干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性_孟令超.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0386-11孟令超，朴淼，张鸿秋，等 2023 干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性J 工程地质学报，31(2):386396 doi:1013544/jcnkijeg20220196Meng Lingchao，Piao Miao，Zhang Hongqiu，et al 2023 Swelling and shrinkage behaviour of expansive soil ameliorated by calcium lignosulphonate dur-ing wetting-drying cyclesJ Journal of Engineering Geology，31(2):386396 doi:1013544/jcnkijeg20220196干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性*孟令超朴淼张鸿秋黄志全(华北水利水电大学，郑州 450046，中国)(鹤壁市土地收购储备中心，鹤壁 472000，中国)(洛阳理工学院，洛阳 471023，中国)摘要实地调查发现河南省南阳市南阳盆地周边受持续降雨、干旱极端气候影响，出现了房屋破坏、边坡失稳等膨胀土灾害问题，危害人民财产生命安全。以南阳盆地弱膨胀土为研究对象，通过自由膨胀率试验，研究木质素磺酸钙改良弱膨胀土的最佳掺量问题，并在最佳掺量的基础上对试样进行无荷膨胀和收缩试验，进一步研究干湿循环条件下木质素磺酸钙对弱膨胀土胀缩特性的影响，结合试验过程中试样的裂隙发展规律，探究干湿循环条件木质素磺酸钙改良弱膨胀土胀缩特性的原因。试验结果表明对于弱膨胀土，木质素磺酸钙掺量在 0.75%、养护天数 14 d 时改良效果最佳，此时改良土自由膨胀率最低。干湿循环条件下的无荷膨胀和收缩试验数据显示改良前后弱膨胀土绝对膨胀率最高由 29%降至 3%，绝对收缩率最高由 17%降至 2%，改良土相对膨胀率与相对收缩率基本不随干湿循环次数发生变化，说明木质素磺酸钙可以有效降低干湿循环过程中弱膨胀土的胀缩形变，保持干湿循环过程中弱膨胀土胀缩特性的稳定，且木质素磺酸钙的改良效果不受干湿循环次数的影响。对比未改良土与改良土裂隙发展规律，木质素磺酸钙在弱膨胀土中主要起到抑制裂隙发育，提高土体胶结能力的作用，使土体形成更致密的结构，改善弱膨胀土胀缩特性。关键词弱膨胀土;干湿循环;木质素磺酸钙;改良土;胀缩性;裂隙性中图分类号:TU443文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220196*收稿日期:20220424;修回日期:20220525基金项目:中原科技创新领军人才计划资助(资助号:214200510030)This research is supported by the the Central Plains Science and Technology Innovation Leader Project(Grant No 214200510030)第一作者简介:孟令超(1978)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事工程地质方面的科研与教学工作 E-mail:meng7839126com通讯作者简介:黄志全(1970)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事边坡工程方面的科研与教学工作 E-mail:huangzhiquanncwueducnSWELLING AND SHINKAGE BEHAVIOU OF EXPANSIVE SOIL AME-LIOATED BY CALCIUM LIGNOSULPHONATE DUING WETTING-DY-ING CYCLESMENG LingchaoPIAO MiaoZHANG HongqiuHUANG Zhiquan(North China University of Water esources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China)(Land Acquisition