DOI：10．3876/j．issn．1000-1980．2015．02．010
干湿循环机制下风化砂改良膨胀土的收缩特性
杨
1，2俊，童
1，223
磊，张国栋，唐云伟
（1．三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002；2．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002；3．宜昌市交通运输局，湖北宜昌443000）
摘要：为研究风化砂改良膨胀土的收缩指标在干湿循环作用下的变化规律，采用收缩仪对经历不收缩系数、缩限同干湿循环次数的掺砂改良膨胀土试样进行收缩试验，探究试样的线缩率、体缩率、
及胀缩总率在干湿循环作用下的变化特征及机理，建立不同干湿循环次数下掺砂改良膨胀土的缩限计算公式。试验结果表明：线缩率及体缩率随干湿循环次数的增加而逐渐减小，经过4次干湿循环作用后二者基本趋于稳定，且风化砂掺量由0增至20%时，线缩率及体缩率的降低幅度最大；随着干湿循环次数的增加，收缩指数呈指数函数降低，在4～5次干湿循环后，收缩系数基本趋于稳定，缩限随干湿循环次数的增加呈二次函数形式增加，且随着风化砂掺量的增加，干湿循环作用下缩限的增加幅度逐渐减小；胀缩总率随着干湿循环次数的增加先逐渐降低后趋于稳定，在干湿循环作用下通过掺入风化砂，可以有效降低土体的胀缩总率，并使之达到路基填土的标准。关键词：干湿循环；膨胀土；风化砂；收缩指标；胀缩总率
1980（2015）02-0150-06中图分类号：TU443文献标志码：A文章编号：1000-
Shrinkagecharacteristicsofexpansivesoilimprovedwith
weatheredsandthroughwet-drycycles
22
YANGJun1，，TONGLei1，，ZHANGGuodong2，TANGYunwei3，
（1．CollaborativeInnovationCenterofGeologicalHazardsandEcologicalEnvironmentinThreeGorgesAreainHubeiProvince，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China；2．CivilandArchitecturalInstitute，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China；
3．YichangTransportBureau，Yichang443000，China）
Abstract：Usingthecontractometer，shrinkageexperimentswereperformedonexpansivesoilimprovedwithweatheredsandthroughwet-drycyclestostudythevariationlawoftheshrinkageindexesoftheimprovedexpansive
soil．Basedoninvestigationofthechangingcharacteristicsandmechanismofthelinearshrinkagerate，volumetricshrinkagerate，shrinkagecoefficient，shrinkagelimit，andexpansion-shrinkageratioofexperimentalspecimens
throughwet-drycycles，aformulaforcalculationoftheshrinkagelimitoftheimprovedexpansivesoilwithdifferent
numbersofwet-drycycleswasestablished．Someconclusionsaredrawnfromthetestresults：thelinearshrinkage
rateandvolumetricshrinkagerategraduallydecreasedwiththeincreaseofthenumberofwet-drycycles，and
tendedtobestableafterfourwet-drycycles，withmaximalreductionsoccurringwhenthemixedamountof
