風化砂改良膨脹土膨脹特性試驗研究

楊俊，黎新春，張國棟，唐云偉，梁勇

（1.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市交通運輸局，湖北宜昌 443002; 3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級公路改建項目部，湖北宜昌 443002）

風化砂改良膨脹土膨脹特性試驗研究

楊俊1，黎新春1，張國棟1，唐云偉2，梁勇3

（1.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市交通運輸局，湖北宜昌 443002; 3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級公路改建項目部，湖北宜昌 443002）

結合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建工程及風化砂改良膨脹土路基施工項目，對膨脹土摻入不同比例的風化砂配制試件，進行自由膨脹率、無荷膨脹率、25 kPa和50 kPa有荷膨脹率以及膨脹力的試驗研究，得到了不同摻砂比例下膨脹土的膨脹率和膨脹力指標。研究發(fā)現(xiàn):摻砂對抑制膨脹土的膨脹是有效的，經(jīng)過風化砂改良的膨脹土的自由膨脹率小于35%，達到了路基施工規(guī)范的要求。不同的摻砂量對改良膨脹土的膨脹指標有著顯著的影響:當摻砂比例為10%時，自由膨脹率、膨脹力降低最為顯著;當摻砂比例為40%～50%時，25 kPa有荷膨脹率的變化最為明顯;摻砂比例為30%～40%，50 kPa有荷膨脹率變化的幅度最大;摻砂比例為40%時，荷載的增加對抑制膨脹性效果最明顯;摻砂比例對無荷膨脹率影響很小，基本呈平緩線性變化。通過對摻砂效果的綜合比較，摻砂10%能最快最經(jīng)濟抑制膨脹。

膨脹土;風化砂;自由膨脹率;無荷膨脹率;有荷膨脹率;膨脹力

1 研究背景

膨脹土是一種具有顯著脹縮性的塑性黏土，其黏粒成分主要由強親水性礦物蒙脫石與伊利石組成。膨脹土對公路工程不利的主要性質(zhì)表現(xiàn)為遇水膨脹、強度驟減、失水干縮、堅硬而又常有收縮裂隙，易產(chǎn)生路堤滑塌、失穩(wěn)、滑坡等嚴重事故，還會產(chǎn)生路面開裂、膨脹、松散、剝落等病害［1］。從已建和在建的高速公路情況看，膨脹土地區(qū)高速公路往往經(jīng)過多年運行，其路基仍不穩(wěn)定，路基沉陷和路堤邊坡坍滑時有發(fā)生，水泥混凝土板斷裂、甚至產(chǎn)生較大的錯臺等病害，造成巨大的經(jīng)濟損失。

膨脹土改良方法有物理改良、化學改良和生物改良方法，目前最常用的就是化學改良方法，如摻石灰、水泥、粉煤灰等［2-6］。摻石灰改良膨脹土能夠明顯地減小膨脹土的塑性，但是水穩(wěn)定性較差，施工周期較長，施工的工序復雜，并且現(xiàn)場施工難以控制，對環(huán)境污染比較大，同時對施工工作人員的健康也存在著威脅;摻水泥改良膨脹土凝結硬化快，施工時間緊迫，干縮裂縫現(xiàn)象明顯，固化效果不好，現(xiàn)場施工難以控制;摻粉煤灰改良膨脹土能夠提高膨脹土的抗剪強度，降低液限，但是對脹縮性改良效果不明顯，且成本相對較高，現(xiàn)場施工難以控制。由于砂粒有一定的硬度和粒徑，摻入土中拌合難度要明顯小于摻石灰、水泥、粉煤灰等細料，且已在各省公路上有過應用［7］。小溪塔至鴉鵲嶺一級公路沿線膨脹土分布廣，周圍沒有其它可換填的材料。但是當?shù)仫L化分布較廣，根據(jù)實際情況，采用風化砂對膨脹土進行物理改良，利用砂的摩阻力來抵消膨脹土的膨脹力，抑制膨脹土的膨脹，達到路基工程材料的標準，同時能夠充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造價，還能起到保護環(huán)境的作用。本文通過對不同比例的摻砂膨脹土的膨脹特性進行室內(nèi)試驗研究，驗證了摻砂改良膨脹土的可行性，同時得到了不同的摻砂量對改良膨脹土膨脹特性的影響。