eserve Center in Hebi City，Hebi 472000，China)(Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China)AbstractAccording to a field investigation，expansive soil disasters such as building damage and slope failurehappened in the area of Nanyang Basin in Henan Province as a result of extreme climate conditionpersistent rainsand drought，threatening people s property and lives This paper aims to study the effect of calcium lignosulphonatefor improving the swelling and shrinkage characteristics of weak expansive soil The soil specimens mixed with calci-um lignosulphonate at various percentages(0.5%，0.75%，1%，1.25%)by dry weight，and the free swell testwere performed after specimens cured for 0，3，7，11，14，and 28 days to explore the optimum value of calciumlignosulphonate The laboratory test results indicate that the specimen mixed with 0.75%calcium lignosulphonateand cured for 14 days has the lowest free swelling ratio Based on the optimum values of calcium lignosulphonate(0.75%)，unloaded expansion test and shrinkage test were conducted under cyclic drying and wetting conditionThe results show that the addition of calcium lignosulfonate can effectively reduce the absolute expansion rate andthe absolute shrinkage rate of weak expansive soil during the wetting-drying cycle The maximum absolute expansionrate decreases from 29%to 3%，and the maximum absolute shrinkage rate decreases from 17%to 2%The relativeexpansion rate and shrinkage rate of ameliorated soils keep steady with the increase of the wetting-drying cycle，which indicates that calcium lignosulfonate can effectively ameliorate the stability of swelling and shrinkage propertyof weak expansive soil during wetting and drying cycles The increased drying-wetting cycle has no effect on the im-proved effectiveness of calcium lignosulphonate By analyzing the crack development pattern of test specimens，cal-cium lignosulfonate primarily inhibits crack