膨胀土是一种特殊的黏性土，因富含蒙脱石矿物，具有显著的膨胀特性[1]。在自然条件下，膨胀土在干湿过程中会发生反复变形，形成大量不规则的裂缝，时常导致路基和边坡发生严重破坏[2]。在城市固体废弃物填埋场及放射性废物处置设施中，膨润土基防渗阻隔系统的龟裂会导致工程性能显著下降，形成污染物快速迁移通道，对周边地质安全构成潜在威胁[3]。因此，如何有效改善膨胀土的干缩湿胀现象，防止土体干湿交替过程中强度的降低以及裂隙的扩展，成为岩土工程领域亟待解决的问题之一[4]。近年来，离散纤维单独或组合其他改良材料被添加并混合到土体中，以改善土体的强度及裂隙特性。化学添加剂和合成纤维作为改善岩土工程和地质环境应用中土体性能的有用介质，正在受到越来越多的关注[5]。TANG等[6]研究了离散短聚丙烯纤维对未胶结和胶结黏土强度和力学行为的影响，得出界面处的黏结强度和摩擦力似乎是控制增强效益的主导机制。TANG等[7]以纤维增强对黏土的抗裂性进行研究，得出纤维夹杂物对土壤干燥开裂行为有显著影响，纤维添加显著提高了抗裂性，干燥裂纹数量显著降低。OLGUN[8]评估了聚丙烯纤维夹杂物对用水泥和粉煤灰化学稳定的黏土岩土特性的影响，结果表明，在稳定土中添加纤维后，抗压强度，特别是抗拉强度值显著增加，且收缩极限和裂纹减少值随着纤维含量和纤维长度的增加而增加，而体积变化减小。FALAMAKI等[9]研究了渗滤液对含有不同聚丙烯纤维百分比的压实黏土岩土工程参数和开裂行为的影响，发现在土壤中添加0.5%(在水的情况下)和1%(在渗滤液的情况下)的纤维，可以将黏土的表面干燥裂纹分别减少到约0.185%和0.352%。付相深等[10]选用机制砂和水玻璃为土体添加剂，在两者单掺和复合作用下对膨胀土进行改良，发现机制砂和水玻璃均能提高该膨胀土的强度和刚度。郝建斌等[11]研究了粉煤灰-剑麻纤维复合改良膨胀土的强度和裂隙发育情况，发现在膨胀土中加入粉煤灰和剑麻纤维可显著提高膨胀土的稳定性。阮波等[12]研究了不同长度的纤维混掺水泥改良风积沙的强度和微观特性，发现改良土的无侧限抗压强度与孔隙率和丰度呈负相关。YUAN等[13]通过室内实验研究了不同聚丙烯纤维含量的盐碱土干燥裂纹特征，发现聚丙烯纤维可以显著提高土体的稳定性和完整性，类似于“桥梁”。以上研究表明，纤维的加入对于土体裂隙性有较好的改善效果，但纤维改良土经多次干湿交替后，改良效果减退，细小裂隙发育明显，并有继续扩大的趋势。因此，纤维和化学添加剂的复合改良膨胀土的方法有望解决这项难题。水玻璃是一种可溶性无机硅酸盐，在土木行业中多用作土体固化剂、注浆堵漏材料等。已有研究表明，水玻璃可以提高膨胀土的早期强度和抗裂性[14-17]，聚丙烯纤维可以增加膨胀土的韧性和抗膨胀性[18-19]，但关于水玻璃-聚丙烯纤维复合改良膨胀土的相关研究较少，对此类复合改良膨胀土在多次干湿循环作用下的强度与裂隙变化机制尚不明确。本文对添加不同材料、不同掺量、不同干湿循环次数的膨胀土开展土体强度与裂隙发育研究，通过开展无侧限抗压强度试验、直剪试验、裂隙试验和扫描电子显微镜(Scanning Eelectron Microscope，SEM)微观试验，寻找最优材料掺量比，揭示复合改良膨胀土在多次干湿循环下的强度与裂隙演化特征，探明水玻璃-聚丙烯纤维复合改良机理，为膨胀土路基与边坡的灾害治理提供实际应用与理论参考。
1 试验材料
本研究使用来自河南省南阳市的弱膨胀土，对土样进行了击实、比重、粒径分布和自由膨胀率等各种性能试验，得出了膨胀土的指标特性。如表1所示，土颗粒级配曲线如图1所示。
| 风干含水率/% | 塑限/% | 液限/% | 塑性指数 | 最优含水率/% | 最大干密度/(g∙cm-3) | 比重 | 自由膨胀率/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3.16 | 25 | 44.1 | 19.1 | 21 | 1.65 | 2.58 | 45 |