2 試驗土樣

試驗采用的膨脹土取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)小溪塔至鴉鵲嶺一級公路K24+000至K26+000段，試驗采用的風化砂取自鴉鵲嶺K22+000至K23+ 000段。膨脹土土樣顏色為灰色，有滑感，黏土質(zhì)較重，肉眼可看到少量的白色鈣質(zhì)結核;風化砂顏色為土黃色，顆粒較細。試驗采用的膨脹土和風化砂的基本性質(zhì)指標見表1、表2。

表1 膨脹土基本性質(zhì)指標Table 1Basic properties of expansive soil for the test

表2 風化砂基本性質(zhì)指標Table 2Basic properties of weathered sand for the test

由表1、表2可知該膨脹土天然含水率較高，液限WL=70.53%（＞50%），塑限WL=24.09%，塑性指數(shù)Ip=46.44%（＞17%），該膨脹土為高液限黏土;自由膨脹率為δef=43%（40%＜δef＜60%），膨脹等級初步判定為弱膨脹土。風化砂土樣中粒徑＞0.075 mm的含量達73.42%（＞50%），且不均勻性系數(shù)2.84（＜5），曲率系數(shù)0.86（＜1），為級配不良細砂。

將風化砂按照不同的比例摻入到膨脹土中進行對比試驗研究，不摻砂的膨脹土稱為純膨脹土，摻入風化砂之后的膨脹土稱為摻砂膨脹土。本試驗摻砂比例（質(zhì)量比）采用6種情況:①m砂∶m土=0∶100;②m砂∶m土=10∶90;③m砂∶m土=20∶80;④m砂∶m土= 30∶70;⑤m砂∶m土=40∶60;⑥m砂∶m土=50∶50;對應的試樣編號為1﹟，2﹟，3﹟，4﹟，5﹟，6﹟。膨脹土的摻砂效果通過摻砂前后膨脹土的指標之差與純膨脹土的指標之比來進行衡量（計為R），增大為正，減小為負。

3 摻砂膨脹土的擊實試驗

取一定量風干的膨脹土和砂土樣，按照試驗設計的配合比，配置不同比例的摻砂膨脹土樣，并按照《公路土工試驗規(guī)程JTG E 40—2007》制備擊實土樣，土樣采用干法制備，擊實土樣不重復使用［7］。選用DJ-Q型電動擊實儀進行重型擊實試驗，選用直徑15.2 cm的擊實桶，土樣分3層，每層98擊，單位體積的擊實功為2 677.2 kJ/m3。參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程JTG E 51—2009》，每個土樣做2組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的2組結果的平均值作為最終試驗結果。摻砂膨脹土的擊實試驗結果見表3，摻砂膨脹土的擊實曲線見圖1。最大干密度與摻砂比例之間的關系見圖2。最佳含水量與摻砂比例之間的關系見圖3。

試驗結果表明:摻砂改變了膨脹土的擊實特性。摻砂后，膨脹土的最佳含水率降低、最大干密度增大、孔隙率減小;隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的最佳含水率逐漸降低;最大干密度先增大后減小;孔隙率先減小后增大。隨著摻砂比例的增大，最佳含水率降低的趨勢逐漸加快，摻砂比例為40%時，最佳含水率下降最快;最大干密度變化的趨勢先增大后逐漸變緩，摻砂20%的時候，最大干密度增大的趨勢最明顯，此時摻砂的效果是最好的。

表3 摻砂膨脹土的擊實試驗結果Table 3Results of compaction test on the expansive soil mixed with weathered sand

圖1 摻砂膨脹土的擊實曲線Fig.1Curves of compaction of the expansive soils mixed with weathered sand

圖2 最大干密度與摻砂比例曲線Fig.2Curve of maximum dry density vs.weathered sand proportion

圖3 最佳含水率與摻砂比例曲線Fig.3Curve of optimum water content vs.weathered sand proportion

圖4 重型擊實試樣Fig.4Photo of the specimen for heavy compaction test

4 摻砂膨脹土的自由膨脹率試驗

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的高低，同時也是反映膨脹土膨脹性質(zhì)的最直觀的指標，常作為膨脹土判別和分類的指標。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程JTG E 40—2007》，先將風干碾細的膨脹土土樣和風化砂分別過0.5 mm篩，然后在105～110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷卻后按照設計的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣，用標準量土杯取10 mL土樣進行自由膨脹率試驗。每個土樣做4組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的4組結果平均值作為最終試驗結果。摻砂膨脹土的自由膨脹率試驗結果見表4。

表4 摻砂膨脹土的自由膨脹率指標Table 4Indicators of the free swelling ratio of expansive soil samples mixed with weathered sand

摻砂土樣的自由膨脹率與摻砂比例之間的關系見圖5。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關系見圖6。