development，improves soil cementation ability，and causes the soil toform a more compact structure，allowing weak expansive soil to maintain its swelling and shrinkage characteristicsstability during the drying-wetting cycleKey wordsWeak expansive soil;Wetting-drying cycle;Calcium lignosulphonate;Soil stabilization;Swelling-shrinking;Desiccation crack0引言膨胀土含有较多的蒙脱石等亲水性黏土矿物(王保田等，2008)，在干湿交替的自然条件下反复吸水膨胀、失水收缩，会给工程建设带来较大的危害(廖世文，1984)，例如膨胀土路基路面开裂问题以及南水北调工程中在膨胀土区域开挖沟渠时膨胀土边坡的破坏问题等。传统改良方法一般是用水泥、石灰、粉煤灰等改良剂改良膨胀土。这些传统改良剂可以有效抑制膨胀土的膨胀性并改善膨胀土的力学性能，提高土体抗剪强度和无侧限抗压强度等力学参数(Kumar et al，2007;谭松林等，2009;吴建涛等，2017;商拥辉等，2020;吴燕开等，2021)，但传统钙基加固剂如石灰和水泥在生产的过程中会造成一定的环境污染(Gao et al，2015)，并且利用钙基加固剂改良含有硫酸盐的土体时，硫酸盐的腐蚀作用会影响最终的改良效果(Nair et al，2011)。因此，很多学者致力于研究新型的、环境友好型的土体改良剂，其中就包含木质素及其衍生物。木质素及其衍生物是生物能源生产过程中的副产物，而生物能源被认为是最高效的清洁能源(姚穆等，2009)。全世界每年生产的工业木质素利用率仅有约 2%，未被利用木质素的乱排滥放带来了较为严重的环境污染和资源浪费问题(魏建华等，2001;路瑶等，2013)。开发利用木质素及其衍生物无论是对于环境保护还是工程建设都具有积极的意义。对于应用木质素及其衍生物改良土体，国内外已有许多学者做了相关的研究。Indraratna et al(2013)利用木质素衍生物改良粉砂土并研究其适用性，结果表明较传统改良剂而言，木质素适用性更广，具有广阔的发展前景;Yang et al(2018)发现含木质素的工业副产物可以改善土壤的冻融耐久性和水分敏感性;贺智强等(2017)研究了木质素对黄土抗压、抗拉强度及水稳定性的影响，认为木质素磺酸钙可以加强土颗粒间的胶结作用并填充孔隙，进而改良土体的工程性质;Sharmila et al(2021)研究了木质素衍生物对膨胀土膨胀特性的影响，试验表明改良后土体的土壤膨胀势和膨胀压力明显降低;张涛等(2016)利用工业副产品木质素改良路基粉土，通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X 射线衍射分析等手段分析了木质素改良的微观机理，发现木质素会使土体矿物颗粒双电层厚度减小，并与土体颗粒相互作用形成胶结物填充孔隙，提高土体的致密程度。上述研究表明，木质素及其衍生物可以有效地改良土体，并对木质素改良土体的微观机理有了一定的认识。但由于膨胀土具有裂隙性、胀缩性、超固结性等特性(冷挺等，2018)，在干湿往复循环的情况下，膨胀土的体积与结构会发生较大改变，给以膨胀土为地基的建筑带来危害。以南阳盆地为例，膨胀土在南阳盆地分布广泛，空间上自西向东，膨胀土膨胀性由弱到中强，以弱膨胀土为主(杜红78331(2)孟令超等:干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性图 1取样地理位置及取样点周边弱膨胀土造成的危害(a、e 取样地理位置;b、d、f、g、h、i 膨胀土造成的房屋破坏;c 膨胀土出露)Fig 1Sampling location and damage caused by weak expansive soil near the sampling site:(a)and(e)show the sampling location;(b)、(d)、(f)、(g)、(h)and(i)illustrate the damage caused by weak expansive soil;(c)shows expansive soil exposed nearby伟等，2010)。