不同水泥掺灰率下膨胀土抗剪强度参数的试验分析

蒋晓庆，李永彪 ， 林雁

(1．安徽广播电视大学，合肥 230022；2.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程重点实验室，合肥 230601)

一、引言

改良膨胀土的抗剪强度一直是岩土界的热点研究对象。其主要集中表现为三大类：化学改良法、物理改良法、生物改良法。化学改良法常用的材料有水泥[1-2]、石灰[3-4]、粉煤灰[5-6]或者两两组合[7]，目前还有一些新型材料，如建筑渣土[8]、煤矸石粉[9]、纳米水泥[10]等；物理改良法常用的是在膨胀土中加一些加筋纤维材料，达到降低膨胀性的效果；生物改良法则是利用微生物改变膨胀土土颗粒的结构，提高膨胀土的抗剪强度。化学改良法相对施工容易，价格便宜，本次试验选择水泥作为改良材料，分析不同掺灰率、不同初始含水率下改良土的剪应力—剪位移关系特征，研究膨胀土抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角的变化趋势。

二、 试验方法

土样取自合肥瑶海区某小区附近，土样深度在3至5米，土样呈黄褐色，夹有少量的铁锰结核，呈硬塑状态。对土样进行常规的物理力学试验，物理指标见表1。

表1 膨胀土基本物理特性指标

土样在烘箱内烘干，过0.5 mm细筛后，与水泥采用质量比掺灰，掺灰率分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、5.5%、6%。重塑土的初始含水率分别为16.5%、18.5%、19.5%、21.5%、23.5%，每组初始含水率在同一个掺灰率，需要四份土样，13个掺灰率共计52份土样，共计260份土样。本次试验量较大，试验持续时间长，为了保证试验的准确性，每次土样的配置不宜过多。本次试样的养护周期为7天，放在恒温保湿箱内养护。养护好的土样取出，利用轻型击实仪进行击实，土样规格为一个标准的环刀尺寸，即直径为61.8 mm，高度为20 mm。采用全自动直剪仪进行抗剪强度的测定，竖向应力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。剪切速率为0.8 mm/min。

三、试验数据分析

图1显示，随着初始含水率的增加，剪应力峰值先增大后变小，当初始含水率为18.5%时，剪应力峰值最大，曲线呈应变软化状态。在初始含水率为21.5%和23.5%时，曲线呈应变硬化状态，且剪位移越来越大，土体的塑性变形越来越明显。图2显示，随着竖向应力的增加，不同初始含水率的剪应力峰值都在增加，曲线除16.5%含水率的呈应变软化状态，其余四条曲线均呈应变硬化状态，剪位移较100 kPa作用下也发生了相应的增加。以上现象说明适当的外荷载作用和增加膨胀土的初始含水率可以有效地增加膨胀土的破坏时间，对于膨胀土边坡失稳有一定的理论参考意义。

图1 100 kPa下不同初始含水率的剪应力—剪位移关系曲线

图2 400 kPa下不同初始含水率的剪应力—剪位移关系曲线

图3、图4曲线显示，掺灰后的剪应力—剪位移曲线基本呈应变硬化型，当剪应力达到峰值后，很快就达到稳定强度，差值较小。初始含水率为16.5%时，随着掺灰率的增加，剪切峰值在逐渐增加，且0.5%到2.5%之间增加幅度较小，3%时峰值突然增加，剪切位移集中在2～3 mm之间。不同的掺灰率下，相应的剪切位移分别为：2.815 mm、2.987 mm，2.156 mm，2.008 mm，2.798 mm。图4显示，在初始含水率同为23.8%时，随着掺灰率的增加，剪切峰值也在逐渐增加，其中0.5%到2%之间增加幅度不大，2.5%时峰值突然增加，不同掺灰率下的剪切位移集中在3～4 mm。不同的掺灰率下，相应的剪切位移分别为：3.67 mm、3.523 mm，3.524 mm，3.207 mm，3.27 mm。综上所述，在相同的竖向作用下，低掺灰率的土样随着初始含水率的增加，剪切位移会变大，但是不同掺灰率下剪切位移的变化规律并不明显。

