不同摻量風(fēng)化砂對(duì)宜昌市某公路膨脹土特性的影響研究

楊 俊，黎新春，張國(guó)棟，唐云偉，謝支鋼，郭道誼

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002;2.宜昌市虹源公路工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，湖北宜昌 443002;3.湖北省宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌 443002;4.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級(jí)公路改建項(xiàng)目部，湖北宜昌 443002)

1 前言

膨脹土是一種有著反復(fù)潛在性危害的不良土體，它對(duì)公路工程不利的主要性質(zhì)表現(xiàn)為遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、易產(chǎn)生路堤滑塌、失穩(wěn)、滑坡等嚴(yán)重事故，還會(huì)產(chǎn)生路面開裂、膨脹、松散、剝落等病害[1]，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前針對(duì)膨脹土改良方法的研究有很多，也取得了一系列的成果。概括起來(lái)講，膨脹土改良方法有3類，即物理改良、化學(xué)改良和生物改良。在工程實(shí)際中，運(yùn)用最多的還是化學(xué)改良方法，如摻石灰、水泥、粉煤灰等[2～6]。盡管在工程上運(yùn)用很廣泛，但這些化學(xué)改良方法卻有著許多的不足。例如，摻石灰改良膨脹土能夠明顯減小膨脹土的塑性，但是水穩(wěn)定性較差，施工周期較長(zhǎng)，施工的工序復(fù)雜，并且現(xiàn)場(chǎng)施工難以拌和控制，對(duì)環(huán)境污染比較大，同時(shí)對(duì)施工人員的健康也存在著威脅;摻水泥改良膨脹土凝結(jié)硬化快，施工時(shí)間緊迫，但干縮裂縫現(xiàn)象明顯，固化效果不好，現(xiàn)場(chǎng)施工拌和也難以控制;摻粉煤灰改良膨脹土能夠提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，降低液限，但是對(duì)脹縮性改良效果不明顯，且成本相對(duì)較高，現(xiàn)場(chǎng)難以拌和均勻。化學(xué)改良還有一個(gè)最致命的缺陷就是它的時(shí)效性較差，在大氣、溫度和水等綜合作用下，隨著時(shí)間的推移，會(huì)逐漸“失效”，從而導(dǎo)致膨脹土中的粘粒礦物質(zhì)“復(fù)活”，再次產(chǎn)生脹縮特性，致使公路路基被破壞。

筆者結(jié)合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路(以下簡(jiǎn)稱小鴉一級(jí)公路)改建工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，試圖找到一種能就地取材地對(duì)膨脹土實(shí)施物理改良的方法。小鴉一級(jí)公路沿線膨脹土分布廣，周圍沒(méi)有其他可換填的材料。但是當(dāng)?shù)仫L(fēng)化砂分布廣泛，根據(jù)實(shí)際情況，擬采用風(fēng)化砂對(duì)膨脹土進(jìn)行物理改良，利用風(fēng)化砂的摩擦阻力來(lái)抵消膨脹土的膨脹力，抑制膨脹土的膨脹，達(dá)到路基工程材料的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)能夠充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造價(jià)，還能起到保護(hù)環(huán)境的作用。再者，膨脹土與風(fēng)化砂拌和在施工現(xiàn)場(chǎng)控制相對(duì)比較容易。通過(guò)對(duì)不同摻砂量改良膨脹土的擊實(shí)性能及膨脹特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了摻砂改良膨脹土的可行性，得到了不同摻砂量對(duì)改良膨脹土的擊實(shí)性能和膨脹特性的影響程度。