由于膨胀土的胀缩特性，在持续干旱以及持续降雨的情况下，南阳市出现大规模房屋开裂以及边坡破坏的问题(图 1)，所以结合干湿循环条件，研究木质素及其衍生物对膨胀土膨胀特性的影响具有较大的意义。本研究以河南南阳的弱膨胀土为研究对象，开展自由膨胀率试验，探究木质素磺酸钙对南阳弱膨胀土的改良效果，得出木质素磺酸钙的最佳掺量，并结合干湿循环条件，通过无荷膨胀试验、收缩试验等室内试验，研究木质素磺酸钙改良弱膨胀土在不同干湿循环次数下的胀缩特性，分析其规律，为木质素磺酸钙改良弱膨胀土的工程应用提供依据。1试验材料1.1弱膨胀土试验用土选自河南省南阳市社旗县，取土深度2.5 m，原状样如图 2 所示。图 2南阳弱膨胀土原状样Fig 2Nanyang undisturbed weak expansive soil试验用土为重塑土，土体的液、塑限和塑性指数分别为 53.8%、20.4%和 33.4。根据土的工程分类标准(GB/T 501452007)(中华人民共和国国家标准编写组，2007)，试验所用重塑土样为高液限黏土，击实方法选取标准轻型击实法，结果显示重塑883Journal of Engineering Geology工程地质学报2023土样的最优含水率在 20.8%左右，最大干密度为1.67 gcm3。根据图 3 土样颗粒级配曲线所示，土样粒组含量以 0.050.005 mm 为主，占比 64.6%，小于 0.005 mm 的颗粒粒组占比为 28.5%，大于0.05 mm 颗粒粒组占比为 6.9%。测得试验用土自由膨胀率为 56%，为弱膨胀土(重塑土样基本物理性质指标见表 1)。图 3土样颗粒级配曲线Fig 3Experimental curves of particle size表 1重塑土样基本物理指标Table 1Basic physical parameters of remoldedweak expansive soil比重液限/%塑性指数最优含水率/%最大干密度/g cm3自由膨胀率/%27353833420816756将取回的弱膨胀土原状样风干、碾碎后过 2 mm筛，测得其风干含水率。按对试样掺入不同比例的木钙(按干重记)，测得其初始含水率，再对土样进行配比，配置土样的含水率至最优含水率(20.6%)。将配置好的土样放入密封薄膜中闷料养护 24 h 后再测试其含水率，两次含水率误差绝对值小于0.2%视为配置成功。采用静压制法分 3 次压实将重塑土制为 4 cm 厚大土饼，每次压实约添加 43 g 的土样。再在大土饼上制取环刀样以备干湿循环试验使用，环刀样高 2.54 cm，直径 6.35 cm。1.2木质素磺酸钙木质素磺酸钙(Calcium lignosulfonate)，以下简称木钙，是一种木质素的衍生物，常作为造纸、木材工业的副产物。木钙相对分子质量较大，属于阴离子型高分子表面活性剂，在溶液中可以进行离子交换作用，也可以与其他化合物发生缩合或自身产生聚合作用。木钙外观表现为黄褐色粉末状固体，略有芳香气味，极易溶于水，Ijaz et al(2020)利用与本实验成分相同的木钙进行了 X 射线衍射分析(图4)，结果显示其表现出非晶体的性质，具体物理化学性质见表 2。图 4木质素磺酸盐的 X 射线衍射图(Ijaz et al，2020)Fig 4X-rays diffraction pattern of lignosulphonate(Ijaz et al，2020)表 2试验用木质素磺酸钙成分Table 2Components of calcium lignosulfonate used in tests指标参数别名木钙英文名Calcium Lignosulfonate分子式C20H24CaO10S2外观(25)黄褐色粉末木质素含量%500650pH 值(1%水溶液)47含水量%50水不溶物%152试验方法2.1最佳掺量试验为研究木钙对弱膨胀土的改良效果以及确定适宜的木钙掺量，在弱膨胀土中掺入不同比例的木钙进行自由膨胀率试验。取不同比例的木钙完全溶于水后与重塑土拌合(木钙与土配比见表 3)，在温度202、相对湿度95%的标准养护条件下薄膜包裹养护，分别养护 0 d、3 d、7 d、11 d、14 d、28 d 后取出试样碾碎过筛并烘干，对烘干试样开展自由膨胀率试验。取养护时间 14 d 时，自由膨胀率最低试样的木钙掺量为最佳掺量。