王艳芳，刘传新，梁 波，徐永福，孙大伟
(1.金陵科技学院，江苏 南京 210069；
2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211100；
3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；
4.山东福世蓝生态科技有限公司，山东 淄博255000)
膨胀土富含亲水矿物如蒙脱石、伊利石等，是一种高液限高塑性黏土[1]。在干湿循环条件下，膨胀土易产生反复胀缩、裂隙发育、强度折减，导致地基开裂变形、路基失稳、边坡滑塌等，给工程建设带来诸多不利影响。因此，如何改良膨胀土一直是国内外学者的研究热点，特别是干湿循环条件下膨胀土工程性质的长效改良，对膨胀土病害防治有重要意义。
已有研究表明，膨胀土中掺入石灰或水泥能改善其工程特性[2-5]，但这类土壤固化剂存在养护期长、保水性差、耐久性差的问题。此外，石灰或水泥的生产过程属于能源密集型，如生产 1 t 水泥大约需要排放 1 t CO2，与碳减的战略目标相矛盾。为此，研究者致力于开发更环保、更低碳、更有效的土壤稳定剂。Zhang等[6]将木质素用在公路路基施工中，认为木质素与水泥基稳定剂相比更环保、节能、低成本；
Taha 等[7]研究了纳米碳对膨胀土胀缩行为的影响，发现纳米碳的掺入能增加土体压实密度并延缓了水分的流失，具有更长效的保水性；
Sakr 等[8]研究认为氯化铁溶液能降低土壤液限、提高塑限，从而提高土体的抗剪强度。此外，韩琳琳等[9-11]对离子型土壤固化剂在膨胀土中的应用展开了系列研究。
采用化学稳定剂固化黏土时，往往对土壤的湿度有控制要求，即达到最优含水率时稳定效果最佳。但实际施工时，为求简便通常直接洒水达到所需的含水率，这使得土料中的含水率并未真正达到最优含水率。为减弱该施工环节对土体固化效果的不良影响，将纤维加筋技术与化学改良剂进行复合以对膨胀土进行改良。一方面，利用纤维等柔性加筋材料与土颗粒之间的咬合力来约束土体的变形，增强膨胀土抗裂性能和抗拉性能；
另一方面，利用化学改良剂改善膨胀土颗粒结构特征，提高土体压实度、水稳性等，沿着这一思路可延伸出许多膨胀土改良方法。郝建斌等[12-16]选择粉煤灰与剑麻纤维复合，或将磷尾矿、EPS、玄武岩纤维等多种材料复合来改良膨胀土，均取得了有参考价值的应用成果。
本文将聚丙烯纤维与浓缩型土壤稳定剂复合来改良南京地区弱膨胀土，借助土工试验、电镜微观扫描设备及计算机数字图像处理技术等[17]，分析干湿循环条件下改良膨胀土的物理力学性质演化规律，并依据试验结果给出聚丙烯纤维的最佳掺量及土壤稳定剂的最优稀释比，以期为膨胀土工程性质改良提供新途径。
1.1 试验材料
试验用素（膨胀）土取自高淳县东坝镇东约500 m 的胥河大桥附近的古滑坡段，取样深度为自坡顶以下2～4 m，刚取出的膨胀土呈土黄色，天然状态下处于硬塑状态。表1 为膨胀土物理力学参数，由于土体自由膨胀率为60.0%，蒙脱石含量不大，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112—2013），所取土料具有弱-中膨胀性。
表1 试验场地膨胀土基本性质指标Tab.1 Basic test index value of the foundation soil of the test site
土壤稳定剂为美国MICAVA（美嘉华）国际公司提供的浓缩型MB-148 CA 型土壤稳定剂，无毒无污染，主要成分为阳离子活性有机硫代化合物。该成分能在黏土颗粒表面形成油性保护层，抑制土体内部的离子运动和离子互换，从而削弱黏土颗粒的吸水特性。