weatheredsandincreasedfrom0to20%；theshrinkagecoefficientdecreasedexponentiallywiththeincreaseofthenumberofwet-drycycles，andtendedtobeconstantafterfourorfivewet-drycycles；theshrinkagelimitincreased
byaquadraticfunctionwiththenumbersofwet-drycycles，andtheincrementoftheshrinkagelimitgradually
decreasedwiththeincreaseofthemixedamountofweatheredsandthroughwet-drycycles；theexpansion-shrinkage
04-15收稿日期：2014-基金项目：湖北省教育厅自然科学研究重点项目（D20131304）；三峡大学硕士学位论文培优基金（2014PY017）；三峡大学土木与建筑学院硕士论文培优基金（PY201406）
作者简介：杨俊（1976—），男，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事公路特殊土路基处理、路面新材料开发与利用、建筑垃圾及工业垃圾的mail：wangjing750301@163．com路用性能研究。E-
第2期杨俊，等干湿循环机制下风化砂改良膨胀土的收缩特性151
ratiograduallydecreasedandtendedtobestablewiththeincreaseofthenumberofwet-daycycles，andthevalue
oftheexpansivesoildecreasedsignificantlybymixingwithweatheredsand，whichallowedtheexpansivesoiltomeetthestandardofembankmentfilling．
Keywords：wet-drycycle；expansivesoil；weatheredsand；shrinkageindex；expansion-shrinkageratio
膨胀土作为一种典型的高塑性黏土，具有浸水强度降低、失水裂隙发育以及反复胀缩变形等不良工程特［1］
性。由于膨胀土含有大量亲水性黏土矿物，因此其工程性质对环境的干湿变化尤为敏感：当其失水干燥时，体积急剧收缩，极易造成路基的不均匀沉陷及路面板断裂，同时产生的干缩裂缝会导致路基抗渗性降低；当其吸水体积膨胀时，会造成路面波浪变形、溅浆冒泥等。膨胀土的收缩指标包括：线缩率、体缩率、收缩系数、缩限及胀缩总率，是进行膨胀土路基设计的重要参数。目前，国内外很多专家学者对膨胀土在干湿循环作用下的收缩指标变化规律进行了大量研究。例如赵
［2］
艳林等对干湿循环后的南宁膨胀土进行的一系列胀缩试验表明，随着干湿循环次数的增加，膨胀土的线缩率、体缩率及收缩系数均呈指数函数形式逐渐减小，且在前3次干湿循环过程中，三者的降低幅度最大。
通过对河南新乡膨胀土在干湿循环过程中的体积变形特性研究得出：试样径向收缩随着干湿循环
［3］
次数的增加而逐渐增大，且在干湿循环过程中，试样的径向变化幅度大于轴向变化幅度。吴华等采用常陈亮等
对南水北调过程中的重塑膨胀土进行了收缩试验，发现在干湿循环作用下，重塑土的线缩率及体规收缩仪，
缩率逐渐减小、缩限逐渐增大，且都具有不可逆性，当干湿循环进行至5次后，各项指标均趋于稳定。上述研究多数都是研究原状土或重塑土，对干湿循环作用下的改良膨胀土收缩指标变化规律研究得较少，而
［4］
JTGD30—2004《公路路基设计规范》因此大中明确规定：不允许将未经改良的膨胀土直接用作路基填料，多数研究对实际工程的指导意义不强，同时多数研究只是局限在一个或几个收缩指标的研究上，并未对所有
［5］
收缩指标进行全面的研究。
笔者结合湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程中用到的风化砂改良膨胀土这一新的改良方法，通过干湿循环作用后一系列的收缩指标试验，研究干湿循环作用下风化砂改良膨胀土的收缩指标变化规律，以期为该工程的后续监测提供理论依据，同时也为这种新改良方法的推广奠定基础。
［1］
1试验材料
试验用土为湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路某施工段工地的灰白膨胀土，粒度组成（质量分数）如下：黏粒组（＜0.005mm）含量为17.14%；粉粒组（0.005～0.075mm）含量为56.28%；砂粒组（0.075～2.000mm）含量为26.58%［6］；液限为70.53%，塑限为24.09%，塑性指数为46.44，缩限为7.21%，自由膨胀率为43%，相对密度为2.66。
3