试验所取的2种改良材料分别为水玻璃和平均长度为6 mm的聚丙烯纤维。聚丙烯纤维由聚合物材料和废塑料制成，具有较高的抗拉强度、耐磨、弹性好、耐腐蚀等优点，聚丙烯纤维的性能参数如表2所示。水玻璃采用模数为1.03的九水合硅酸钠溶于水而得到的溶液，其性状为无色正交双锥结晶或白色至灰白色块状物或粉末，常温下易溶于水。
| 类型 | 抗拉强度/MPa | 断裂伸长率/% | 弹性模量/MPa | 密度/(g∙cm-3) | 直径/μm | 熔点/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 束状单丝 | ≥350 | ≤30 | ≥4 000 | 0.91 | 18～48 | 169 |
2 试验方案
2.1 试样制备
选取5种硅酸钠含量(0，0.5%，1.0%，1.5%，2.5%)和6种聚丙烯纤维含量(0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%)对膨胀土进行改良，分别设计膨胀土、水玻璃改良膨胀土、聚丙烯纤维改良膨胀土、复合改良膨胀土共4类土样30种配比。掺量以聚丙烯纤维或硅酸钠的质量占试样干重的比例表示。
将膨胀土样品风干，直到达到稳定状态，再将聚丙烯纤维置于烘箱中，以低温(45 ℃)进行干燥，以确保纤维之间不会因为湿度而黏在一起，保持纤维的分散性，以最优含水率21%配置水玻璃溶液，试样制备的全过程如图2所示。
2.2 最佳掺量试验
对不同掺量的聚丙烯纤维、水玻璃和两者复合土样进行无侧限抗压强度交叉试验，确定最佳掺量，探究2种材料复合改良对于膨胀土强度的影响。通过压实4层土样进行标准压实试验，制备了直径38.1 mm，高80 mm的土样。试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行，采用UTM5305型电子万能试验机，轴向速率为1 mm/min。
2.3 干湿循环试验
对膨胀土(后称素土)、水玻璃改良膨胀土(后称水玻璃改良土)、聚丙烯纤维水玻璃复合改良膨胀土(后称复合改良土)这3类土样进行干湿循环试验，2种改良土掺量选用无侧限抗压强度交叉试验筛选出的最佳配合比，水玻璃掺量为1%，聚丙烯纤维掺量为0.4%，土样采用直径61.8 mm，高20 mm的环刀样。对土样采用先湿后干的方法，采用抽真空饱和法增湿12 h，测得最大饱和含水率、最小饱和含水率分别为28.5%和24.4%，然后在恒温箱(45 ℃)中对试样脱湿24 h，即为一次干湿循环。增湿后试样的饱和含水率为26.5%±2%，脱湿后试样含水率为10.5%±2%，试验共进行5次干湿循环，并采用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)进行直接剪切试验。本文采用Photoshop软件对裂隙图像进行了预处理，删除无关的背景元素，转换为灰度图像，并进行了二值化和去噪处理，裂隙处理过程如图3所示。利用IPP图像处理软件得到裂隙面积率(裂隙面积与试样初始面积的比值)、裂隙数目、裂隙总长度、裂隙平均宽度(裂隙面积与裂隙长度的比值)等裂隙参数。
3 试验结果
3.1 无侧限抗压强度交叉试验
通过对不同掺量聚丙烯纤维和水玻璃进行交叉试验，绘制出关于无侧限抗压强度的柱状图。由图4可知，在单独添加聚丙烯纤维和水玻璃时，随着掺量的增加，试样的强度先增大后减小，当聚丙烯纤维掺量为0.4%时，试样强度达到最高值，为560.01 kPa；而水玻璃掺量为1%时，试样强度最高，为566.60 kPa；将1%聚丙烯纤维和0.4%水玻璃复合掺入膨胀土时，试样强度达到峰值，与单独添加聚丙烯纤维和水玻璃相比，无侧限抗压强度分别提高了23.7%和22.2%。表明聚丙烯纤维和水玻璃能够协同作用，显著改善膨胀土的力学性能。
