摘要
分散性黏土遇水易分散流失，极易对堤坝和水渠等水利工程造成不利影响。本试验以土堤分散性黏土为研究对象，对分散性黏土进行了改性，通过冻融试验、三轴剪切试验及蠕变试验分析了改性效果，揭示了改性对冻融变形特性和蠕变特性的影响规律，结果表明，分散性黏土经水泥、石灰、粉煤灰改性处理后，能够有效地抑制土体冻胀变形的产生，进而使土体冻胀性降低，其中掺2%石灰+4%粉煤灰处理方案的融沉量最小，且在三轴剪切和蠕变过程中与分散性土表现出相似的变形特性，二者具有较好的变形协调性。本文研究对于分散性黏土堤防建设具有重要意义。
Abstract
Dispersive soil tends to erode and disperse upon contact with water, posing significant risks to hydraulic structures such as embankments and canals. This study focuses on modifying dispersive soil from earth embankments. Through freeze-thaw cycling tests, triaxial shear tests, and creep tests, the effectiveness of the modification was evaluated. The research reveals how modification influences the deformation characteristics under freeze-thaw conditions and the creep behavior. Results indicate that treatment with cement, lime, and fly ash can effectively suppress frost deformation and reduce soil frost heave. Among the treatment schemes, the combination of 2% lime and 4% fly ash resulted in the smallest thaw settlement. Moreover, the modified soil exhibits deformation characteristics similar to those of untreated dispersive soil in triaxial shear and creep tests, with both demonstrating favorable deformation coordination. This study is of great significance for the construction of dispersed soil embankments.
0 引言
分散性黏土具有易被水冲蚀的特性，多数破坏的原因是受到水力冲刷产生的冲蚀破坏，这种土遇到盐浓度低的水，土体表面颗粒逐渐脱落，如果遇流动的水，冲蚀现象比细砂或粉土还严重（赵高文等，2013；王中妮等，2015；姬胜戈等，2021）。在有水流冲刷作用下，分散性黏土填筑的堤防由表及里、由上至下，由工程干缩、冻缩裂缝或施工接头等薄弱环节起始，沿着坡降汇集水流方向冲蚀发展至土体下部破坏出口处截止。为此，在工程设计时必须采取有效措施，来防治分散性黏土堤防工程破坏 （卢雪清等，2011）。