聚丙烯纤维为束状单丝纤维，其物理力学指标如表2 所示。低温50 ℃烘干聚丙烯纤维，先用鼓风机强力吹散束状纤维，再将束状纤维捻成单丝状，均匀撒入干燥土体中。纤维拌入方法为一层干土均匀撒一层纤维，直至将纤维完全分散地掺入土体中。最后加水拌合均匀，静置土样24 h 备用。拌入聚丙烯纤维的土样视为具有各向同性。
表2 聚丙烯纤维的物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of polypropylene fibers
1.2 试验方法
试验分两步进行：第一步，分别在素膨胀土中掺入土壤稳定剂和聚丙烯纤维，找出单掺土壤稳定剂或聚丙烯纤维的最佳掺量；
第二步，考虑干湿循环效应，将土壤稳定剂和聚丙烯纤维复合掺入膨胀土中，研究干湿循环条件下土体力学强度衰减和裂隙发育规律，讨论土壤稳定剂-聚丙烯纤维复合改良膨胀土的可行性。
1.2.1 单掺试验 为确定土壤稳定剂的最佳掺量，将土壤稳定剂与去离子水按1∶150、1∶200、1∶250、1∶300、1∶400（体积比）配备成稀释溶液，然后用稀释溶液以最优含水率拌和膨胀土，拌匀后密封静置24 h，再进行自由膨胀率及水稳试验。
为确定聚丙烯纤维改良膨胀土的最佳掺量，以膨胀土最优含水率配制土样，在膨胀土中拌入不同掺量的聚丙烯纤维（纤维长度为9 mm），设置纤维掺量（质量比）为0、0.05%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、1.00%、1.50%，进行无侧限抗压强度试验，并依据最大无侧限抗压强度qu值来确定最佳纤维掺量。
1.2.2 复合改良试验 （1）干湿循环试验。以单掺试验结果为基础，将土壤稳定剂和聚丙烯纤维以最佳掺量一起均匀拌入土样，进行干湿循环试验。根据已有文献[18]，一般在4～6 次干湿循环后膨胀土力学强度大大减弱并趋于稳定，故本试验干湿循环的次数定为5 次。干湿循环幅度如图1 所示，“干”步骤时，将土样置于烘箱中低温烘干，温度设为40 ℃，控制干燥试样含水率为4%；
“湿”步骤时，利用真空泵抽气4 h，再将土样置入饱和缸中饱水24 h 以上，控制饱和含水率为31%。采用称重法监测土样含水率变化，初期称重频率为每2 h 1 次，接近控制含水率时，称重频率为每0.1 h 1 次。
图1 干湿循环流程示意Fig.1 Schematic diagram of wet-dry cycle process
（2）无侧限抗压强度试验。土样尺寸为φ39.1 mm×80 mm。每次“湿”步骤结束，取出土样进行干湿循环条件下的无侧限抗压强度试验，从宏观角度讨论膨胀土改良前后力学强度的衰减规律。
（3）表面裂隙提取试验。土样尺寸为φ110 mm×63.1 mm。试验制样、饱和及图片采集装置如图2 所示。每次“干”步骤结束后取出试样，采用高清数码相机完成试样表面裂隙情况的采集，从细观角度观察膨胀土表面裂隙的发育规律。
图2 试验装置Fig.2 Test apparatus
（4）微观孔隙扫描试验。土样尺寸为φ63.1 mm×20 mm。在每次“湿”步骤结束后取出1 个试样，切取试样中间部分，切出2 cm×1 cm×1 cm（长×宽×高）的长条形土条，在自然状态下风干，切勿扰动、磨损。利用电子显微镜（FEI-Quanta250）对土样表面微观孔隙进行扫描，得到 ESEM 图像。
2.1 土壤稳定剂改良效果
图3 为土壤稳定剂改良土的自由膨胀率柱状图。由图3 可见：土壤稳定剂能降低膨胀土的自由膨胀率；
随着溶液稀释比的减小，土体自由膨胀率减小的幅度略微减缓；
土壤稳定剂体积稀释比在1∶150～1∶250 时自由膨胀率相接近。
图3 试样自由膨胀率柱状图Fig.3 Histogram of free expansion rate