98331(2)孟令超等:干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性表 3木质素磺酸钙掺量Table 3Calcium lignosulfonate content材料名称掺量(占干土重)/%木质素磺酸钙0507511252.2干湿循环方法结合南阳盆地夏季温度较高，雨季降雨量充沛，旱季、雨季持续时间较长的自然条件，干湿循环方法模拟自然条件下大气降雨以及夏季土体中水分蒸发过程。试样的饱和过程采取抽真空饱和增湿的方法，待确认试样达到饱和含水率后，将试样置于烘箱内脱湿，烘箱温度设置为 40，持续 24 h，假设脱湿完成后的试样处于完全干燥状态，脱湿操作完成后，静置试样 12 h，平衡试样的含水率和温度。将此增湿脱湿过程作为一次完整的干湿循环，重复 5 次。其中试样饱和的具体步骤如下:(1)先将准备好的试样逐个放入饱和器中，将饱和器置入真空罐，用凡士林涂抹真空罐和罐盖之间的缝隙进行密封处理。(2)利用真空泵抽出罐内气体，确保罐内达到真空环境后停止抽气。(3)打开饱和器的进水管，保持水流入真空罐的过程中真空罐压力表读数保持不变。当饱和器完全浸没在水中后，关闭进水管，静置真空罐 24 h。2.3无荷膨胀试验试验步骤及方法依据土工试验方法标准(GB/T501232019)(中华人民共和国国家标准编写组，2019)进行，选取轻便固结仪为试验仪器，取第 i 次干湿循环后养护完成的试样放入固结仪中，自上而下向固结仪中注入纯水，在注入纯水过程中，始终保持水面在试样 5 mm 以上。随后按照一定的时间间隔读数，由于膨胀土膨胀性较强，为了记录试验中弱膨胀土形变特征，本次试验读数时间间隔相对于 土工试验方法标准 所规定的读数时间间隔进行一定的加密，先按照 6 s、15 s、60 s、2 min15 s、4 min、6 min15 s、9 min、12 min15 s、16 min、20 min15 s、25 min、30 min15 s、36 min、40 min15 s、49 min、60 min、100 min、200 min、400 min 的间隔读数，随后保持读数间隔为 24 h，直到两次相邻读数的差距小于 0.01 mm，此时试样可视为膨胀稳定，记录下膨胀稳定后的试样高度。按照式(1)、式(2)计算出试样的绝对膨胀率和相对膨胀率。ae=(hei h0)h0 100%(1)re=(hei he(i1)he(i1)100%(2)式中:ae代表绝对膨胀率;re为相对膨胀率;h0为式样初始高度;hei为试样第 i 次干湿循环之后试样膨胀稳定的高度;he(i1)为第 i1 次干湿循环之后试样膨胀稳定的高度。2.4收缩试验取第 i 次干湿循环完成后养护好的试样固定在收缩仪上，读取收缩仪百分表初始读数。试验初始阶段，百分表读数间隔为 1 h，在读数的同时将收缩仪和试样作为整体记录其质量。持续 2 d 后，百分表读数间隔延长为 6 h，同时继续记录收缩仪器以及试样整体质量。当相邻两次百分表读数基本保持一致时，可视为试验完成。记录下此时的试样高度，然后将试样取出放入烘箱烘干，用蜡封法测得烘干试样的体积，以上实验步骤严格按照土工试验方法标准(GB/T501232019)(中华人民共和国国家标准编写组，2019)进行。按式(3)、式(4)和式(5)计算试样绝对收缩率、相对收缩率和体缩率。as=(h0 hsi)h0 100%(3)rs=(hsi hs(i1)hs(i1)100%(4)esi=(v0 vi)v0 100%(5)式中:h0代表试样初始高度;hsi为试样第 i 次干湿循环收缩稳定后的试样高度;hs(i1)为试样第 i1 次干湿循环收缩稳定后的试样高度;v0为烘干后试样的初始体积;vi为第 i 次干湿循环后试样烘干后体积。3试验结果及分析3.1最佳掺量试验取不同木钙掺量、不同养护天数的试样进行自由膨胀率试验，试验结果如图 5 所示。由图中可以看出不同养护龄期的膨胀土自由膨胀率先随着木钙掺量的增加而降低，当木钙掺量超过 0.75%时，改良土的自由膨胀率反而随着木钙掺量的增加而增加，当木钙掺量为 0.75%时，弱膨胀土的自由膨胀093Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 5改良弱膨胀土自由膨胀率随养护时间变化规律Fig 5Variation of free swelling ratio with curing timefor improved weak expansive soil率最低。众多土的改良剂，包括水泥、石灰、粉煤灰都会出现类似的情况(查甫生等，2007;Kumar etal，2007;吴建涛等，2017)，当膨胀土中改良剂的掺量在一定范围时，有助于膨胀土自由膨胀率的降低，但超出某一值反而会提高土体的自由膨胀率。