圖5 自由膨脹率與摻砂比例曲線Fig.5Curve of free swelling ratio vs.weathered sand proportion

圖6 自由膨脹率的摻砂效果與摻砂比例曲線Fig.6Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of free swelling ratio

圖7 自由膨脹率試驗Fig.7Photo of the test of free swelling ratio

通過表4、圖5和圖6能夠看出:摻砂膨脹土的自由膨脹率比未摻砂前有顯著的降低，說明摻砂對于抑制弱膨脹土的膨脹起到了一定的作用。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%;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;在摻砂比例從0增大到10%的時候，自由膨脹率降低幅度最大，此時的摻砂效果是最好的。

5 摻砂膨脹土的無荷膨脹率試驗

無荷膨脹率是指試樣在無荷載有側限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，常作為評價黏性土膨脹潛勢的參考指標。不同比例摻砂土樣的制備過程與自由膨脹率試驗相同。根據(jù)重型擊實試驗得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態(tài)下的摻砂土樣，然后燜料制樣，無荷膨脹率試樣直徑61.8 mm、高20 mm，采用WZ-2型膨脹儀進行測試。每個土樣做2組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的2組結果的平均值作為最終試驗結果，摻砂膨脹土的無荷膨脹率試驗結果見表5。

表5 摻砂膨脹土的無荷膨脹率指標Table 5Indicators of non-loaded swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand

摻砂土樣的無荷膨脹率與摻砂比例之間的關系見圖8。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關系見圖9。

圖8 無荷膨脹率與摻砂比例關系Fig.8 Curve of non-loaded swelling ratio vs. weathered sand proportion

試驗結果表明:在有側限無荷載的條件下，隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無荷膨脹率逐漸減小;摻砂之后，無荷膨脹率從9.39%減小到6.83%。摻砂膨脹土的膨脹率比未摻砂前低，但是摻砂之后無荷膨脹率減少的量不是很明顯，說明摻砂對膨脹土的無荷載膨脹率的影響較小。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無荷膨脹率減小的趨勢平緩。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，無荷膨脹率與摻砂比例之間呈線性關系，關系式為y=-0.049 4x+9.32，相關系數(shù)為0.994 5。摻砂效果與摻砂比例之間也呈線性關系，隨著摻砂量的改變，無荷膨脹量變化的趨勢平緩。表明，摻砂對膨脹土的無荷膨脹率基本上影響不大。

圖9 無荷膨脹率的摻砂效果與摻砂比例關系Fig.9Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of non-loaded swelling ratio

圖10 無荷膨脹率試驗Fig.10Photo of the test of non-loaded swelling ratio

6 摻砂膨脹土的有荷膨脹率試驗

有荷膨脹率指土樣在有荷載有側限的條件下，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系。試樣的制備過程與無荷膨脹率試驗相同;采用雙聯(lián)固結儀進行測試。根據(jù)工程的需要，測試25 kPa和50 kPa下的膨脹率。每個土樣做2組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的2組結果的平均值作為最終試驗結果。摻砂膨脹土的有荷膨脹試驗結果見表6。

摻砂土樣的有荷膨脹率與摻砂比例之間的關系見圖11。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關系見圖12。

通過表6、圖11和圖12能夠看出: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%，50 kPa的膨脹率為1.69%;摻砂50%時，25 kPa的膨脹率為0.56%，50 kPa的膨脹率為0.09%。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的有荷膨脹率逐漸減小。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的有荷膨脹率減小的幅度逐漸增大。通過試驗對比發(fā)現(xiàn):在25 kPa荷載下，摻砂比例為40%時，此時有荷膨脹率變化速率最快;在50 kPa荷載下，摻砂比例為30%時，此時的有荷載膨脹率變化最快;當摻砂量大于40%時，摻砂比例基本上對無荷膨脹率沒有影響。通過對相同摻砂量不同荷載下有荷膨脹率的比較還可看出，荷載越大，土樣的膨脹率越小，說明荷載能抑制膨脹土的膨脹，當摻砂40%的時候，荷載的增大對膨脹率的影響是最大的。

表6 摻砂膨脹土的有荷膨脹率指標Table 6Indicators of the loaded swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand

圖11 有荷膨脹率與摻砂比例關系Fig.11Curves of loaded swelling ratio vs. weathered sand proportion

圖12 有荷膨脹率的摻砂效果與摻砂比例關系Fig.12Curves of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of loaded swelling ratio