2 宜昌市小鴉一級(jí)公路膨脹土及風(fēng)化砂特性

研究過(guò)程中，試驗(yàn)采用的膨脹土取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級(jí)公路K24+800～K25+400段，試驗(yàn)用風(fēng)化砂取自鴉鵲嶺K22+000～K23+000段。對(duì)膨脹土及風(fēng)化砂進(jìn)行外觀檢測(cè)可見:膨脹土土樣顏色為灰白色，有滑感，黏土質(zhì)較重，干燥土樣強(qiáng)度很高，含水率較大時(shí)，黏性很強(qiáng)，肉眼可看到少量的白色鈣質(zhì)結(jié)核;風(fēng)化砂顏色為土黃色，顆粒較細(xì)，砂粒的硬度較高且有一定的棱角。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取環(huán)刀試驗(yàn)、室內(nèi)顆分試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)等，可得出試驗(yàn)用膨脹土和風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，見表1和表2。

表1 小鴉一級(jí)公路膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The basic physical property indexes of Xiaoya highway expansive soil

表2 小鴉一級(jí)公路風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 The basic physical property indexes of Xiaoya highway weathered sand basic

從表1和表2可以看出，小鴉一級(jí)公路所在地的膨脹土天然含水率達(dá)到了29.43%，屬于高含水率土。液限 ωl為70.53%，大于 50%;塑限 ωp為24.09%;塑性指數(shù)Ip為46.44，大于17，故該膨脹土為高液限黏土。自由膨脹率δef為43%，大于40%小于60%，膨脹等級(jí)初步判定為弱膨脹土。風(fēng)化砂試樣中細(xì)粒徑的含量達(dá)到67.1%，大于50%;不均勻性系數(shù)為2.84，小于5;曲率系數(shù)為0.86，小于1，由此可知，該地區(qū)風(fēng)化砂為級(jí)配不良細(xì)砂。

試驗(yàn)將風(fēng)化砂按照不同的比例摻入到膨脹土中進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)摻砂質(zhì)量比例的不同，將混合試樣分別進(jìn)行編號(hào)，摻砂的質(zhì)量比例分別為0、10%、20%、30%、40%、50%，對(duì)應(yīng)的試樣編號(hào)依次為 1﹟、2﹟、3﹟、4﹟、5﹟、6﹟。

3 不同摻砂量對(duì)膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)影響

擊實(shí)試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40—2007)制備擊實(shí)土樣，土樣采用干法制備，擊實(shí)土樣不重復(fù)使用[7]。取一定量風(fēng)干的膨脹土和風(fēng)化砂，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比，配置不同比例的摻砂膨脹土樣。按照土工試驗(yàn)規(guī)程選用DJ－Q型電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，選用直徑15.2 cm的擊實(shí)桶，土樣分3層，每層98擊，單位體積的擊實(shí)功為2 677.2 kJ/m3。按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 51—2009)，每個(gè)土樣做2組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的2組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。不同摻砂量改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同摻砂量改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Compaction test results of modified expansive soil with different dosages of sand

試驗(yàn)結(jié)果表明如下幾點(diǎn)。

1)摻砂改變了膨脹土的擊實(shí)特性。

2)摻砂后，膨脹土的最佳含水率降低，且隨著摻砂量的增大，最佳含水率降低的程度先減小后增大，摻砂比例在0～30%變化時(shí)，最佳含水率變化的幅度約為25%，摻砂比例從30%增大到50%時(shí)，最佳含水率的減小幅度約為50%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于加入風(fēng)化砂之后，膨脹土的黏性越來(lái)越低，保水性也隨著降低，當(dāng)摻砂比例達(dá)到一定程度時(shí)，由于試驗(yàn)采用的風(fēng)化砂粒徑較細(xì)，故遇水以后，其水穩(wěn)定性較差。

3)孔隙率隨著摻砂量的增加而增大，因?yàn)榕蛎浲翆儆诟唣ば酝粒瑩饺肓捷^細(xì)的風(fēng)化砂之后，增大了土顆粒之間的摩擦力，減小了黏性，增大了孔隙率。由于試驗(yàn)采用的風(fēng)化砂以細(xì)粒含量為主，故摻砂量的增加并沒(méi)有對(duì)孔隙率產(chǎn)生太大的影響。