就木钙作为改良剂而言，木钙掺量过高会导致土体中木钙浓度增高，此时较于土体，木钙会优先与自身发生反应，之后会与结合水以氢键的形式联结在一起(蒋挺大，2008)。胡翔宇(2018)发现分子间氢键的增加会使土体更难压实，宏观上表现为土体孔隙率的增加，姬胜戈等(2021)在研究木质素对土体的改性试验时也发现过高的木钙掺量会使土体孔隙率增加，这一掺量在 0.5%0.75%附近，与本文试验结果较为符合。所以推测木钙含量过高时会使土体中孔隙增加，导致弱膨胀土自由膨胀率的上升。另外，试验中观察到木钙掺量过高的土体在进行自由膨胀率试验时，量筒土液交界面有部分土体以类似悬浊液的形式附在量筒上部，也会导致自由膨胀率读数升高，推测该现象产生的原因为木钙掺量过多从土体中析出，致使析出的木钙悬浮在量筒土液交界面。观察图 5 改良土试样自由膨胀率随养护时间变化规律发现，不同木钙掺量弱膨胀土自由膨胀率随养护时间的增加而减小，并且在养护 14 d 后保持稳定。Zhang et al(2016)利用木质素与土体反应会水解产生 OH-负离子这一现象，观测了不同时间木质素改良土 pH 值的变化，发现土体 pH 值会随养护时间的增长而增加，说明木质素与土体充分反应需要一定的时间。试样在养护过程中，木钙与弱膨胀土经历了开始反应持续反应反应完全这一过程，在标准养护条件下整个过程大约持续 14 d 的时间。所以木钙改良弱膨胀土应在标准养护条件下养护 14 d 以充分发挥木钙的改良效果。选取木钙改良效果达到稳定(养护时间 14 d)时自由膨胀率最低试样的木钙掺量作为最佳掺量，木钙改良弱膨胀土最佳掺量为 0.75%。膨胀土富含亲水矿物，在吸水过程中，水分子会进入亲水矿物颗粒的晶层内部，导致晶层间距扩大，同时矿物颗粒表面带有负电荷，会吸附溶液中的阳离子与水分子，形成扩散双电层致使黏土颗粒表面结合水膜厚度增厚，土体发生膨胀(Firoozi et al，2017)。木钙溶于水后，通过质子化反应(图 6)，形成带正电荷的木质素聚合物。由于膨胀土矿物颗粒表面带有负电荷，在静电力的作用下，矿物颗粒会吸引带正电荷的木质素聚合物，发生中和作用，矿物颗粒表面电位降低，双电层厚度减小，减小土体颗粒间的间距(韦桐忠等，2021)，同时木钙形成的高分子聚合物具有胶结性，会与土体颗粒一起形成胶结物填充孔隙(张涛等，2016;Ijaz et al，2020)，降低膨胀土膨胀性。图 7 为木质素改良土体示意图。图 6木质素质子化形成带正电荷聚合物过程(Vinod et al，2015)Fig 6Protonation of calcium lignosulfonate to a positivelycharged polymer(Vinod et al，2015)3.2无荷膨胀率试验选取木钙最佳掺量条件下(掺量为 0.75%)，养护时间 14 d 后的改良土试样与未改良的弱膨胀土试样为试验对象，对试样进行多次干湿循环，取不同干湿循环次数下的试样进行无荷膨胀试验。试验结19331(2)孟令超等:干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性图 7木质素改良土体机制示意图(张涛等，2016;有修改)Fig 7Schematic mechanism of calcium lignosulfonate stabi-lized weak expansive soil(Modified after Zhang et al，2016)图 8绝对膨胀率随干湿循环次数变化规律Fig 8Variation of absolute expansion rate withwetting-drying cycles图 9相对膨胀率随干湿循环次数变化规律Fig 9Variation of relative expansion rate withwetting-drying cycles果及试样膨胀率变化趋势如图 8、图 9 所示。图8 为不同干湿循环次数下改良土与未改良土绝对膨胀率随干湿循环次数的变化规律，可以看出未改良土和改良土绝对膨胀率变化曲线有明显差异，未改良土前 3 次循环中绝对膨胀率近线性递增，且曲线存在明显峰值(第 3 次干湿循环时达到峰值)。由于膨胀土膨胀率与初始干密度呈正相关，和初始含水率负相关(Villar et al，2008)，试样在饱和前干密度较大，含水率较低，致使未改良土绝对膨胀率曲线在前期呈递增趋势。