如图4（a）所示，制备尺寸为φ39.1 mm×80 mm的素土、土壤稳定剂改良土样6 个，完全浸泡在水中7 d，观察浸水期间土样的稳定状态。图4（b）为浸水7 d 后各土样的形态。浸水7 d 后，素膨胀土样及低浓度稳定剂改良的膨胀土均出现不同程度的破坏，而当溶液稀释体积比为1∶150 时，土壤稳定剂改良后的膨胀土水稳性最好，这说明一定浓度的土壤稳定剂拌入膨胀土能提高土体水稳性。究其原因为土壤稳定剂能减小膨胀土结合水膜的厚度，使得矿物颗粒间的距离减小，土颗粒间的黏结强度增强，这对提高膨胀土压实性能、减小膨胀土自由膨胀率、增强水稳性有很好的效果。综合分析自由膨胀率及水稳试验结果，将稀释体积比1∶150 视为最优稀释浓度来复合改良膨胀土。
图4 土壤稳定剂改良膨胀土的水稳性试验结果Fig.4 Experimental results of the water stability of swelling soils improved by soil stabilizers
2.2 纤维改良效果分析
由图5 可知，聚丙烯纤维改良土的无侧限抗压强度随纤维掺量的增加先增大后减小，在纤维掺量为0.20%时，达到最大值195.9 kPa，相较素膨胀土提高了28.7%。纤维对土体的加筋补强作用体现在土体内部形成了网状交织结构。当纤维掺量过低时，少量的纤维在土体内部无法形成有效的网状结构。纤维掺量过多时，纤维与土体充分拌和难度增大，同时缠绕的纤维团聚体会有“微弹簧”效应，影响土体被进一步挤压密实反而引起强度的降低。这说明膨胀土中纤维的掺量存在一个最佳值，本次试验获得的纤维最佳掺量为0.20%，与已有研究成果[19-20]基本一致。
图5 纤维改良膨胀土应力-应变关系曲线Fig.5 Stress-strain relationship curve of fiber modified expansive soil
3.1 无侧限抗压强度
将土壤稳定剂按体积比1∶150 进行稀释拌入膨胀土，同时拌入质量比为0.20%的聚丙烯纤维，手动拌匀纤维和土壤稳定剂溶液，静置24 h 备用。图6 为不同干湿循环次数下素土、聚丙烯纤维和土壤稳定剂复合改良土（简称复合土）的应力-应变关系曲线。由图6 可看出，素土、复合土的应力-应变关系曲线均呈应变软化的特征。无侧限抗压强度qu随干湿循环次数的增加而逐渐降低。素土的qu减小程度更明显，干湿循环5 次后，素土的qu下降了40.1%，复合土的qu则削弱了30.5%，这说明聚丙烯纤维和土壤稳定剂的掺入能减缓膨胀土qu的衰减。素土干湿循环试验前的强度为152.2 kPa，而复合土干湿循环5 次后的强度仍有198.9 kPa，这说明聚丙烯纤维和土壤稳定剂的掺入能有效提高膨胀土的力学强度，改良后的膨胀土具备了一定的抗干湿劣化能力。
图6 不同干湿循环次数下试样应力-应变关系曲线Fig.6 Stress-strain relationship curves of specimens under different wet-dry cycle conditions
3.2 土样表面裂隙分析
图7 为干湿循环条件下素土与复合土裂隙情况对比。利用Photoshop 与Image-J 软件对图7 中各裂隙照片进行背景处理、灰度处理、二值化处理和裂隙骨架化处理，得到各次干湿循环条件下裂隙二值化图片，如图8 所示。由图7 和8 可看出，随着干湿循环次数的增多，素膨胀土和复合土的裂隙数量及裂隙延伸性不断增长。复合土表面裂隙数量明显低于素土，尤其在干湿循环的前期（干湿循环的前3 次），两者的差异十分明显，这说明复合掺入土壤稳定剂及聚丙烯纤维对膨胀土的裂隙起到了很好的抑制作用。历经数次干湿循环后，素膨胀土外观变化显著，主要为裂隙突出、体缩效应加剧及完整度退化。具体特征为：未经历干湿时土体结构较为致密，外观完整度高；
