关键词：膨胀率；石灰改良膨胀土；水泥改良膨胀土；无侧限抗压强度；
1、膨胀土的成因特性
膨胀土粘粒成分主要由亲水性矿物高岭石、伊利石和蒙脱石构成，具有强烈的吸水膨胀和失水收缩的粘性土称为膨胀土，其自由膨胀率通常大于40％。膨胀土呈灰白色、灰绿色、灰黄色、红棕色、黄褐色等，一般分布在二级及二级以上的河谷、山坡和盆地边缘及丘陵地带，膨胀土的土体地形坡度较为平缓，没有明显的陡峭与山坎。
总的来说，膨胀土的成因类型与特性有很多，有河流相、残积相、坡积相、洪积相，还有湖相及滨海相。据有关人员考证，膨胀土主要生成于第四纪晚更新世，第四纪中更新世也有生成，在更早、更晚的时期几乎没有生成。在我国西南方和华北地区分布的较多、北方分布的较少。膨胀土地区容易发生边坡开裂、崩塌和土体的滑动；土方在开挖工程中遭遇雨水易发生基坑坑底迅速隆起和坑壁侧胀开裂；地下洞室周围易产生高地压和洞室周边土体大变形现象；地裂缝发育，对道路、渠道等易造成危害；其反复的吸水膨胀和失水收缩会造成围墙、室内地面以及轻型建、构筑物的破坏。
2、侧限压缩试验结果分析
从侧限压缩试验得出的数据进行归纳与总结，可以从大量数据中找寻土体之中强度变化的规律，探索膨胀土如何提高土体的抗压强度，为实际工程应用提供方便。（1）从图一可看出，在相同干密度和相同掺比的情况下，土体中的含水量越大，土体的压缩趋势就会越大，分析其机理并得出结论，膨胀土体随着含水量增大，土体内的弱结合水膜会变厚，孔隙之间的自由水也会增多，这会导致水对于土颗粒的润滑作用增强，土体发生软化现象，因此膨胀土的强度会减小。（2）相同干密度与相同石灰掺比的情况下，随着含水量的上升，土体的强度是逐渐增大，原因是随着含水量的增大，土体中石灰与土体中的自由水发生反应，从而降低了土体间的自由水，提高土体的强度。（3）从图二可看出，水泥改良作用是由于硅酸盐和铝的水化物和颗粒相互间的胶结作用及胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用,增大了土体的强度，试验结果及资料表明:用水泥稳定膨胀土能明显改善膨胀土的物理力学性质，能大幅度提高其抗压强度和耐久性,综上所述水泥整体改良效果比较显著，水泥与水反应起到主导作用的为凝结硬化作用，在较小的掺比下，随着水泥的掺比增加，水泥的胶结作用增大，土体的强度增大，此时土体的强度会到达一个顶峰值，再随着水泥的掺加，土体的强度会出现下降的趋势，土体中的水分子不能完全与水泥发生化学反应，水泥与土颗粒、水泥之间的粘结强度明显不如土颗粒与土颗粒之间的粘结强度，从而降低土体的粘结力，因此，土体强度开始出现下降的趋势，水泥掺比中12%掺比为最优，其改良效果更佳。（4）从图三可看出，改良土曲线分为两个阶段，第一阶段为平缓阶段，土体在较小外荷作用下，土体的强度足以抵抗，并保持未被破坏的状态，土体的内部结构强度未遭受破坏，当竖向荷载大于25kPa荷载，图中曲线趋势呈陡峭状态，随着外荷作用增大，土体强度已不足以抵抗竖向压力，试样开始发生破坏。在竖向荷载为1600kPa时，可从图中看出，8%水泥改良土曲线位于其它曲线的上方，说明在此高荷载下，8%水泥掺比的改良土强度明显高于8%石灰掺比改良土。
3、有荷膨胀量试验分析
图4 不同含水量的膨胀率对比 图5 不同改良材料的膨胀率对比
结合上述图可分析得到：（1）膨胀率和膨胀力随着土的初始含水量增大而降低。（2）土体曲线与横轴有相交之处，说明其交点处的对应的膨胀率为零，此时作用在土体上部的竖向荷载与其膨胀内力相等。（3）水泥和石灰可以减少土体内的膨胀率和膨胀力，可以显著的降低膨胀土的膨胀特性，水泥和石灰对土体的变形程度起到了较大的约束作用，由于改良材料和土体的界面产生了切应力作用，从而限制了土体的进一步膨胀趋势。（4）随着石灰与水泥掺比的逐渐增大，降低土体的膨胀率效果逐渐增强。（5）水泥相比于石灰，水泥抑制膨胀率的效果更为显著。
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4、无侧限抗压强度试验分析