如图5所示，分别为素土、水玻璃改良土、复合改良土在无侧限抗压强度试验中的破坏形态图。由图5可知，素土发生剪切破坏后可以观察到明显的贯通剪切带，剪切带两侧土体呈现宽大裂缝，发生剪切分离，试样呈“脆性破坏”。水玻璃改良土试样未发生明显的剪切分离，试样剪切破裂面略微鼓胀，裂缝多发且不完全贯通。复合改良土试样呈“塑性鼓胀型破坏”，土样表面的裂纹较为密集且呈放射状分布，破裂带之间通过纤维连接，未发生直接贯穿破坏。
3.2 干湿循环对改良膨胀土抗剪强度的影响
为探究干湿循环效应对改良膨胀土强度的影响，通过直接剪切试验作出不同土样下干湿循环次数与抗剪强度的关系曲线。由图6可知，素土经过5次干湿循环后，竖向压力为100 kPa时，抗剪强度衰减了41.7%，在200 kPa时抗剪强度衰减了28.5%，在300 kPa时抗剪强度衰减了32.2%，在400 kPa时抗剪强度衰减了29.7%，衰减范围为41.7%～28.5%。水玻璃改良土在经过5次干湿循环后，在竖向压力100、200、300和400 kPa下，抗剪强度分别衰减了37.1%、26.5%、23.5%、28.1%，衰减范围为37.1%～23.5%。复合改良土在经过5次干湿循环后，在竖向压力100、200、300和400 kPa下，抗剪强度分别衰减了21.8%、18.6%、23.7%、20.9%，衰减范围为23.7%～18.6%。同时，在干湿循环前，素土在不同竖向压力下的抗剪强度分别为60.57、75.49、107.33和126.61 kPa，水玻璃改良土在不同竖向压力下的抗剪强度相对于素土分别提升了20.4%、27.6%、19.8%、35.3%，复合改良土在不同竖向压力下的抗剪强度相对于素土分别提升了48.9%、56.2%、50.9%、58.9%，可见改良有效提高了土体的强度，与无侧限抗压强度试验结果呈正相关。以100 kPa竖向压力下的土样为例，经过5次干湿循环后，素土的抗剪强度衰减至35.32 kPa，水玻璃改良土和复合改良土的抗剪强度衰减至45.88 kPa和70.47 kPa，干湿后强度大小关系为素土＜水玻璃改良土＜复合改良土。
由图7可知，随着干湿循环次数的增加，3种土样的黏聚力和内摩擦角均呈下降趋势，素土、水玻璃改良土、复合改良土在5次干湿循环后黏聚力分别衰减了52.4%、49.4%、26.3%，内摩擦角衰减了19.6%、18.2%、17.9%。相比素土和水玻璃改良土，复合改良土衰减范围最小，与上述抗剪强度衰减趋势相同，说明复合改良土抵抗干湿循环的能力显著。
3.3 干湿循环对改良膨胀土裂隙特性的影响
由图8可知，3种土样在第1次干湿循环后无明显差异，裂隙发育不明显。第2次干湿循环后，3种土样展现出不同的裂隙发育趋势，素土出现明显的大裂缝，水玻璃改良土出现多条分散的裂隙，与素土不同的是水玻璃改良土中心未出现贯穿的大裂缝，而是主要裂缝开始分叉，使分叉裂缝与现有裂缝相连，形成多边形网络。而复合改良土仅仅四周出现微裂缝。之后，3种土样的裂隙发育程度持续加强，均按照第2次干湿循环后的裂隙发育趋势继续发展，裂缝逐渐扩大，直到稳定下来。由此可以确定，第2次干湿循环是该膨胀土裂隙发育的转折点，确定了裂隙发育的趋势。
