王 欢， 曹义康， 任俊玺， 邱翱博， 杨惠茹

(河南大学土木建筑学院， 开封 475004)

膨胀土在中国分布广泛，由于具有较典型的吸水膨胀、失水收缩等不良工程特性，对公路工程等建筑地基的安全性和稳定性具有重要影响[1]。实际工程中遇到膨胀土路基等基础建设，必须对膨胀土路基进行处理，避免路基经历长时间的干湿循环作用，产生不可逆的胀缩变形，对上部结构的安全产生影响。由于膨胀土在干湿交替变化的情况下，土体的体积干缩湿胀，进而影响其强度，针对这种现象，近年来中外众多学者开展了不同的研究，得到许多可供参考的结论。Fehime 等[2]和Rao等[3]分别研究了干湿循环作用下石灰改良膨胀土的效果，结果均证明改良膨胀土的膨胀性均有明显地降低。庄心善等[4]研究了不同掺量的磷尾矿改良膨胀土的力学特性，结果显示改良膨胀土的抗剪强度随磷尾矿掺量的增加而减小。Al-Homoud 等[5]研究了干湿循环对膨胀土的影响，结果表明每次干湿循环后膨胀土都会出现疲劳迹象，导致膨胀能力下降。杨和平等[6]研究了干湿循环作用对膨胀土胀缩变形和强度的变化规律，结果表明随着干湿循环次数的增多，膨胀土的强度降低，且膨胀土的胀缩变形过程并不完全可逆。

目前，中外学者针对膨胀土的改良主要采用物理、化学、生物等改良方法[7]。物理改良的方法主要有掺加绿砂、风化砂、纤维等;化学改良方法主要有掺加石灰、水泥、粉煤灰等;生物改良方法主要有生物酶、微生物等。由于生物改良具有较大的局限性，因此目前常见的改良方法主要是物理改良和化学改良。查甫生等[8]对石灰改良膨胀土的物理力学特性等方面进行了研究，结果显示不同地区的改良膨胀土的强度等特性有其不同的最佳石灰掺量。Rao等[3]研究了干湿循环作用对石灰改良膨胀土的强度影响，发现改良土的液限增加，塑性极限和收缩极限降低。Guney等[9]研究了石灰改良膨胀土在干湿循环作用下的膨胀性试验，发现受干湿循环作用的影响，改良膨胀土在一定的压力作用下发生崩解。杨和平等[10]探究了干湿循环作用对膨胀土和重塑膨胀土的强度影响，发现上覆荷载对于强度的降低有抑制作用。张德恒等[11]进行了干湿循环作用下秸秆灰渣改良膨胀土的室内基本试验，得到秸秆灰渣在膨胀土中的最佳掺量为17%，此时改良膨胀土的强度和黏聚力均达到最大值。张鑫等[12]研究了不同含水率下绿砂改良膨胀土的基本物理性质，结果表明绿砂具有较好的改良效果。杨成斌等[13]通过进行石灰-粉煤灰改良膨胀土的强度随干湿循环作用的试验，结果表明粉煤灰对膨胀土的强度提高有一定的制约。张玉国等[14]研究了水泥固化重金属污染膨胀土的基本物理性质，研究表明水泥的加入能够降低膨胀土的干密度和自由膨胀率，提高液塑限。

由于石灰、水泥等化学材料改良膨胀土周期长、工序复杂、对环境有较大的污染，因此进行物理改良膨胀土的研究变得尤为必要。针对新乡地区膨胀土，凡超文[15]进行了黄泛区粉砂土改良膨胀土的相关研究，结果显示在膨胀土中掺入30%左右的黄泛区粉砂土，其胀缩性得到明显改善，且能有效地提高膨胀土的抗剪强度。但是目前关于粉砂土改良新乡地区膨胀土受干湿循环作用的影响有待研究。