4)最大干密度隨著風(fēng)化砂的加入，先逐漸增大，且隨著風(fēng)化砂摻量的增加，最大干密度增大的幅度也隨著加大，當(dāng)摻砂量達(dá)到20%時(shí)，其最大干密度達(dá)到最大值，繼續(xù)摻入風(fēng)化砂后，其干密度開始逐漸減小，且減小的幅度逐漸降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是摻入不同含量的風(fēng)化砂，膨脹土的孔隙率、重度和最佳含水率均發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致最大干密度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

綜上試驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，摻入20%的風(fēng)化砂對(duì)改良后的水穩(wěn)定性和最大干密度均有最好的效果。

4 不同摻砂量對(duì)膨脹性指標(biāo)的影響試驗(yàn)

4.1 不同摻砂量對(duì)膨脹土的自由膨脹率影響試驗(yàn)

自由膨脹率是指松散的烘干土粒在水和空氣中分別自由堆積的體積之差與空氣中自由堆積的體積之比，它反映了膨脹土的膨脹潛勢(shì)的高低，同時(shí)也是反映膨脹土膨脹性質(zhì)的最直觀的指標(biāo)，常作為膨脹土判別和分類的指標(biāo)。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40—2007)，先將風(fēng)干碾細(xì)的膨脹土土樣和風(fēng)化砂分別過(guò)孔徑為0.5 mm的篩，然后在105～110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷卻后按照設(shè)計(jì)的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣，用標(biāo)準(zhǔn)量土杯取10 mL土樣進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。每個(gè)土樣做4組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的4組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。不同摻砂量改良膨脹土的自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同摻砂量對(duì)自由膨脹率指標(biāo)的影響Table 4 The impact on the free expansion rate index with different dosages of sand

從表4中能夠看出如下幾點(diǎn)。

1)摻風(fēng)化砂后膨脹土的自由膨脹率較未摻砂的要顯著降低，說(shuō)明摻砂對(duì)于抑制弱膨脹土的膨脹性起到了一定的作用。這是因?yàn)閾饺腼L(fēng)化砂后，一方面膨脹土的總量減少導(dǎo)致膨脹量有所降低，另一方面，由于砂粒之間的摩阻力作用，抵消了一部分膨脹能量。

2)隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率逐漸降低，從純膨脹土到摻砂50%，膨脹土的自由膨脹率從43.5%下降到17.0%。從理論上講，如果風(fēng)化砂無(wú)法抑制膨脹，那么摻風(fēng)化砂量為50%時(shí)，自由膨脹率也應(yīng)減半至21%，但試驗(yàn)結(jié)果顯示，自由膨脹率的減少量并非與風(fēng)化砂摻量增加成直線比例變化，這進(jìn)一步驗(yàn)證了摻風(fēng)化砂能有效抑制膨脹土的自由膨脹。

3)隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率降低的幅度逐漸減小。這是因?yàn)榕蛎浲僚c風(fēng)化砂拌和后，當(dāng)風(fēng)化砂含量比較少時(shí)，膨脹土顆粒將風(fēng)化砂顆粒包裹著，膨脹的時(shí)候，風(fēng)化砂能充分發(fā)揮作用，吸收膨脹能量;當(dāng)風(fēng)化砂摻量增大到40%以后，由于風(fēng)化砂含量過(guò)大，一部分風(fēng)化砂互相嵌擠并沒(méi)有完全被利用，故在宏觀上表現(xiàn)為自由膨脹率降低幅度減緩。當(dāng)摻砂比例從0增大到10%的時(shí)候，自由膨脹率降低幅度最大，此時(shí)的摻砂效果是最好的。

4.2 不同摻砂量對(duì)膨脹土無(wú)荷膨脹率影響試驗(yàn)

