分特征曲线的分形模型［J］.岩土力学，2002，23(4):400 －405.