综上所述，现采用粉砂土改良膨胀土并研究改良土受干湿循环的影响。既能达到保护环境，又能够减少不必要的工程支出。既符合国家倡导的可持续发展战略，同时又满足路基的设计要求。黄泛区粉砂土是黄河中下游一种特有的土质，粉砂土土质松散，不易成型，但是吸水性较好，相较于化学改良其方法简单且无污染。通过室内直接剪切试验，控制不同土样含水率的条件下进行干湿循环试验，测得土样的抗剪强度及黏聚力c、内摩擦角φ随循环次数N之间的变化关系，为膨胀土地区基础建设以及边坡支护等提供技术指标。

1 试验方案

1.1 试验仪器

所用仪器为HK-PZ-SL型PPS四联直剪仪，如图1所示，该仪器的剪切位移为6 mm，剪切速率为0.80 mm/min，所设定的垂直压力分别为100、200、300、400 kPa，所需土样尺寸为61.80 mm×12.50 mm。

图1 HK-PZ-SL型PPS四联直剪仪Fig.1 HK-PZ-SL type PPS quadruple straight shear

1.2 试验土样

1.2.1 膨胀土

所用膨胀土取自南水北调中线河南新乡潞王坟段，该地段土层主要由第三系泥灰岩风化组成和中更新统残缺积成因的重粉质壤土以及第四系上更新统坡洪积成因的黄土状重粉质壤土[16]。取土深度约为1.50 m，土样颜色为棕红色，质地坚硬呈可塑状态，黏性较高。

通过对所取膨胀土进行室内基本土工试验，可确定所取膨胀土的各项基本物理力学参数如表1所示。

表1 试验所取膨胀土基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of expansive soil

由表1可知，所取膨胀土的自由膨胀率为50.20%，根据《膨胀土地区建筑技术规范规范》(GB 50112—2013)[17]，对膨胀土进行初步判别，可判定该膨胀土样为弱膨胀土。

1.2.2 粉砂土

所用粉砂土取自黄河北岸河南新乡的原阳县，当地有大量的粉砂土，可方便以后施工取材，节省工程经济费用。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[18]，通过对粉砂土进行室内击实试验，得到所取土样最大干密度为1.82 g/cm3，最佳含水率为12.30%。

对所取试件分3组进行筛分试验，每组均取300 g左右，所取土样的筛分指标如表2所示。

由表2可知，所用样本土样的颗粒粒径主要集中在0.075～2 mm，颗粒含量占颗粒总质量的73.47%。根据规范[18]的规定，0.075～2 mm的砂粒占比在50%～80%的为粉质砂土，因此可判定土样为粉质砂土。

表2 粉砂土的筛分试验数据Table 2 Screening test data of silt soil

2 试验方案

2.1 试件制备

所用土样均取自河南省新乡市， 以30%的黄泛区粉砂土掺入弱膨胀土为研究对象，改良后的膨胀土最大干密度为1.87 g/cm3，最佳含水率为13.10%。根据工程现场膨胀土含水率试验可以确定改良膨胀土的干湿循环幅度为10%～20%。根据规范[18]，每个干湿循环过程的含水率控制点以2%～3%递增。因此，采取含水率11%、13%、15%、17%为4个不同的控制点。每组干湿循环分别进行5次，采用不断称重的方法控制土样含水率。

将膨胀土和粉砂土进行筛分试验，碾碎后过2 mm筛，取30%的粉砂土掺入膨胀土并拌和均匀。然后按照设定的含水率配置土样，按照最大干密度和相应的最佳含水率计算并称取一个环刀所需质量，然后一次性压实。试件干燥过程在温度为40 ℃烘箱中进行，干燥过程中，不断称量试件质量，当土样质量下降到预定含水率计算质量时，即停止干燥。在室温下采用滴水喷雾的方法进行加湿，润湿时间为24 h，为防止土样在泡水过程中造成膨胀开裂，可采用土工布将土样四周包裹并用橡皮筋加固。每个循环过程需要4个环刀试件，每组含水率需要24个，因此总共需要96个环刀试件。