無(wú)荷膨脹率是指試樣在無(wú)荷載有側(cè)限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，常作為評(píng)價(jià)黏性土膨脹潛勢(shì)的參考指標(biāo)。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40—2007)，將風(fēng)干碾細(xì)的膨脹土土樣和風(fēng)化砂分別過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，在105～110℃下烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻后按照設(shè)計(jì)的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態(tài)下的摻砂土樣，然后燜料制樣，無(wú)荷膨脹率試樣直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用WZ－2型膨脹儀進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)土樣做2組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的2組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，不同摻砂量對(duì)膨脹土的無(wú)荷膨脹率影響的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5試驗(yàn)結(jié)果中可以看出如下幾點(diǎn)。

1)在有側(cè)限無(wú)荷載的條件下，隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無(wú)荷膨脹率逐漸減小，摻砂之后，無(wú)荷膨脹率從9.39%減小到6.83%。

表5 不同摻砂量對(duì)無(wú)荷膨脹率指標(biāo)的影響Table 5 The impact on the free load expansion rate index with different dosages of sand

2)摻砂膨脹土的無(wú)荷膨脹率比未摻砂前低，但是摻砂之后無(wú)荷膨脹率減少量并不是很明顯，說(shuō)明摻砂對(duì)膨脹土的無(wú)荷載膨脹率的影響較小。

3)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無(wú)荷膨脹率減小的趨勢(shì)平緩。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)荷膨脹率與摻砂比例之間呈線性關(guān)系，關(guān)系式為

式中，φ為摻砂量;δe為無(wú)荷膨脹率。

通過(guò)計(jì)算，無(wú)荷膨脹率與摻砂比例之間的相關(guān)系數(shù)為0.994 5，這表明摻砂對(duì)膨脹土的無(wú)荷膨脹率基本上影響不大。

4.3 不同摻砂量對(duì)膨脹土有荷膨脹率影響試驗(yàn)

有荷膨脹率指土樣在有荷載、有側(cè)限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，一般用來(lái)模擬覆蓋壓力或者某一特定荷載下土的膨脹率，研究荷載與膨脹率之間的關(guān)系。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40—2007)，將風(fēng)干碾細(xì)的膨脹土土樣和風(fēng)化砂分別過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，在105～110℃下烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻后按照設(shè)計(jì)的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態(tài)下的摻砂土樣，然后燜料制樣，無(wú)荷膨脹率試樣直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用雙聯(lián)固結(jié)儀進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)工程的需要，測(cè)試25 kPa和50 kPa下的膨脹率。每個(gè)土樣做2組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的2組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。不同摻砂量對(duì)膨脹土的有荷膨脹率影響的試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6的試驗(yàn)結(jié)果能夠看出如下幾點(diǎn)。

1)摻砂膨脹土的有荷膨脹率比未摻砂前明顯降低;摻砂前，25 kPa的膨脹率為2.34%，摻砂50%后變?yōu)?.56%;摻砂前，50 kPa的膨脹率為1.69%，摻砂50%后變?yōu)?.09%。

表6 不同摻砂量對(duì)有荷膨脹率指標(biāo)的影響Table 6 The impact on the loaded expansion rate index with different dosages of sand

2)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的有荷膨脹率減小量逐漸減少。當(dāng)摻砂量為10%時(shí)，25 kPa的膨脹率較未摻砂的膨脹率減小了0.36%;當(dāng)摻砂量為20%時(shí)，25 kPa的膨脹率較摻砂量10%的膨脹率減小了0.31%;當(dāng)摻砂量分別為30%和40%時(shí)，25 kPa的膨脹率較前一級(jí)減小量分別為0.12%和0.08%。由此可見，如果從25 kPa作用下的有荷膨脹率來(lái)評(píng)價(jià)改良效果，摻砂量為20%時(shí)效果最好。