试验所用风化砂为土黄色细砂，取样深度为0.5～2.0m，天然含水率为13.64%，天然密度为1.65g/cm，相对密度为2.46，活性指数为0.31，不均匀系数为2.84，曲率系数为0.86，级配曲线如图1所示。
2试验方案
10%、20%、30%、40%、50%设风化砂掺量α按0、［6］计，不同风化砂掺量下的试样均是在各自的最佳含水率及最大干密度下采用静压法压制成型，收缩试验采用SS-15型土壤收缩仪进行。2.1
干湿循环过程
图1
Fig．1
风化砂级配曲线
试样在烘箱中干燥，直至完全烘干，烘干时的温度控制为45℃；试样的增湿过程在室温下进行，将成型后的试样固定在定制的多孔板中，采用直接浸水法使试样吸水饱和，此为1次干湿循环。2.2
收缩试验
Particle-gradingcurveofweatheredsand
将干湿循环后的试样在收缩仪上安装好并记录下百分表的初始读数，试验初期，间隔1h测记百分表读
152河海大学学报（自然科学版）第43卷
数，同时称量收缩仪及试样的整体质量。48h后，间隔6h记录一次百分表读数和整体的质量，待2次百分表读数不变时即完成试样的收缩，取出试样，在烘箱中烘干并称量干土质量。结合大量已有的试验研究成果及试验中干湿循环后试样收缩指标的实际变化规律，本文将干湿循环次数拟定为5次。
3
3.1
试验结果分析
干湿循环作用对线缩率及体缩率的影响试样失水收缩到达缩限时，高度方向的收缩量与试样原高度之比为线缩率，体积收缩量与试样原体积之体缩率esi分别为定义第i次干湿循环后试样的线缩率esLi、
esLi=
H0－Hi
×100%H0
esi=
V0－Vi
×100%V0
（1）
比为体缩率。线缩率及体缩率均是衡量试样收缩变形程度的重要指标。
——第i次干湿循环后，——试样的初始高度，mm；Vi———第i次干mm；H0—式中：Hi—试样到达缩限时的高度，——试样的初始体积，cm3。cm3；V0—湿循环下收缩试验结束后，试样烘干时的体积，
体缩率和收缩系数见表1。不同干湿循环次数后，试样的线缩率、
表1
Table1
干湿循环作用后改良膨胀土的线缩率、体缩率和收缩系数improvedexpansivesoilafterwet-drycycles
干湿循环次数
012345干湿循环次数
012345干湿循环次数
012345
线缩率/%
α=01.561.340.980.730.600.53α=03.132.041.761.541.221.12α=00.510.400.330.270.230.21
α=10%1.020.820.580.500.430.38α=10%2.831.981.631.361.101.02α=10%0.490.360.280.210.180.16
α=20%0.680.590.450.320.280.25
体缩率/%
α=20%2.531.851.331.100.950.87
收缩系数
α=20%0.470.320.270.220.160.15
α=30%0.390.280.210.190.160.14
α=40%0.300.210.160.140.120.12
α=50%0.270.200.160.130.110.10
α=30%2.381.821.200.950.850.81
α=40%2.211.701.180.830.750.72
α=50%1.911.521.120.820.640.63
α=30%0.550.480.340.280.240.22
α=40%0.480.410.320.220.180.17
α=50%0.410.300.180.150.110.11
Linearshrinkagerate，volumetricshrinkagerate，andshrinkagecoefficientof
都随干湿循环次数的增由表1可知：（a）试样的线缩率和体缩率随干湿循环次数的变化规律基本相同，
加而逐渐减小，最后趋于稳定。（b）在相同的风化砂掺量下，干湿循环0～2次过程中试样的线缩率及体缩
［7］
水胶黏接力减弱，试样率降低速度最快。主要是因为在干湿循环作用下，试样中的黏土矿物逐渐“失活”，
在收缩过程中，颗粒间由于缺少有效黏结而导致裂隙逐渐发育，土颗粒间的间距逐渐增大，当试样的含水率
到达缩限时，由于土体中孔隙的增多，试样在轴向及径向上的收缩量逐渐减小，而在试验操作过程中亦发现在前2次干湿循环过程中，试样的裂隙发育速度比后几次干湿循环时快。在干湿循环0～2次过程中，原状土的线缩率及体缩率降低量最大，线缩率降低量达0.58%，占到了线缩率总降低幅度的56%，体缩率降低量达1.37%，占到了体缩率总降低幅度的68%。（c）当干湿循环次数继续增加时，试样的线缩率及体缩率降低