圖13 有荷膨脹率試驗Fig.13Photo of the test of loaded swelling ratio

7 摻砂膨脹土的膨脹力試驗

膨脹力是指在不允許側向變形的情況下，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［8-11］，是評定膨脹土膨脹潛勢的重要指標。試樣的制備過程與無荷膨脹率試驗相同，采用平衡加壓法進行測試。每組土樣做4組平行試驗，取平行差值滿足精度要求的4組結果的平均值作為最終試驗結果，摻砂膨脹土的膨脹力試驗結果見表7。摻砂土樣膨脹力與摻砂比例之間的關系見圖14。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關系見圖15。

表7 摻砂膨脹土的膨脹力指標Table 7Indicators of expansion force of the expansive soil mixed with weathered sand

圖14 膨脹力與摻砂比例關系Fig.14Curve of expansion force vs. weathered sand proportion

圖15 膨脹力的摻砂效果與摻砂比例關系Fig.15Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of expansion force

圖16 膨脹力試驗Fig.16Photo of the test of expansion force

通過表7、圖14和圖15能夠看出:摻砂膨脹土的膨脹力比未摻砂前有顯著的降低，說明摻砂對于抑制膨脹土的膨脹起到了一定的效果。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50%時，土樣的膨脹力為11.23 kPa。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。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，當摻砂比例從0增大到10%的時候，此時膨脹力減小的幅度是最大的，此時摻砂的效果是最好的。

8 結論

（1）通過對不同比例摻砂膨脹土的重型擊實和膨脹率指標的對比試驗結果可知，摻風化砂改良膨脹土的方法是可行的。通過對摻砂膨脹土的膨脹指標進行研究可以得出:經(jīng)過風化砂改良的膨脹土的自由膨脹率小于35%，達到了路基施工規(guī)范對路基填料膨脹指標的要求。

（2）摻風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特性。

（3）摻砂降低了膨脹土的最佳含水率，摻砂40%時，最佳含水率減小最為顯著;摻砂增大了膨脹土的最大干密度，摻砂20%時，最大干密度增大最為明顯。

（4）摻砂對膨脹性指標影響較大。摻砂比例為10%時，自由膨脹率、膨脹力降低最為顯著;摻砂比例為40%～50%時，25 kPa有荷膨脹率變化最為明顯;摻砂比例為30%～40%時，50 kPa有荷膨脹率變化幅度最大;摻砂比例為40%時，荷載的增加對抑制膨脹性效果最明顯;摻砂比例對無荷膨脹率影響很小，基本呈平緩線性變化。綜上所述，摻砂10%能最快最經(jīng)濟抑制膨脹。

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（編輯:周曉雁）

Expansive Properties of Expansive Soil Improved by Mixing Weathered Sand

YANG Jun1，LI Xin-chun1，ZHANG Guo-dong1，TANG Yun-wei2，LIANG Yong3
（1.College of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang443002，China; 2.Transport Bureau of Yichang City，Yichang443002，China;3.Project Department of Xiaoya First-Class Highway in Yiling District，Yichang443002，China）

This research is carried out to improve the expansive soil subgrade of the first-class highway from Xiaoxita to Yaqueling in Yichang city.Different amounts of weathered sand were mixed in expansive soil samples to investigate the expansive soil’s free swelling ratio，unloaded swelling ratio，loaded swelling ratio（25kPa and 50kPa）and expansion force.Through heavy compaction test and comparison of swelling rates，it’s found that adding weathered sand changes the water content and compaction of expansive soil，and hence restrains the expansion.The free swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand is less than 35%，which meets the requirement of subgrade construction.Different ratio of mixed sand to soil has different effect on the expansion:when the mix ratio is 10%，the free swelling ratio and expansion force decrease most remarkably;when the ratio is 40%-50%，the swelling rate under 25kPa loading changes most evidently;when the ratio is 30%-40%，the swelling rate under 50kPa changes by a biggest margin;when the ratio is 40%，the increase of load can well control the expansion. The amount of weathered sand has slight influence on unloaded swelling ratio.It’s concluded that the expansion of expansive soil mixed with 10%weathered sand could be restrained most rapidly and economically.

expansive soil;weathered sand;free swelling ratio;non-loaded swelling ratio;loaded swelling ratio; expansion force

TU443

A

1001-5485（2013）04-0067-06

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.015

2013，30（04）:67-72

2012-04-09;

2012-05-20

楊?。?976-），男，湖北武漢人，副教授，博士，從事道路與鐵路工程測試及基礎處理方面的研究，（電話）15971646394（電子信箱） wangjing750301@163.com。