3)隨著摻砂比例的增大，50 kPa的膨脹率的變化呈現(xiàn)周期性衰減，摻砂量為10%時(shí)，50 kPa的膨脹率較未摻砂減少了0.33%;摻砂量為20%時(shí)，50 kPa的膨脹率較摻砂10%減少了0.5%;摻砂量為30%時(shí)，50 kPa的膨脹率較摻砂20%減少了0.17%;摻砂量為40%時(shí)，50 kPa的膨脹率較摻砂30%減少了0.57%;摻砂量為50%時(shí)，50 kPa的膨脹率較摻砂40%減少了0.03%。由此可見，如果從50 kPa作用下的有荷膨脹率來(lái)評(píng)價(jià)改良效果，也是摻砂量為20%時(shí)效果最好。

4)通過(guò)對(duì)相同摻砂量不同荷載下有荷膨脹率的比較，荷載越大，土樣的膨脹率越小，說(shuō)明增加荷載能抑制膨脹土的膨脹。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)橥夂奢d能抵消膨脹土的膨脹力，外荷載越大，抵消的膨脹力就越多。

4.4 不同摻砂量對(duì)膨脹土的膨脹力影響試驗(yàn)

膨脹力是指在不允許側(cè)向變形的情況下，保持土體充分吸水而不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值[8～10]，是評(píng)定膨脹土膨脹潛勢(shì)的重要指標(biāo)。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40—2007)，將風(fēng)干碾細(xì)的膨脹土土樣和風(fēng)化砂分別過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，在105～110℃下烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻后按照設(shè)計(jì)的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態(tài)下的摻砂土樣，然后燜料制樣，膨脹力試樣直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用平衡加壓法進(jìn)行測(cè)試。每組土樣做4組平行試驗(yàn)，取平行差值滿足精度要求的4組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。不同摻砂量對(duì)膨脹土的膨脹力影響的試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同摻砂量對(duì)膨脹力指標(biāo)的影響Table 7 The impact on the expansion force index with different dosages of sand

從表7中可以看出如下幾點(diǎn)。

1)摻風(fēng)化砂膨脹土的膨脹力比未摻砂前有顯著的降低，說(shuō)明摻風(fēng)化砂對(duì)于抵消膨脹力，抑制膨脹土的膨脹起到了較好的效果。

2)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力逐漸減小。摻砂前，土樣的膨脹力為72.54 kPa;摻砂量為50%時(shí)，土樣的膨脹力為11.23 kPa。

3)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力減小的幅度逐漸變緩慢。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻砂比例從0增大到10%的時(shí)候，此時(shí)膨脹力減小的幅度是最大的，摻砂的效果最好。

5 結(jié)語(yǔ)

1)研究表明，摻風(fēng)化砂對(duì)抑制膨脹土的膨脹是有效的，不同的摻砂量對(duì)改良膨脹土的膨脹指標(biāo)有明顯的影響。

2)通過(guò)研究及其比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，可知摻風(fēng)化砂改良膨脹土的方法可行，經(jīng)過(guò)風(fēng)化砂改良的膨脹土的膨脹率可以達(dá)到路基填料膨脹指標(biāo)的要求。

3)摻風(fēng)化砂降低了膨脹土的最佳含水率，提高了膨脹土的最大干密度，減小了膨脹土的空隙率，表明摻砂改變了膨脹土的含水特性和密實(shí)特性。

4)試驗(yàn)研究表明，摻風(fēng)化砂降低了膨脹土的最佳含水率，摻砂40%時(shí)，最佳含水率減小得最為顯著;摻砂增大了膨脹土的最大干密度，摻砂20%時(shí)，最大干密度增大得最為明顯。

5)摻砂對(duì)膨脹性指標(biāo)影響較大，摻砂10%時(shí)，自由膨脹率、無(wú)荷膨脹率和膨脹力降低最顯著;摻砂20%時(shí)，有荷膨脹率減小最明顯。

6)本文只是針對(duì)該地方的土性而進(jìn)行的試驗(yàn)，把結(jié)果應(yīng)用于其他地方時(shí)，應(yīng)注意修正，并具體地方具體試驗(yàn)。綜合考慮抑制膨脹性、水穩(wěn)定等方面因素，確定摻砂20%對(duì)改良小鴉一級(jí)公路膨脹土有最好的效果。

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