为防止分散性黏土在工程中产生危害，专家学者们对分散性黏土改良进行了相关研究。通过试验确定了氯化钙比氧化钙在改良分散性土体性能上效果更优，其可对季冻区土体的分散性进行改良 （苑晓青等，2023）。通过研究季冻区分散性土的冻融循环变形规律，发现分散性土冻胀量明显超过了非分散性土（王理想，2021）。在冻融循环过程中，冻胀作用及盐分迁移会导致土体的分散性上升（师智勇，2021）。石灰掺量及铝化合物掺量分别达到 1%～3%和（2～4）×10-4 mol/g时，均可有效提高分散性黏土的抗剪强度（刘杰等，2020）。
目前对分散性土堤防治理方案主要采用对其改性的办法，在堤防迎水坡、背水坡进行浅层处理，如果处理后分散性黏土蠕变变形、温度变形、冻胀、融沉变形与堤身未处理分散性土变形差异较大，则很有可能导致两种土体在接触界面处产生相对位移，从而导致接触面的脱空及处理层的失稳（杨玉婳等，2021；王宇等，2023）。因此，需要用适当的材料对分散性土进行改良处理。
本文通过冻融试验、三轴剪切试验及蠕变试验研究分析了分散性黏土及改性分散性黏土在不同应力条件下的冻融变形特性及蠕变性能，探索两种土的变形协调性，研究结果对于分散性黏土堤防建设具有重要意义。
1 工程概况
通过现场碎屑试验，该土堤典型的分散性土粒度成分如表1所示，基本物理、力学指标如表2所示。
表1分散性土的粒度成分
表2分散性土的基本物理、力学指标
2 改性分散性黏土试验方案
冻融试验选择了掺 2%石灰+4%粉煤灰的改性分散性黏土和掺 1%水泥+1%石灰+4%粉煤灰的改性分散性黏土两种改性处理方案进行冻融变形特性研究，并结合粉质黏土和未改性的分散性黏土进行冻胀性与融沉性对比分析。
蠕变试验目的是为通过研究分散性黏土、改性分散性黏土在不同应力、温度下的蠕变特性，通过试验得到两种土的应力-应变关系、应变随时间和温度的变化规律，进而确定土体的蠕变方程，为探讨经改性处理后的分散性黏土堤防在寒区服役过程中的变形协调稳定性奠定基础（张文康等，2023）。
试验采用恒应力三轴蠕变试验机，该试验机主要由轴压加载系统、围压系统、温度控制系统及数据采集系统组成，其中轴压与围压的施加分别由精度较高的伺服控制器进行控制，可采用应变控制或应力控制，轴向荷载最大可达 100 kN，围压最大可达 25 MPa，轴向位移总行程为 150 mm，控制精度 ±0.1℃，数据可由计算机进行实时采集。
（1）恒应变率三轴剪切试验
为了研究分散性土和改性分散性黏土的蠕变性能，首先需要进行土体三轴剪切试验确定蠕变试验的各级加载应力，通过三轴剪切试验能够得到土体的应力-应变关系及瞬时抗压强度，试验围压为 50 kPa，对试样进行不固结不排水剪切（UU 试验）。试验过程中采用恒应变率加载控制，应变率为 2.5× 10-2 mm/s，剪切至试样破坏或应变达到 20% 为止 （吴涵等，2020；何影等，2023；汪恩良等，2023）。
（2）恒应力三轴蠕变试验
由于土体蠕变受温度、应力、时间等因素的影响，本试验主要对分散性黏土和改性分散性黏土在不同应力条件下进行蠕变变形测试，所以试验考虑了 3种应力水平，分别为0.3τb、0.4τb、0.5τb（τb为试样的三轴瞬时抗压强度），温度为 20℃，围压为 50 kPa，采用了单个试样分别加载的方式对土体进行三轴应力条件下的蠕变变形测试。试验以恒定应力加载进行控制，当应变率 dε/dt≤0.0005 达到 24 h 以上或试样发生非衰减蠕变破坏，试验结束。分散性黏土和改性分散性黏土的蠕变试验设计如表3所示。
表3分散性土和改性分散性黏土的蠕变试验设计
（3）试验方法
①按照三轴压力室的规格，并参照《土工试验规程》（SL 237—1999）中对三轴试验试样尺寸的规定为试样高度与试样直径之比为 2.0～2.5，故本试验试样尺寸为直径 61.8 mm，高度为 150 mm 的圆柱形试样。
②试验土样先进行风干处理，而后将其碾压过 2 mm 筛，取代表性土样测定风干含水率，其余土样装袋备用。