1 次干湿循环后，从试样中心部位往外发育裂隙，局部延伸至试样边缘，整体裂隙率、隙长、隙宽加剧；
2～3 次干湿循环后，试样边缘体缩效应显露，前期裂隙四周进一步发育次级细裂隙，裂隙率持续增加，隙长、隙宽进一步增长，素膨胀土样表面有矿物泥化析出；
4 次干湿循环后，裂隙发展趋于稳定，试样表面的裂隙率、裂隙长、裂隙宽度均接近极限值。因此，可将膨胀土在干湿循环条件下裂隙发展规律分为3 个阶段，即起始阶段（干湿循环0～1 次）、发展阶段（干湿循环2～3 次）、稳定阶段（干湿循环4 次之后）。复合土表面裂隙发育过程亦可分为这样的3 个阶段，不过其裂隙的数量及贯通性要低很多，且最终复合土基本没有矿物泥化析出的现象。这说明土壤稳定剂及聚丙烯纤维的掺入，能起到稳定膨胀土中黏土矿物颗粒、削弱膨胀土干湿劣化效应的作用。
图7 不同干湿循环次数下土样裂隙演化规律（裂隙数码照片）Fig.7 Development law of sample cracks under different wet-dry cycle conditions (digital photos of fissures)
图8 不同干湿循环次数下土样裂隙演化规律（二值处理图片）Fig.8 Development law of sample cracks under different wet-dry cycle conditions (two-value processing images)
提取图8 中各图片的裂隙宽度及长度值，定义平均裂隙率为裂隙投影面积与土样初始总面积之比（不考虑土样体缩），平均隙宽为裂隙总面积与裂隙总长度之比。求解出表面裂隙的平均裂隙率和平均裂隙宽，并绘制其随干湿循环次数变化的关系曲线如图9 所示。由图9 可以看出：随着干湿循环次数的增多，膨胀土裂隙的发展是一个渐进的过程，前期裂隙发育速度较快，随后发育速度趋缓，逐渐趋于稳定。前3 次干湿循环后，裂隙宽度、长度均迅速增加。素膨胀土的平均裂隙率增至5.5%（复合土为3.1%），均占整体增幅的95%及以上；
素膨胀土平均裂隙宽度接近3.5 mm（复合土约为1.7 mm）。这说明土壤稳定剂及聚丙烯纤维对膨胀土的裂隙数量及裂隙张开度都有较好的抑制效果。后3 次干湿循环，两种土样的平均裂隙率及平均裂隙宽度增幅迅速减弱，裂隙数量及宽度变化并不大。值得注意的是，素膨胀土裂隙处因有泥化物析出，虽然平均裂隙率及平均隙宽变化不大，但其裂隙发育深度加深了。从力学角度分析，干湿循环条件下土样裂隙的发育是一种张拉破坏。主裂隙一旦形成，垂直于主裂隙方向变形的限制作用也被解除，相应的应变能得以释放，而平行于主裂隙发育方向的应变能继续积聚，张拉应力场强度持续增加，当超过土体的抗拉强度时，新的子级裂隙便会形成。在干湿循环的末期，土体内有更多细微的次生裂隙产生，使得土样平均隙宽增加不明显。其次，干湿循环末期土样有体积干缩效应，“挤压”已有裂隙，使其侧壁处的不稳定颗粒崩落填充已有裂隙，从而使得主裂隙宽度变化不大。当表面裂隙发育到一定程度，应力场会向纵向调整，引发土体内部纵向裂隙的进一步发育。
图9 平均裂隙率及平均隙宽随干湿循环次数的变化曲线Fig.9 The curves of average fracture rate and average fracture width with the number of wet-dry cycles
3.3 土样微观孔隙分析
图10 和11 分别为10 000 倍下素膨胀土和复合土的微观孔隙结构ESEM 图像。可见，干湿循环作用下素膨胀土颗粒间孔隙不断扩展，土体的孔隙率和孔径均逐渐变大；