第2期杨俊，等干湿循环机制下风化砂改良膨胀土的收缩特性153
速度逐渐减小，干湿循环4次后，线缩率及体缩率基本保持不变。这是因为干湿循环2次后，试样裂隙的发
育速度逐渐放缓，孔隙率的增加速度逐渐放慢，当干湿循环4次后裂隙数目基本趋于稳定，因此试样的线缩率及体缩率降低幅度逐渐减小并趋于稳定。（d）在同一干湿循环次数下，试样的线缩率及体缩率随着风化砂掺量的增加而逐渐减小，当风化砂掺量由0增至20%时，二者的降低幅度最大，此时各干湿循环次数下的线缩率降低幅度达65%以上，体缩率降低幅度达35%以上。这主要是因为风化砂掺入后降低了试样黏土矿
［8］
物的含量，使试样的收缩性能减弱。3.2
干湿循环作用对收缩系数的影响
收缩系数是指试样在收缩前期，含水率每减少1%时的垂直收缩率，是表征土体收缩变形能力的重要指
标之一。不同干湿循环次数后，风化砂改良膨胀土的收缩系数见表1。在相同的风化砂掺量下，试样的收缩系数随着干湿循环次数的增加而逐渐减小，干湿循环4次后收缩系数趋于稳定。
第1次干湿循环后，试样的收缩系数降低量最大，例如α=20%时，收缩系数降低了0.15，占总降低幅度
，的47%。这是因为在干湿循环1次后土体中黏土矿物大量“失活”因而土颗粒间的联给减弱，并在分子力作用力下形成较大的土团粒，导致颗粒排列的定向性降低，同时在干湿循环作用下由于裂隙的开展，孔隙率
［9］
增加，造成土颗粒间的胶结联给比例降低，因此试样的收缩变形能力急剧下降，收缩系数大幅度减小。当干湿循环次数继续增加时，试样收缩系数的降低速度逐渐减小，且在4～5次干湿循环后收缩系数基本趋于稳定。这说明干湿循环的继续进行，对土颗粒的定向排列及胶结联给的影响程度逐渐降低，当干湿循环进行到一定次数后，土颗粒的定向性及胶结联给所占的比例重新达到一种新的“低水平”平衡状态，因此试样的收缩系数逐渐趋于稳定。
在相同的干湿循环次数下，随着风化砂掺量的提高，收缩系数逐渐降低。这是因为风化砂掺入后，降低了试样的黏土颗粒含量，导致膨胀物质减少，另一方面由于风化砂颗粒的阻隔，使土颗粒间的胶结联给比例减少，黏结作用减弱，因此收缩系数逐渐降低。当干湿循环次数较大时（4～5次），可以发现风化砂掺入后试样的收缩系数降低幅度并不明显，例如当风化砂掺量由0增至50%时，在干湿循环4次时收缩系数降低了0.12，在干湿循环5次时收缩系数仅降低了0.11。干湿循环次数较大时，试样收缩系数的降低主要是由于土颗粒的定向排列变差引起的，掺风化砂所造成的黏土含量降低及胶结比例减小对收缩系数降低的贡献率较小
［10］
。
对表1中的数据进行回归分析，试样的收缩系数CsL与干湿循环次数i可以用发现在各风化砂掺量下，指数函数进行较好的拟合：
CsL=Ae－Bi
B———拟合系数，式中：A、取值见表2。
3.3干湿循环作用对缩限的影响
缩限是指在失水收缩过程中，试样体积停止收缩时所对应的含水率。不同干湿循环次数下掺砂改良膨胀土的缩限见表3。
表2
不同风化砂掺量下CsL与i关系式的
拟合系数及相关系数
Table2
Fittingparametersandcorrelation
干湿循环次数
012345
（2）
表3Table3
干湿循环作用后改良膨胀土的缩限Shrinkagelimitofimprovedexpansivesoil
afterwet-drycycles
缩限
α=10%7.548.058.498.618.668.70
α=20%7.918.288.698.788.888.91
α=30%8.468.708.908.928.958.96
α=40%8.939.209.309.319.329.33
%
α=50%9.389.579.589.609.689.68
coefficientsforformulaofCsLandiunderdifferentmixedamountsofweatheredsand
α/%01020304050
拟合系数A0.490.460.430.350.260.25
B0.180.250.250.200.180.20
Ｒ20.980.970.970.960.900.97
α=07.217.998.388.528.628.64
154河海大学学报（自然科学版）第43卷
前2次干湿循环作用后，试样的缩限提高幅度相对较大，各风化砂掺量下的缩限提高幅度均超过了65%，其中原状土缩限的提高幅度最大（为1.17%），达缩限总提高幅度的82%。随着干湿循环次数的继续增加，缩限提高幅度逐渐变慢，当干湿循环到一定次数时（4～5次），试样的缩限逐渐趋于稳定，产生上述现象的原因是：在干湿循环作用下，由于裂隙的开展，导致试样的孔隙率逐渐增加，在试样的收缩过程中黏土颗