木钙改良土的绝对膨胀率从整体上来看远小于未改良土，在第 3 次干湿循环时两者差值达到最大，为 26.59%，从变化趋势上来看改良土绝对膨胀率曲线整体变化平稳，仅在第 1 次干湿循环时略微变大，随后基本保持不变。图 10绝对收缩率随干湿循环次数变化规律Fig 10Variation of absolute shrinkage rate withwetting-drying cycles图9 为膨胀土相对膨胀率随干湿循环的变化规律，相对膨胀率为相邻两次干湿循环试样膨胀形变量的变化率，可以体现出试样在干湿循环过程中的膨胀特性变化。由图 9 可以看出，未改良土的相对膨胀率随干湿循环次数的增加逐渐减小，改良土相对膨胀率曲线近似为直线，且总是小于未改良土。综合图 8 和图 9，干湿循环条件下木钙改良土的膨胀形变量要远低于未改良土，且改良土每次干湿循环膨胀形变量变化不大，说明木钙可以有效改善弱膨胀土干湿循环过程中的膨胀形变量并且保持弱膨胀土膨胀特性的稳定。3.3收缩试验在干湿循环条件下，对养护时间 14 d 后，0.75%木钙掺量的改良土试样与未改良土试样进行收缩试验，研究其不同干湿循环次数下的收缩形变量及收缩特性变化规律。图 10、图 11 和图 12 为收293Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 11相对收缩率随干湿循环次数变化规律Fig 11Variation of relative shrinkage rate withwetting-drying cycles图 12体缩率随干湿循环次数变化规律Fig 12Variation of volume shrinkage rate withwetting-drying cycles缩试验结果。从图 10 改良土与未改良土绝对收缩率变化规律可以看出，未改良土绝对收缩率变化规律与绝对膨胀率(图 8)类似，前 3 次干湿循环过程中未改良土绝对收缩率逐渐增加，在第 3 次干湿循环时达到最大，随后基本保持不变，说明弱膨胀土收缩特性的变化也主要集中在前 3 次干湿循环。改良土绝对收缩率曲线变化平稳，近似为一条直线，木钙改良土的绝对收缩率相对于未改良土下降明显，在第 3 次干湿循环时相差最大，为 15.63%。结合图 11 改良土和未改良土相对收缩率变化，发现改良土相邻两次干湿循环间，绝对收缩率变化很小，基本不随干湿循环次数增加而发生改变，与无荷膨胀试验结果相吻合。图12 为体缩率试验结果，体缩率为试样烘干状态下体积随干湿循环次数的改变量。从图 12 中可以观察到，未改良土和木钙改良土的体缩率都随干湿循环次数的增加而逐渐减小，并逐渐趋于稳定，但木钙改良土体缩率始终小于未改良土，且第 3 次干湿循环后，改良土和未改良土的体缩率始终保持0.6%左右的差值。根据图 10、图 11 和图 12 收缩试验结果，木钙对干湿循环中弱膨胀土的收缩形变有良好的改良效果。较未改良土而言，木钙改良土的收缩变形降幅明显，且不同干湿循环次数下木钙改良土的收缩形变变化幅度很小，说明木钙可以提高干湿循环过程中弱膨胀土收缩特性的稳定性。综合膨胀试验和收缩试验结果，干湿循环条件下木钙可以有效降低弱膨胀土的胀缩变形量，且改良效果不受干湿循环次数的影响。在干湿循环条件下，弱膨胀土的胀缩特性会发生改变，随着干湿循环次数的增加，膨胀土的胀缩变形量会先随干湿循环次数增加而增加，在 3 次干湿循环之后趋于稳定，而改良土每次干湿循环胀缩变形量基本一致。说明木钙作为改良剂，在干湿循环条件下明显降低膨胀土胀缩变形量的同时，还可以保持膨胀土胀缩特性的稳定。自然条件下，由于雨季和旱季的原因，弱膨胀土经历干湿循环的情况十分常见，木质素的这一改良效果对工程建设具有积极意义。4干湿循环条件下木钙改良弱膨胀土胀缩稳定性分析选取高 2.54 cm，直径 6.35 cm 的环刀样，在每次干湿循环完成后用 4K 分辨率相机记录下改良土与未改良土环刀试样表面的裂隙发育特征。前 3 次干湿循环完成后试样裂隙发育情况如图 13 所示。对比第1次干湿循环未改良土(图 13a)和改良土(图 13d)裂隙发育情况，首次干湿循环未改良土和改良土表面都出现贯穿主裂隙，但未改良土试样表面出现环状裂隙，沿环状裂隙垂直发育有较多次裂隙，改良土沿主裂隙次裂隙发育数量较少。随着干湿循环次数的增加，未改良土试样裂隙发展主要表现为裂隙宽度加深，数量略有增加(图 13b、图13c);改良土试样在第 2 次干湿循环时出现环状裂缝，沿环状裂缝次裂缝开始发育，随干湿循环次数增加试样裂缝数量逐渐增多，且宽度逐渐加大(图13f)。