干湿循环对粉煤灰改良路堤膨胀土影响试验研究

张明敏

(怀化市公路路政管理支队， 湖南 怀化 418000)

0 引言

膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的特性，导致膨胀土分布区域路堤设计与施工难度逐渐增大，对路堤工程稳定性造成严重影响，同时，膨胀土极易受到水环境变化的影响，因此研究路堤膨胀土的改性以及干湿循环作用下膨胀土的强度变化特征具有重要意义[1-4]。目前，针对膨胀土物理力学特性的研究，杨和平等[4]利用改进的土体直剪试验方法，研究了不同干湿循环条件下膨胀土的抗剪强度变化及其对边坡稳定性影响；李新明等[5]以路堤膨胀土处理为研究对象，研究干湿循环对残余强度的影响，提出了膨胀土路基处理的石灰改性包边处理法；吴珺华等[6]研究干湿循环对膨胀土强度影响，得到了基质吸力与抗剪强度随循环次数的变化关系，冷挺等[7]总结了现有膨胀土路基处理技术，从工程特性方面提出了膨胀土研究方法；吕海波等[8]以膨胀土抗拉强度为研究对象，得到含水率与干湿循环作用下膨胀土抗拉强度变化规律。针对膨胀土的改良研究，孙树林等[9]研究了碱渣掺加对膨胀土改良特性影响，结果表明碱渣对提高膨胀土粘聚力效果明显，对内摩擦角效果不明显；边加敏等[10]研究改良膨胀土路堤施工，提出了以膨胀性为主控参数、强度为验证参数的施工原则；查甫生等[11-12]从变形与强度特性等方面，研究了掺加电石渣与石灰-粉煤灰改良膨胀土的影响规律。

本文以粉煤灰改良膨胀土为研究对象，分别研究不同粉煤灰掺量与干湿循环作用下改良膨胀土强度特性，分析了改良膨胀土无侧限抗压强度以及抗剪强度参数的变化规律，得到了最优粉煤灰掺量，为膨胀土改良以及路堤工程设计与施工提供参考依据。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验材料主要包括膨胀土、粉煤灰等，膨胀土取样深度大约为2m，通过室内试验测得膨胀土基本物理指标，如表1所示。

表1 膨胀土基本物理指标密度/(g·cm-3)最优含水率/%液限/%塑限/%自由膨胀率/%1.8813.83226.852.6

试验中粉煤灰取自发电生产的Ⅲ级干排灰，粉煤灰颜色呈灰褐色，性态为粉末状，根据组分测定试验得到其主要组分为Fe2O3、SiO2、CaO等，其密度为2.16g/cm3、细度为13.20%、烧失量为7.20%。

根据粉煤灰掺量的不同将试样分为0(未掺加粉煤灰)、5%、10%、15%、20%、30%试验组，其中粉煤灰掺量定义为粉煤灰质量占膨胀土质量的百分比，将不同粉煤灰掺量膨胀土制作成压实土样备用。

1.2 试验方法

对不同粉煤灰掺量条件下改良膨胀土试件进行干湿循环试验，循环次数设计为0、5、10、20、30次，改良膨胀土1次干湿循环过程可定义为：采用直接浸水法，待试样达到饱水状态时，放入烘箱内烘干24h，烘箱温度控制在40～45℃，此时，改良膨胀土1次干湿循环完成。

根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[13]开展室内试验，改良膨胀土试件的养护时间为24d，分别测定粉煤灰改良膨胀土无侧限抗压强度、抗剪强度参数，分析粉煤灰掺量及干湿循环次数对粉煤灰改良膨胀土强度的影响。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度

不同干湿循环作用下粉煤灰改良膨胀土无侧限抗压强度变化规律如图1所示。从图中可以发现，无侧限抗压强度随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小，干湿循环对粉煤灰强度产生弱化作用。