［11］粒由于失水体积逐渐减小，增加的孔隙率抵消了很大一部分体积减小量，因此试样在较高含水率下即停止了体积收缩，故缩限逐渐提高。同时试验过程中发现在前2次干湿循环过程中，试样的裂隙发育速度比后
几次干湿循环时快，因此前2次干湿循环作用后试样缩限的提高速度较快，当干湿循环次数较大时，试样的
［12-14］
。微观结构及物理力学性质已较为稳定，因此缩限的变化幅度较小试样缩限的提高幅度随着干湿循环5次后，表4不同风化砂掺量下ωs与i关系式的
风化砂掺量的增加而逐渐减小。例如原状土的缩拟合系数及相关系数限提高1.43%，风化砂掺量30%时缩限提高Table4Fittingparametersandcorrelationcoefficientfor0.5%，而当风化砂掺量达50%时，缩限仅提高formulaofωsandiunderdifferentmixedamountsof0.3%。这主要是因为随着风化砂掺量的增加，干weatheredsand湿循环后试样的裂隙数量及孔隙率明显减少，试拟合系数
α/%Ｒ2
ABC样在干湿循环作用下性质相对稳定，因此缩限的
［15］00.090.717.280.98
提高幅度逐渐减小。
100.070.577.560.99
对表3中的数据进行数据拟合后发现在各风200.050.467.910.96化砂掺量下试样的缩限ωs与干湿循环次数i间符300.030.248.470.97
400.030.218.930.98合较好的二次函数关系：
2500.010.139.380.96
（3）ωs=Ai+Bi+C
B、C———拟合系数，式中：A、取值见表4。
B、C与α进行拟合，分别将A、得
Ｒ2=0.98（4）A=0.14α2－0.23α+0.09
22
Ｒ=0.98（5）B=1.11α－1.75α+0.72
2
（6）C=4.33α+7.17Ｒ=0.99
将式（4）、式（5）、式（6）代入式（3）中得
222
（7）ωs=（0.14α－0.23α+0.09）i+（1.11α－1.75α+0.72）i+4.33α+7.17
3.4干湿循环作用对胀缩总率的影响
胀缩总率为试样的线缩率与50kPa下的有荷膨胀率之和，是反映土体胀缩程度的重要指标。不同干湿循环次数下掺砂改良膨胀土的胀缩总率见表5。在干湿循环作用下，试样胀缩总率的变表5干湿循环作用后改良膨胀土的胀缩总率化规律与线缩率、体缩率的变化规律大致相Table5Expansion-shrinkageratioof同，都随干湿循环次数增加而逐渐降低。第improvedexpansivesoilafterwe-drycycles%1次干湿循环后，试样的胀缩总率降低量最胀缩总率
干湿循环
α=α=α=α=α=大，且随着风化砂掺量的增加，这一降低量先次数α=0
10%20%30%40%50%
增加、后减小。风化砂掺量为10%时胀缩总
03.393.272.011.270.880.94
风化砂掺量为率降低量最大（达到1.72%），12.261.550.980.760.700.56
40%时胀缩总率降低量最小（仅为0.18%）。21.601.140.700.520.490.35
31.150.910.470.430.350.25干湿循环1次后，胀缩总率的降低速度逐渐
40.680.600.380.300.220.15
变慢，当干湿循环到一定次数时（4～5次），50.650.480.300.240.170.10胀缩总率趋于稳定。
在相同的干湿循环次数下，试样的胀缩总率随着风化砂掺量的增加而逐渐减小，且随着风化砂掺量的增加，胀缩总率降低速度逐渐变慢。
4结论
a．干湿循环作用下，掺砂改良膨胀土的线缩率及体缩率变化规律基本相同，均随着干湿循环次数的增
且在前0～2次干湿循环过程中二者降低速度最快，干湿循环4次后二者基本趋于稳定。在加而逐渐降低，
第2期杨俊，等干湿循环机制下风化砂改良膨胀土的收缩特性155
一定的干湿循环次数下，风化砂掺量由0增至20%时，线缩率及体缩率的降低幅度最大。
b．随着干湿循环次数的增加，掺砂改良膨胀土的收缩系数呈指数函数形式降低，在第1次干湿循环后降低的幅度最大，在4～5次干湿循环后收缩系数基本趋于稳定。当干湿循环次数较大时，随着风化砂掺量的增加，试样的收缩系数降低幅度不明显。
c．掺砂改良膨胀土的缩限随着干湿循环次数的增加而呈二次函数形式增大，且在前2次干湿循环作用后，缩限的增长幅度最大；干湿循环5次后，试样缩限的提高幅度随着风化砂掺量的增加而逐渐减小。
d．掺砂改良膨胀土的胀缩总率随着干湿循环次数的增加先逐渐降低后趋于稳定，在干湿循环作用下，通过掺入风化砂，可以有效降低土体的胀缩总率，并使之达到路基填土的标准。参考文献：
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