图3 16.5%含水率，400 kPa下低掺灰率下剪应力—剪位移曲线

图4 23.5%含水率，400 kPa下低掺灰率下剪应力—剪位移曲线

图5试验结果显示，当初始含水率保持不变，随着水泥掺灰率的提高，黏聚力逐渐增大。在较低掺灰率作用下，黏聚力的增加幅度不大，一般不超过20 kPa；在较高掺灰率作用下，黏聚力的增加幅度显著增加，最高可达44.5 kPa；当掺灰率超过最佳掺灰率时，黏聚力的增加幅度又降低。因此，在同一初始含水率下，黏聚力随着掺灰率的增加，呈现出缓慢增加快速增加又缓慢增加的趋势。不同初始含水率的最佳掺灰率也不同，初始含水率越大，最佳掺灰率呈现出增加的趋势。五组不同含水率所对应的掺灰率分别为4.5%、4%、4.5%、5%、5.5%。

图5 不同初始含水率下掺灰率与黏聚力的关系曲线

图6试验结果显示，当初始含水率保持不变，随着水泥掺灰率的提高，内摩擦角逐渐增大，增加幅度偏小。当ω=23.8%时，内摩擦角最大差值为15.33°。内摩擦角随着掺灰率的提高而增大，主要是因为在同一含水率下，膨胀土的内摩擦角主要和土颗粒的大小、形状和结构有关。当水泥颗粒与膨胀土的颗粒之间发生了一系列的离子交换、聚合反应，直至形成晶体结构，土颗粒经历了聚合变大，纤维状、细棱柱状、链条状等晶体结构的变化时，土颗粒之间的摩擦面逐渐变大，内摩擦角会相应地增大。但是内摩擦角的增加明显低于黏聚力，主要是由于膨胀土吸力的存在，吸力对黏聚力有贡献作用，但是对内摩擦角几乎没有影响。

图6 不同初始含水率下掺灰率与内摩擦角的关系曲线

图7试验曲线显示，当水泥掺灰率保持不变，随着初始含水率的增加，黏聚力呈现先增加后降低的趋势。当ω=18.3%时，不同掺灰率下的黏聚力最大(6%作用下的除外)。因此，18.3%称为黏聚力的最佳含水率。低于最佳含水率时，黏聚力随着初始含水率的增加而增大，高于最佳含水率时，黏聚力随着初始含水率的增加而降低。这主要是因为含水率可以反映土颗粒公共结合水膜联结的情况，当初始含水率低于最佳含水率时，一方面随着含水率的增加，土颗粒之间的公共水膜联结力增大，此时吸力的贡献也比较大，黏聚力会相应地增加；另一方面是由于环刀的约束也可以提高膨胀土的抗剪强度，进而反映在黏聚力的提高上。超过最佳含水率时，土颗粒结合水膜距离增大，颗粒之间的公共结合水膜联结力减弱，同时吸力随着含水率的增加也会降低，进而导致土体的黏聚力又相应地减小。

图7 不同掺灰率下初始含水率与黏聚力的关系曲线

图8试验曲线显示，当水泥掺灰率保持不变，随着初始含水率的增加，内摩擦角呈现先增加后降低的趋势。原因同黏聚力变化原因相同。超过最佳含水率时，水在土颗粒之间起到了润滑的作用，内摩擦角会相应地降低。

图8 不同掺灰率下初始含水率与内摩擦角的关系曲线

四、结论

研究结论如下：

(1)掺灰率为0%时，随着初始含水率和竖向应力的增加，剪应力—剪位移曲线由应变软化型向硬化型转变，剪切位移也在相应的增加，因此，适当地增加外荷载的作用和土体内的含水率可以延长土体剪切破坏的时间。较低掺灰率的改良膨胀土的剪应力—剪位移关系曲线基本呈应变硬化型，和初始含水率大小无关。初始含水率越大，剪切位移越大。

(2)每个初始含水率对应一个最佳掺灰率。掺灰率与最佳掺灰率差值越小，改良土的黏聚力增加幅度越大。内摩擦角随着掺灰率的增加一直呈缓慢增加趋势。

(3)存在一个黏聚力和内摩擦角的最佳含水率，在本次试验中的最佳含水率为18.3%。小于最佳含水率时，黏聚力和内摩擦角随着初始含水率的增加而增大；超过最佳含水率时，黏聚力和内摩擦角随着初始含水率的增加而降低。