③试样制备采用手动击实仪，分5层进行击实，即每层土料为 30 mm，在制做过程中按试验要求的密度进行控制，控制干密度为1.60 g/cm3。
④对于改性后的分散性黏土，试样成型后静置 24 h自然养护，而后进行三轴剪切与蠕变试验。
3 试验结果与分析
3.1 冻融试验
试验土样均按照室内击实试验中得到的最大干密度的93%和最优含水率配制成型，图1a、b为不同种类土的冻融变形曲线。冻胀率与融沉系数计算结果如表4所示。
从图1a中可以看出，粉质黏土与分散性土的冻胀量相差不大，表明分散性黏土与一般的黏性土具有相似的冻胀性，而两种改性处理后的分散性黏土与未改性分散性黏土相比所产生的冻胀量较小，其中掺 2% 石灰+4% 粉煤灰处理方案冻胀量最小，原因为该改性方案土体初始含水率相对较低。结果表明，分散性黏土经改性处理后，土体内部结构发生变化，水泥、石灰、粉煤灰颗粒较细充填于土体孔隙中，提高土体密实度，能够有效抑制土体冻胀变形的产生，进而使土体冻胀性降低（李卓等，2013； 毕贵权等，2018；刘婷婷和吕岩，2022；王泽成等， 2023）。
从图1b中可以看出，不同种土的融沉变形也存在差异，土体冻结时产生的冻胀量越小，融化后的融沉变形量越小，其中掺 2% 石灰+4% 粉煤灰处理方案的融沉量也是最小的，并且各类土体融沉变形均小于冻胀变形，即存在不同程度的残余变形。
图1不同种类土的冻融变形曲线
a—冻胀变形；b—融沉变形
表4不同种土的冻胀率与融沉系数比较
改性分散性黏土在经历三轴剪切后的破坏形态如图2所示。从图2a中可以看出，在三轴剪切条件下，掺 2% 石灰+4% 粉煤灰的改性分散性黏土上部沿径向变形较大，体积发生明显的膨胀，下部沿径向变形相对较小，没有出现剪切破坏面，为弹塑性破坏，这与分散性土的剪切变形破坏具有相似性；从图2b中可以看出，掺1%水泥+1%石灰+4%粉煤灰的改性分散性黏土出现明显的剪切面，土体沿剪切面破坏，说明水泥的掺入对改性分散性黏土破坏形态的变化具有较大影响。
图2改性分散性黏土的三轴剪切破坏形态
a—掺2%石灰+4%粉煤灰；b—掺1%水泥+1%石灰+4%粉煤灰
分散性土和改性分散性黏土在试验温度为 20℃、围压为 50 kPa的应力-应变曲线如图3所示。从图3中可以看出，分散性黏土和掺2%石灰+4%粉煤灰的改性分散性黏土在三轴剪切条件下其应力-应变曲线呈应变硬化型，变形过程中偏应力随着应变的增加而逐渐增加，最终达到准稳定状态，而掺 1% 水泥+1% 石灰+4% 粉煤灰的改性分散性黏土应力应变关系趋于应变软化方向发展，随着应变的增加，偏应力逐渐增加并达一个最大值，当应变达到 10% 时，偏应力开始出现下降的变化趋势。根据土体应力-应变曲线可知：未改性的分散性黏土三轴抗压强度为137.75 kPa，掺2%石灰+4%粉煤灰的改性土三轴抗压强度为457.64 kPa，掺1%水泥+1%石灰+4%粉煤灰的改性土三轴抗压强度为 529.6 kPa，经过比较，分散性黏土经改性后的三轴抗压强度提高了 232.22%~284.46%，结果表明分散性黏土经改性处理后的三轴抗压强度显著增加。
图3分散性土和改性分散性黏土的应力-应变曲线
3.2 蠕变试验
土体蠕变是土体在恒应力作用下变形随时间发展所表现出的力学行为。土体蠕变随时间的发展分为两类：第一类为衰减型蠕变，在蠕变过程中，应变速率逐渐趋于零，变形收敛于某个水平；第二类为非衰减型蠕变，此类蠕变又分为非稳定蠕变、稳定蠕变和渐进流 3 个阶段，应变率的变化在整个蠕变阶段会出现最小值，用其来描述土体发生蠕变破坏具有较大意义。通过在 20℃条件下对分散性土和改性分散性黏土的三轴蠕变试验得到了各类土体在不同应力水平下的蠕变曲线，如图4所示。