复合土孔隙扩展则不是很明显。这说明土壤稳定剂及聚丙烯纤维的拌入能改善土体颗粒结构，起到很好的抑制土体微观孔隙发育的作用。由图10 可以看出，素膨胀土中有大量蒙脱土矿物呈片层结构，具有脆弱易破碎的性质，多次的干湿循环使泥化矿物析出，定向絮凝状结构随之突出，如图10 中虚线所示。而由图11 可看出，复合土因掺入土壤稳定剂加强了膨胀土片层结构的厚度，同时增强了层间的联结能力，使得土壤内部形成大量叠片状团聚体。叠片状团聚体具有一定的抵抗干湿循环作用的能力，干湿循环后土体结构仍以叠片状结构为主。虽然复合土内部有一些物质析出，留出一些孔洞和空隙，如图10、11 中环形实线圈所示，但这些微观孔洞和空隙的直径相较素膨胀土要小很多。
图10 素膨胀土孔隙结构随干湿循环次数的演化特征Fig.10 Evolutionary characteristics of the pore structure of vegetated expansive soils with the number of wet-dry cycles
图11 复合土孔隙结构随干湿循环次数的演化特征Fig.11 Evolutionary characteristics of the pore structure of composite soils with the number of wet-dry cycles
图12 为复合土中纤维分布形态ESEM 图像。由图12（a）、（b）发现膨胀土与纤维之间存有空隙，纤维出现弯曲，纤维表面有因拉扯而出现的划痕。图12（c）说明部分纤维被拔出。从图12（d）、（e）可以清楚地看到纤维出现断裂、破碎等现象，断裂面又有膨胀土矿物颗粒填充，这表明复合土中的纤维起到了加筋作用，承受了较大的抗拔力、抗拉力，说明纤维主要通过增强土体的抗拉或抗剪强度以抑制土体张拉裂隙的产生。图12（f）中纤维扭曲状态明显，圆状纤维被压瘪，表面有明显的凹痕，说明纤维受到过挤压作用。通过图12（g）、（h）对放大的纤维碎片进行观察，发现纤维碎片大小不同，碎片与土体粘结紧密。
图12 复合土中纤维的分布形态Fig.12 Distribution pattern of fibers in composite soils
本文对土壤稳定剂、聚丙烯纤维及二者复合改良膨胀土的效果进行了试验研究，多角度分析了土壤稳定剂与聚丙烯纤维复合改良南京地区膨胀土的可行性，得出以下主要结论：
（1）依据自由膨胀率及水稳试验得到土壤稳定剂改良南京膨胀土的最佳稀释浓度（体积比）为1∶150；
由无侧限抗压强度试验可知拌入聚丙烯纤维（9 mm）改良膨胀土时，其最佳掺量（质量比）是0.20%。
（2）土壤稳定剂-聚丙烯纤维复合改良膨胀土的无侧限抗压强度qu显著提高。在干湿循环条件下，qu不会急剧衰减，衰减程度相对减小，多次干湿循环后qu仍较高。
（3）经历干湿循环后，土样表面会出现裂隙突出、体缩效应及完整度退化等特征。干湿循环条件下，素土、复合土表面细观裂隙发育可分为3 个阶段，即起始阶段（干湿循环0～1 次）、发展阶段（干湿循环2～3 次）、稳定阶段（干湿循环4 次之后）。在发展阶段时，土样表面裂隙快速发展，增幅占总裂隙率的95%以上，而稳定阶段，两种土样的平均裂隙率及平均裂隙宽度增幅迅速减弱，裂隙数量及宽度变化均不大。
（4）干湿循环条件下素膨胀土孔隙逐渐变大，复合土孔隙扩展不明显。土壤稳定剂能改善土体颗粒结构特征，体现在干湿循环后素土为定向絮凝状结构，改良土则以叠片状结构为主。复合土中纤维的分布形态说明纤维主要以承受抗拔力及抗拉力的加筋作用为主，纤维主要通过增强土体的抗拉强度以抑制土体张拉裂隙的产生。
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