图9显示素土的裂隙面积率在5次循环后由0.63%迅速上升到6.06%，水玻璃改良土的裂隙面积率变化趋势与素土相似，而复合改良土裂隙面积率仅从0.11%微增至0.57%。素土和复合改良土的裂隙总长度均随着干湿循环次数的增加而增大并逐渐趋于稳定，但复合改良土在5次干湿循环后，裂隙平均宽度和裂隙总长度较素土分别减少了72.3%、48.6%。水玻璃改良土的裂隙平均宽度整体呈上升趋势，但在2～4次干湿循环中裂隙面积率发育较慢，裂隙总长度在第2次干湿循环后达到了最大值。素土和复合改良土中的裂隙数目随着干湿循环次数的增加先减小后增加。这种现象归因于在早期干湿循环期间，2个土样周围形成了微裂缝，这些微裂缝的特点是短、密、不连续，随着循环次数的增加，微裂纹会发展和连接，从而降低裂隙数目。水玻璃改良土的裂隙数目与裂隙总长度呈相关性，随着干湿循环次数的增加，裂隙数目先增大后减小。
图10为第5次脱湿过程中3种土样的裂隙发育图。由图10可知，素土和水玻璃改良土在0时出现了一些未愈合的微裂隙。在脱湿2 h后，主要的裂隙轮廓开始显现，表明土样在初期脱湿过程中迅速产生了明显的裂隙。脱湿4 h后，裂隙轮廓进一步发育，裂隙的宽度和长度均有所增加。在脱湿4～24 h期间，裂隙宽度逐渐增加，但发育速度减缓，裂隙形态基本趋于稳定。复合改良土在0时，裂隙基本愈合，显示出其在多次干湿循环后仍能较好地保持结构完整性。在脱湿2 h后，主要的裂隙轮廓开始出现，但裂隙数量和宽度较少且较窄，显示出较好的抗裂性能。脱湿4 h后，裂隙轮廓进一步发育，但相比素土和水玻璃改良土，裂隙发育程度较轻。在脱湿4～24 h期间，裂隙宽度逐渐增加，但整体上裂隙发育较少，土体保持较好的完整性。
图11为第5次干湿循环中3种土样脱湿时间和含水率、裂隙率的关系图。脱湿过程中各类土样的裂隙率变化趋势可以分为3个阶段：初期脱湿阶段(0～4 h)，土体表层的水分蒸发速度较快，裂隙率迅速上升；中期脱湿阶段(4～16 h)，土体内部的水分重新分布，导致部分裂隙闭合，裂隙率下降；后期脱湿阶段(16～24 h)，土体进一步失水，体积继续收缩，导致新的裂隙产生或原有裂隙扩展，裂隙率再次上升，特别是在素土中表现显著。
通过进一步分析可知，素土和水玻璃改良土在饱和后裂隙没有封闭，主要是因为前几次干湿循环已经在土体内部形成了稳定的裂隙网络，同时干湿循环累积效应的影响，土样已经有了明显的疲劳和损伤，这些裂隙在饱和时虽然会吸水膨胀，但无法完全愈合。水玻璃在土样中形成了一种刚性较高的凝胶结构，其产生的硅酸凝胶包裹在土颗粒表面，增强了土颗粒之间的张拉应力，使土颗粒在短时间内快速收缩移动，所以在脱湿4 h之前，水玻璃改良土的裂隙率高于其他2种土样改良土，导致含水率的降低速率比素土和复合改良土要快。在脱湿4 h后，素土收缩程度最大，裂隙面积率增长迅速，远大于其他2种土样。复合改良土在干湿循环过程中裂隙发育较弱，水分蒸发速度较慢，其含水率在脱湿过程中下降较慢，因此裂隙率始终保持在较低水平(1%以下)，表明复合改良土在水分管理和裂隙控制方面的优越性。
4 结果分析
4.1 改良机理分析
图12(a)、图12(b)、图12(c)显示出素土土样颗粒呈块状、分散的片状结构，这类结构并不稳定，存在较多孔隙，容易在干燥过程中形成裂隙。图12(d)、图12(e)、图12(f)显示了水玻璃改良土体表面较平整，未发现明显孔隙，土颗粒表面被硅酸凝胶包覆，不稳定的片状结构被包裹连接，形成更稳定的团聚体。水玻璃通过离子作用和水化作用形成的水合硅酸凝胶与土颗粒黏结，提高了土体的整体强度，并有效地填充了土体中的孔隙，减小了裂隙的形成可能性。图12(g)、图12(h)、图12(i)显示复合改良土由于纤维穿插在土体中，土体基本无孔隙，土颗粒与聚丙烯纤维、硅酸凝胶形成紧密的黏结结构。
当膨胀土中掺入适量的水玻璃时，水玻璃的加入与水相互反应形成具有黏合性的硅酸凝胶，膨胀土中的黏土矿物在水溶液中易分散成片状颗粒，此时颗粒端面裸露的铝离子、铁离子带正电荷吸附水玻璃中带负电的硅酸根离子，水玻璃与含铝黏土矿物反应，铝离子释放H+与水玻璃中Si—OH基团缩合形成水合硅酸凝胶[20-21]。水玻璃的水合过程、水解过程主要化学反应如式(1)和式(2)所示：