从图4可以看出，在蠕变加载系数为 0.3 和 0.4 的应力水平下，分散性土的变形随时间发展为衰减型蠕变，具有第一蠕变阶段和第二蠕变阶段，均没有发生流变破坏，而蠕变加载系数为 0.5 的应力水平下，分散性土的变形随时间发展最终进入渐进流阶段，表现出流变破坏。对于掺2%石灰+4%粉煤灰的改性分散性黏土的蠕变规律和分散性土基本一致，即蠕变加载系数为0.5的应力水平下发生流变破坏，并且破坏之前的应变与分散性土破坏前的应变相差不大，在1.1%~1.3%变化。对于掺1%水泥+1%石灰 +4% 粉煤灰的改性分散性黏土蠕变，在 3 种应力水平下的蠕变曲线均为衰减型蠕变，发生第一类蠕变时，应变随时间的发展分为 3 个阶段：快速增加阶段，缓慢增加阶段，准稳定阶段，说明在荷载作用下土体的内部结构随着时间的发展产生了强化作用。随着应力水平的增加，土体蠕变应变也随之增长，在偏应力增量的作用下发生应变硬化效应，这与土体在恒应变率三轴压缩下的应力-应变关系相吻合。
(1)
式（1）中，γC为蠕变应变强度（%）；τ为蠕变应力强度（kPa）；t为时间（h）；f1（τ）、f2（t）分别为在任意时刻与应力、时间有关的函数。
通过对实验结果分析，可得道拟合方程（2）：
(2)
图4分散性土和改性分散性黏土的蠕变曲线
a—分散性土；b—掺2%石灰、4%粉煤灰；c—掺1%水泥、1%石灰、 4%粉煤灰
式（2）中，ε1 为蠕变应变；（σ1-σ3）为偏应力 （kPa）；t 为时间（h）；A、B、C、A1、A2、A3为与试验条件有关的蠕变参数。
根据试验结果，对分散性土的蠕变方程进行了回归分析，得到了式（2）中的各蠕变参数，拟合结果如表5所示。
表5蠕变参数拟合结果
图5分散性黏土和改性分散性黏土蠕变试验值与计算值对比
a—分散性土；b—改性分散性黏土（掺2%石灰+4%粉煤灰）；c—改性分散性黏土（掺1%水泥+1%石灰+4%粉煤灰）
根据分散性黏土和改性分散性黏土的蠕变方程，以 0.4的蠕变加载系数为例，通过计算得到土体蠕变的试验值与计算值对比关系（图5）。从图5可以看出，分散性黏土和改性分散性黏土的蠕变过程试验值与计算值相接近，表明用幂函数关系能够很好的描述土体应变随时间的变化过程，拟合精度较高。
为了研究改性分散性黏土与分散性土在相同荷载条件下的蠕变特性，在荷载为 56 kPa 的工况下，利用蠕变方程计算得到了两种改性分散性黏土与未改性分散性黏土的应变随时间变化，如图6所示。
从图6中可以看出，改性分散性黏土与分散性黏土在相同荷载条件下表现出相同蠕变特性，即为衰减型蠕变，但蠕变应变大小有所不同，掺2%石灰 +4% 粉煤灰的改性分散性黏土达到稳定时的应变最大，掺 1% 水泥+1% 石灰+4% 粉煤灰达到稳定时的应变次之，分散性土稳定时应变最小，3种土体蠕变应变达到稳定时的区间为 0.21%~0.48%，区间变化范围不大，说明分散性黏土堤防经改性处理后的改性分散性黏土体与未处理的分散性黏土体在服役过程中的长期变形相对协调稳定，当在自重或有水压力等外部荷载时，不致沿接触界面产生滑移，导致堤防发生失稳破坏的危险。
图6相同荷载条件下分散性土与改性分散性黏土的蠕变曲线
4 结论
通过对分散性黏土和改性分散性黏土的冻融变形特性及蠕变特性试验研究，可以得出以下结论：
（1）分散性黏土经水泥、石灰、粉煤灰改性处理后，能够有效的抑制土体冻胀变形的产生，进而使土体冻胀性降低，其中掺 2% 石灰+4% 粉煤灰处理方案的融沉量也是最小的。
（2）分散性黏土和掺 2% 石灰+4% 粉煤灰的改性分散性黏土在三轴剪切条件下其应力-应变曲线表现出一致，均呈应变硬化型，而掺1%水泥+1%石灰+4% 粉煤灰的改性分散性黏土应力应变关系趋于应变软化方向发展。
（3）基于试验结果，用幂函数关系能够较好地描述分散性黏土和改性分散性黏土的蠕变过程，试验值与计算值相接近，拟合精度较高。
（4）研究结果表明，掺 2%石灰+4%粉煤灰的改性分散性黏土在三轴剪切和蠕变过程中与分散性黏土表现出相似的变形特性，二者具有较好的变形协调性，因此在分散性黏土堤防的改性处理上建议选用该方案进行处理。