图6 破坏前的土样 图7 破坏后的土样
破坏情况如图6和图7所示，在竖向压力施加初期，土体上部率先产生少量细微裂缝外，其他位置并无裂缝产生，在加压过程中，土体表面无裂缝发展，直至突然出现一劈裂破坏，土体的表面有大块土样剥落，土样的轴向应力迅速减少。由于劈裂破坏，土样形成上下两部分，土体会形成大块的剪切面，随着轴向压力持续施加，两部分土样再一次压紧，残余应力趋于稳定，直至土样彻底破坏，在土样破坏过程中，重塑土样基本不再发生大体积的土体剥落现象，土样表面的裂缝从土样上部开始出现，形成贯穿裂缝。
图8 不同含水量的应力-应变关系图
结合图8的曲线，可以从中得出，当土体的含水量越低，土体的峰值点则越高，土体的抗压强度随着含水量的增加而减少。随着竖向应变的增大，曲线逐渐达到峰值点，此时土体内部的应力达到最大值，随着竖向应变的继续增大，土体的内部应力开始有明显的下降趋势，曲线呈陡直下降状态。土样在形成细微裂缝后，土样的表面裂缝不再发展。随着轴向应变的不断增大，轴向应力在不断的减小，土体趋势呈陡峭下降，说明此是土样的强度发生破坏，应力状态之逐渐破坏，呈急剧减少趋势，当竖向应变不断增大，土体的应力逐渐趋于稳定，此时土体的应力为残余应力，此时土体的强度由单残余应力提供强度，
5、结论
5.1经过深入的分析之后，可以看出土的初始结构对力学性质的重要作用，并且可以通过以上图表信息发现一些规律来描述相关土体的压缩性。例如干密度就可以作为一个衡量土体压缩量大小的基本标准，干密度很大的时候，土体压缩量变小。水泥和石灰可有效的减小土体的压缩量，增强土体的强度。从大量的改良土试验得出结论，可从石灰掺比和水泥掺比中确定最优掺比，在不同含水量和不同干密度下，当石灰的掺比为8%时，土体的压缩量最小，土体此时抗压性能达到最优。当水泥的掺比为12%，土体的压缩量最小，土体的强度达到最大。将水泥与石灰的改良效果进行对比，水泥的改良效果明显优于石灰改良效果，水泥的整体压缩量普遍小于石灰的压缩量。
5.2在同一个干密度的情况下，随着初始含水量的增加，膨胀率反而降低。经过化学加固能有效降低其膨胀率，水泥与石灰均能有效降低其膨胀率，随着水泥与石灰的掺比增大，水泥和石灰与土体的中水发生反应，对土体的变形程度起到了较大的约束作用，由于水泥（石灰）和土体的界面产生了切应力作用，从而限制了土体的进一步膨胀趋势，即土体中水泥和土体界面的摩擦力抵消了一部分土体的产生膨胀内力，从而使土体不会完全通过膨胀率的增大来释放土体中的膨胀内力，降低了土体的膨胀特性。随着掺比的增大，对土体的膨胀率抑制效果更为明显。
5.3通过不同含水量和相同干密度测得土体的无侧限抗压强度，随着含水量的增大，其土体的峰值点逐渐下移。通过水泥和石灰的掺加，改良土体的无侧限抗压强度均大于素土，加入一定量的改良材料，其强度会提高，说明水泥和石灰可以有效改善土体的物理性质，随着掺比的逐渐增大，土体的强度逐渐增强，曲线峰值点逐渐上升。水泥的强度改良效果优于石灰的改良效果。
总之，通过进行的这三种试验，可得出结论，石灰掺比为8%时，其侧限压缩变形量最小，无侧限抗压强度较大，能有效降低其膨胀率；水泥掺比为12%时，其侧限压缩变形量最小，无侧限抗压强度较大，有效的抑制土体的膨胀率。水泥相比于石灰，水泥改良效果更优。在研究改良土的方面还需要很长的路要走，希望可以彻底解决膨胀土对工程带来的影响。
参考文献：
［1］膨胀土工程特性与处治技术研究[D]. 陈善雄.华中科技大学 2006
［2］膨胀土改良的室内试验研究及地基胀缩变形分析[D]. 李进.河海大学 2006
论文作者:官少军
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷18期
论文发表时间:2019/12/19
标签：水泥论文; 石灰论文; 强度论文; 含水量论文; 应力论文; 抗压强度论文; 膨胀率论文; 《建筑实践》2019年第38卷18期论文;