2.2 干湿循环试验

(1)采取滴水喷雾的方法对试件进行加湿(图2)，首先取24个土样放入渗水盘中，在喷洒加湿的过程中不断称重，直到其含水率达到预定含水率时的重量即停止加湿，然后取出4个土样，解掉土工布然后用保鲜膜包裹土样。为了使土样内外含水率一致，将其放入养护盒中养护24 h(图3)，至此试件完成0次循环。

图2 喷雾加湿土样 Fig.2 Spray humidification soil samples

图3 养护土样Fig.3 Conservation soil samples

(2)剩余的20个土样继续在渗水盘中喷雾加湿，并且不断称重，直到其含水率达到20%时的重量，然后取出所有的土样并且解开土工布放入烘箱中进行脱水，将温度控制在40 ℃左右，脱水过程中不断称取重量，直到其含水率达到预定含水率时的重量停止脱水，然后取4个土样用保鲜膜包裹严实，放入恒温箱中养护24 h，使土样内部和表面的含水率一致。将剩余的16个土样在烘箱中继续脱水，直到其含水率为10%时的重量，然后停止脱水，至此试件完成第一次循环。

(3)对剩余的16个土样重复第(2)步的试验过程，完成剩余的第2次～5次干湿循环。

(4)经过干湿循环后对同一含水率的土样分别同时施加100、200、300、400 kPa的垂直荷载，然后以0.8 mm/min的速率进行直剪试验，确定土样在每一级荷载下的抗剪强度。

对相同含水率的土样按要求进行5次干湿循环，按照设置的4个含水率控制点，进行干湿循环试验。以含水率15%为例，5次干湿循环的控制图如图4所示。

图4 含水率为15%干湿循环示意图Fig.4 Water content is 15% dry and wet cycle schematic

3 试验结果及分析

3.1 抗剪强度和循环次数的关系

改良膨胀土在不同含水率下抗剪强度随干湿循环次数的变化规律如图5所示。

图5 不同含水率下抗剪强度与循环次数关系图Fig.5 Relationship between shear strength and cycle number at different moisture contents

由图5(a)可以看出：当改良膨胀土含水率为11%时，垂直荷载100 kPa时0次循环后抗剪强度为244 kPa，经过5次循环土样的抗剪强度下降到106 kPa，相比干湿循环之初下降了67.60%。当垂直荷载为200 kPa时，经过5次循环相比干湿循环之初下降了53.10%。当垂直荷载为300 kPa时，经过5次循环相比干湿循环之初下降了52.00%。当垂直荷载为400 kPa时，经过5次循环相比干湿循环之初下降了43.80%。可以看出，当含水率一定时改良膨胀土的抗剪强度受干湿循环次数的变化而降低，分析认为干湿循环作用会使土样体积吸水膨胀，失水收缩，反复的干湿循环作用造成土样表面结构破坏，且由于土样的膨胀变形并不是完全可恢复的，因此土样整体性遭到破坏，导致土样强度降低，土样表面裂隙开始发育、扩展并向土样深度延伸，水更容易地流入土体，导致内部黏性土颗粒进一步膨胀，从而降低改良土的抗剪强度。

由图5(b)～图5(d)可以看出，具有与图5(a)相似的变化规律，不同含水率的土样在受垂直荷载分别为100、200、300、400 kPa时，随着循环次数的增加，改良膨胀土的抗剪强度在逐渐下降，且随着含水率的增加土样的抗剪强度下降特别显著。以垂直荷载为100 kPa为例，17%含水率相较于11%含水率，经过0次循环后抗剪强度下降了58.2%，经过5次干湿循环后土样的抗剪强度下降了41.5%。究其原因，主要是因为当含水率较高时，土样的孔隙变化主要出现在集聚体间孔，当含水率较低时，土样的孔隙变化主要出现在集聚体内。因为粉砂土主要填充在膨胀土的集聚体间孔，因此在含水率较高时，土样集聚体间的孔隙体积随循环次数的增加变化没有那么显著，抗剪强度降低比较小，而在含水率较低时，随着循环次数的增加土样的孔隙变化主要发生在集聚体内，因此土样的抗剪强度降低比较多。