总体来看，未改良土试样裂隙发育主要表现为裂隙宽度上的增加，改良土试样裂隙发育则主要在裂隙数量增加方面，并且改良土试样裂隙的宽度和数量均要小于未改良土。39331(2)孟令超等:干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性图 13干湿循环作用下未改良土与改良土试样的裂隙发育情况(a)、(b)、(c)分别为干湿循环 1、2、3 次下未改良试样的裂隙发育规律，(d)、(e)、(f)为木钙改良土试样在第 1、2、3 次干湿循环下的裂隙发育规律，n 代表干湿循环次数)Fig 13Cracks development of plain and improved expansive soil sample during wetting-drying cycles:(a)，(b)and(c)respective-ly show the crack development regularity of unimproved samples under the 1st，2nd and 3rd drying-wetting cycles，and(d)，(e)and(f)show the crack development regularity of ameliorated soil samples under the 1st，2nd and 3rd drying-wetting cycles The variable nstands for the number of drying-wetting cycles干湿循环试验试样在脱湿的过程中，由于体积的收缩，试样内部会产生张拉作用，当存在收缩空间时，试样会产生裂隙(唐朝生等，2012)。裂隙的发育主要考虑土体收缩空间和张拉作用两个方面的因素。结合图 8、图 10 和图 12 干湿循环条件下无荷膨胀试验及收缩试验结果，木钙可以降低干湿循环过程中弱膨胀土的胀缩形变量，降低了收缩空间;另一方面观察图 13 还可以发现，未改良土试样边界剥落现象严重，而改良土试样周界较完整，这说明改良土的结构性更强，木钙对土体的胶结作用使土体的结构更加致密，进一步增强了土体抵抗失水收缩产生的张拉作用的能力，抑制了干湿循环条件下弱膨胀土裂隙的发育。在干湿循环导致土体发生胀缩形变的过程中，土体会发生微观结构变形和宏观结构变形。一般情况下可以认为微观结构变形是可逆的，宏观结构变形的可逆与否与干湿循环的过程有关，很大程度上取决于干湿循环中裂隙的发育情况，不同的干湿循环路径会对膨胀土的膨胀特性产生很大的影响(Alonso，1998;唐朝生等，2011)。弱膨胀土中掺入适量木钙，可以降低黏土颗粒双电层厚度，减小了裂隙发育的空间，并且木钙的胶结作用使土体结构更加致密，两个方面共同作用有效抑制弱膨胀土裂隙的发育，降低了膨胀土干湿循环过程中宏观结构变形量，使土体的胀缩变形主要集中在可逆的微观变形部分，提高了膨胀土干湿循环过程中胀缩特性的稳定。5结论(1)木钙可以有效降低弱膨胀土的自由膨胀率，试验确定木钙的最佳掺量为 0.75%。养护时间越长，木钙对弱膨胀土膨胀性的改良效果越好，在养护时间为 14 d 时达到峰值。(2)在干湿循环条件下，弱膨胀土的胀缩形变量随干湿循环次数变化规律呈单峰特征，在第 3 次干湿循环时膨胀形变和收缩形变同时达到峰值，前3 次干湿循环胀缩变形近似直线单调递增，3 次干湿循环后保持稳定。(3)木钙可以有效降低干湿循环条件下弱膨胀土的胀缩形变量，且改良效果不受干湿循环次数的影响;木钙改良土胀缩形变随干湿循环变化曲线近似直线，没有单峰特征，表明木钙可以保持干湿循环中弱膨胀土胀缩特性的稳定。(4)木钙通过减小土体颗粒双电层厚度和胶结作用，抑制干湿循环过程中土体裂隙的发育，降低了493Journal of Engineering Geology工程地质学报2023土体宏观变形量，使弱膨胀土主要发生可逆的微观形变，从而保持干湿循环过程中弱膨胀土胀缩特性的稳定。参考文献Alonso E E 1998 Modelling expansive soil behaviour C/Proceedingsof 2nd International Conference On Unsaturated Soils，2:3770Du H W，Xie Y H，Zhang C 2010 Experimental study on medium andweak expansive soil in Nanyang area J ai