这些凝胶填充了土颗粒之间的孔隙，并在颗粒表面形成了黏结膜和黏结桥。黏结膜覆盖在土颗粒表面，将相邻颗粒牢固连接起来，形成了稳固的黏结桥。这些桥梁结构增大了土体的内部摩擦和黏结强度，增大了土颗粒之间的黏结力，提高了土体的抗剪强度，使土体受到张拉应力，导致应力集中时抵抗裂隙产生的能力加强。其次，聚丙烯纤维作为增强材料，穿插在土颗粒之间形成了均匀的纤维网络结构。这些纤维增加了土体的抗拉强度，在土体中的分布能够吸收和分散应力，防止了裂隙的扩展和深化，从而显著提升了土体的抗裂性能。
4.2 裂隙发育分析
自然饱和状态下，土体中的孔隙被水填充，由于黏土颗粒产生的吸附作用和水化作用，导致土颗粒被水化膜包裹，因此，土颗粒之间存在一定间距。土体在干燥过程中，产生的毛细水作用形成收缩膜，收缩膜表面形成的张力Ts转化为对土颗粒的横向拉应力T和竖向拉应力P，致使土颗粒横向相互靠拢，竖向发生固结，从而孔隙减小，导致土体收缩。对于基质吸力一般定义为空气压力ua与毛细水压力uw的差值，它们与收缩膜表面张力Ts存在以下关系：
式中：
由于土颗粒相互之间受到基质吸力和表面张力的共同作用，土体收缩受限，导致土体表面产生张拉应力。随着干燥过程中水分的蒸发，毛细孔的半径逐渐减小，土颗粒相互紧密靠拢，颗粒间的作用力逐渐增强。由于土颗粒之间的黏结力以及水分蒸发速率不同，土体产生的张拉应力分布不均，极易在黏结强度较弱的地方发生应力集中，此时如果该处的张拉应力大于土颗粒之间的黏结力，裂隙就会产生。图13为裂隙产生机理的示意图及实际土样参考。
图14显示了膨胀土颗粒在水化作用下从大孔隙到裂缝的转变过程，素土裂隙贯通明显，而复合改良土的裂隙终点区域则由于纤维硅酸凝胶的作用而受到显著抑制。素土在润湿路径中，强亲水性的黏土矿物被水膜包围，在干燥的环境中，黏土矿物周围的厚水膜将开始变薄，导致颗粒收缩；素土经历湿度反复增减后，导致黏土矿物交替膨胀、收缩，发生疲劳损伤，表现为孔隙连通和裂缝滋生[21-22]。由于膨胀土颗粒间大孔隙的存在，黏结性较弱，在吸水膨胀和干湿循环过程中，内阻较小，导致裂隙容易迅速扩展和贯通，形成较大的裂缝网络[23]。复合改良土中的硅酸胶体粒子失水缩聚，与膨胀土颗粒共存形成网状结构，聚丙烯纤维穿插其中，增强了土体内部结构的黏结强度，所以，裂隙在发育过程中受纤维硅酸凝胶网络体系的阻碍，扩展路径受阻，裂隙发育被有效抑制。结果表明，复合改良土通过纤维硅酸凝胶黏结桥的形成，提高了内部黏结强度，从而显著降低了裂隙率。
5 结论
1) 水玻璃和聚丙烯纤维复合的最佳掺量为1.0%、0.4%，水玻璃改良后土体的韧性不够，易脆性破坏，而聚丙烯纤维提高了土体的抗变形韧性，使土体的破坏形态发生转变，2种改良材料联合使土体无侧限抗压强度和抗剪强度显著提升。
2) 最佳掺量下的水玻璃与聚丙烯纤维复合改良膨胀土，在5次干湿循环后，裂隙平均宽度和裂隙总长度较素土分别减少了72.3%、48.6%，且裂隙面积率少于1.0%。膨胀土土体中的水分变化，会造成土表面张拉应力重分布与孔隙产生，是土体裂隙产生的重要原因，复合改良可增强土颗粒的黏结强度并填充孔隙。
3) 水玻璃吸水硬化提升土体黏聚力，聚丙烯纤维对土颗粒的捆箍作用，是水玻璃与聚丙烯纤维复合改良膨胀土的重要改良机理。水玻璃作用产生的硅酸凝胶包覆在土颗粒表面，同时聚丙烯纤维穿插在土颗粒之间与硅酸凝胶黏结膜黏结在一起，和土颗粒、硅酸凝胶黏结膜之间形成纤维硅酸凝胶网络体系，提高了土体的密实度，从而改善了土体的强度和裂缝滋生。
新型复合固化剂固化淤泥的强度特性试验研究
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