3.2 黏聚力、内摩擦角和循环次数的关系

改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角与干湿循环次数的关系如图6和图7所示。

图6 不同含水率下强度指标与循环次数的关系Fig.6 Relationship between strength index and cycle number at different moisture contents

图7 不同含水率下黏聚力与循环次数的关系Fig.7 Relationship between cohesive force and cycle number at different moisture contents

从图6和图7可以看出：当改良膨胀土的含水率为11%时内摩擦角从26.7°降到19.1°，降幅约28%；黏聚力从210.5 kPa下降到105.4 kPa，降幅为50%。当含水率为13%时,内摩擦角从24.5°降到20.4°，降幅约17%；黏聚力从118.5 kPa下降到49.5 kPa，降幅为49.93%。当含水率为15%时内摩擦角从24.9°降到18.9°，降幅约24%；黏聚力从95.1 kPa下降到32.8 kPa，降幅为65.51%。当含水率为17%时,内摩擦角从23.4°降到20.1°，降幅约14%；黏聚力从72.3 kPa下降到31.7 kPa，降幅为56.15%。随着干湿循环次数的增加，改良膨胀土的黏聚力一直在下降，前3次黏聚力降低较多，第3次之后黏聚力下降较少，内摩擦角的变化幅度基本都在10°～30°范围内浮动，基本没有太明显的变化。

分析其原因可以总结为以下两点。

第一，前几次干湿循环作用，土体黏聚力下降较快是由于土体内基质吸力不断地加载、卸载，在土体结构内产生不可逆的疲劳损伤累积[19]，而在以后的干湿循环中黏聚力下降幅度变小的原因是因为在前几次循环后土体的破坏已经累积到一定的程度，然后达到一种新的平衡，其强度不会随着干湿循环次数的增加而一直降低。

第二，干湿循环的作用会引起改良膨胀土中的黏性土颗粒的重新排列和组合，从而引起土体的微观结构的改变，最终引起改良膨胀土胀缩性的改变[20]。

经过干湿循环的作用，土颗粒之间会产生范德华力，从而会使得土颗粒之间连接的更加紧密，使较小的颗粒集聚成较大的集聚体，从而使土体中较大颗粒变多，土体的比表面积减小，颗粒之间的间隙变大，水沿孔隙会更加容易渗入土体，整体结构遭到破坏，因此改良膨胀土的黏聚力减小。改良膨胀土的内摩擦角随干湿循环次数的增加无较大的变化，可以看出内摩擦角基本不受干湿循环作用的影响，是因为内部土颗粒周围存在一层致密的水化膜，含水率的变化只会改变水化膜的厚度，由于水化膜的存在导致土颗粒之间的摩擦力减小，从而使土体的内摩擦角没有较显著的变化规律。

4 结论

通过对粉砂土改良膨胀土进行了干湿循环试验，可得到如下结论。

(1)粉砂土改良膨胀土在不同的含水率时，黏聚力在前3次干湿循环作用时降低较多，此后曲线趋于平缓；内摩擦角受干湿循环作用的影响较小，干湿循环阶段基本无太大的波动。

(2)粉砂土改良膨胀土的抗剪强度和干湿循环次数呈负相关，并且抗剪强度随着含水率的增加，降低值波动较小。

(3)粉砂土改良膨胀土能够明显改善膨胀土的胀缩性和强度，由于粉砂土的分布较广泛，并且是绿色资源，所以用粉砂土改良膨胀土在实际工程应用方面不仅绿色环保，没有污染，而且节省工程费用，方便取材。