图1 膨胀土无侧限抗压强度变化规律

根据图1可知，粉煤灰掺量为15%时，粉煤灰改良膨胀土无侧限抗拉强度最大，由不掺加粉煤灰时的0.51MPa增加到0.63MPa，增幅约为23.52%。当粉煤灰掺量大于15%时，无侧限抗压强度逐渐减低。从膨胀土细观结构变化角度分析，粉煤灰中的阳离子产生的离子交换，使得膨胀土中分散的颗粒凝聚形成团聚体，降低了膨胀土的塑性指数，能够有效的抑制膨胀土的胀缩效应，增强膨胀土的强度。当粉煤灰掺量大于15%时，颗粒凝聚形成的团聚体体积及数目增大，造成颗粒的比表面积减小，导致团聚体之间的粘聚程度降低，从而造成过量掺加粉煤灰的膨胀土无侧限抗压强度降低，同时，由于干湿循环作用造成土体结构损伤，一定程度上加剧粉煤灰强度的降低。

随着干湿循环次数增加，无侧限抗压强度逐渐降低。粉煤灰掺量为15%时，抗压强度由0.63MPa降低至0.47MPa，干湿循环作用对膨胀土强度弱化效应显著。由于水的侵蚀作用，导致团聚体胶结物质溶解，颗粒之间的粘结力减弱，部分土体颗粒随水溶液溶解迁移，内部结构不再密实，出现孔隙、空洞等缺陷，从而造成改良膨胀土无侧限抗压强度降低。

2.2 抗剪强度参数

不同干湿循环作用下粉煤灰改良膨胀土黏聚力与内摩擦角变化规律如图2所示，从图中可以发现，黏聚力与内摩擦角随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小，干湿循环对粉煤灰强度产生弱化作用。

图2 膨胀土黏聚力与内摩擦角变化规律

根据图2可知，掺加粉煤灰提高了膨胀土抗剪强度参数。无干湿循环作用影响下，当粉煤灰掺量为15%时，粘聚力与内摩擦角提高幅度最大，黏聚力由35.66kPa提高至43.56kPa，增加幅度为22.15%，内摩擦角由28.80°增加至30.20°，增加幅度为5.33%。掺加粉煤灰对黏聚力的影响明显大于内摩擦角。

粉煤灰掺量为15%时，干湿循环作用下膨胀土黏聚力由43.56kPa降低至32.18kPa，内摩擦角由30.20°减小至27.30°，干湿循环作用能够引起膨胀土内部结构的变异，导致土体颗粒之间的粘结力逐渐减弱，从而影响膨胀土黏聚力的大小。

通过对不同粉煤灰掺量条件下膨胀土试件进行干湿循环试验，得到膨胀土无侧限抗压强度、抗剪强度参数的变化规律，试验结果表明: ① 粉煤灰掺加能够在一定程度上改良膨胀土，且存在一个最佳粉煤灰掺量，最佳粉煤灰掺量会因为膨胀土性质的不同而有所变化，因此，需要通过室内试验综合确定工程中膨胀土改良的最佳粉煤灰掺量。② 干湿循环作用对粉煤灰改良膨胀土具有弱化作用，膨胀土强度随干湿循环次数增加而逐渐降低，不同强度参数对干湿循环作用的敏感性不同，无侧限抗压强度及黏聚力弱化效应显著，而内摩擦角虽然出现降低，但是降低幅度较小。

3 结论

针对粉煤灰改良膨胀土强度特性，分别开展不同干湿循环次数作用下力学试验，得到抗压强度、抗剪强度参数随循环次数的变化关系，主要研究结论包括：

1) 掺加粉煤灰能够在一定程度上提高膨胀土强度，试验结果表明最佳粉煤灰掺量约为15%。掺加粉煤灰使得膨胀土形成团聚体，提高膨胀土强度，试验中改良膨胀土无侧限抗压强度增幅约为24.11%、黏聚力与内摩擦角增幅分别为22.15%与5.33%。

2) 干湿循环作用对粉煤灰改良膨胀土具有弱化效应，膨胀土无侧限抗压强度及黏聚力弱化效应显著，内摩擦角对干湿循环作用敏感性较低。干湿循环作用在一定程度上影响粉煤灰改良膨胀土强度，从而对改良膨胀土路基稳定性产生不利影响。