初始含水率對風(fēng)化砂改良膨脹土有荷膨脹率影響研究

楊 俊，劉世宜，張國棟，唐 云 偉，謝 支 鋼

（1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北 宜昌 443000；4.小鴉一級公路改建工程項(xiàng)目部，湖北 宜昌 443100）

0 引 言

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種工程性質(zhì)極差的特殊黏土，在我國分布十分廣泛，主要由強(qiáng)親水性礦物伊利石和蒙脫石組成，具有多裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)度衰減性以及顯著的脹縮特性，被譽(yù)為“工程中的癌癥”.膨脹土對路基的危害主要體現(xiàn)在其強(qiáng)烈脹縮特性上：吸水時(shí)路基發(fā)生膨脹，體積增大，造成路面的隆起開裂；失水時(shí)，體積收縮的同時(shí)產(chǎn)生干縮裂縫，嚴(yán)重影響了路基及路面的整體穩(wěn)定性.膨脹土的特殊組成，導(dǎo)致其膨脹特性對初始含水率的變化尤為敏感，隨著初始含水率的變化，膨脹特性往往會(huì)發(fā)生較大的改變.關(guān)于膨脹土的膨脹變形隨初始含水率的變化規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究.章李堅(jiān)等［1］通過對不同初始含水率下成都龍?zhí)端屡蛎浲撩浛s特性的研究，發(fā)現(xiàn)隨著初始含水率的增加，試樣膨脹率呈非線性降低，當(dāng)初始含水率達(dá)到其脹限，膨脹率降低幅度明顯減小.代啟亮等［2］研究了初始含水率對擾動(dòng)土膨脹率的影響，發(fā)現(xiàn)有荷膨脹率及無荷膨脹率均隨著初始含水率的增大而呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)減小且初始含水率越小，試樣膨脹穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間越短.Lin等［3］發(fā)現(xiàn)膨脹土的有荷膨脹率與上覆荷載之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系.通過這些研究可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究只是針對原狀土，對于改良膨脹土在不同初始含水率下的膨脹特性研究得較少.現(xiàn)行的路基規(guī)范明確規(guī)定，不得將膨脹土直接用作路基填料，只有進(jìn)行改良處理才能使用［4］.在膨脹土眾多膨脹指標(biāo)之中，有荷膨脹率是最具有工程指導(dǎo)意義的一項(xiàng)，表征在一定的上覆荷載及側(cè)限條件下，膨脹土吸水膨脹的強(qiáng)弱，能夠較為真實(shí)地模擬路基實(shí)際受荷狀態(tài).因此研究不同初始含水率下改良膨脹土的有荷膨脹率具有十分重大的工程實(shí)際意義.

目前對膨脹土的處理多使用化學(xué)改良方法，例如在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等化學(xué)材料［5］.事實(shí)證明，化學(xué)改良后，膨脹土的膨脹特性有了顯著的改善，效果較好.但是化學(xué)改良也有著諸多不足，例如化學(xué)改良一般都具有時(shí)效性，隨著使用年限的增長，改良效果會(huì)逐漸降低，同時(shí)化學(xué)改良的工程投入費(fèi)用也比較巨大［6－10］.針對化學(xué)改良方法的不足，本文采用摻風(fēng)化砂這一物理手段對膨脹土進(jìn)行改良處理，降低膨脹土的膨脹特性，著重探討風(fēng)化砂摻量及不同的初始含水率對改良膨脹土有荷膨脹率的影響規(guī)律，為采用風(fēng)化砂來改良膨脹土提供室內(nèi)試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)原材料

1.1 試驗(yàn)用膨脹土

本次試驗(yàn)取用的膨脹土來自湖北省宜昌市小鴉一級公路改建工程的K25＋000 點(diǎn)附近取土坑，顏色以灰白色為主，夾雜灰綠色土團(tuán)粒.天然狀態(tài)下，含水量較高，黏性較大；干燥狀態(tài)時(shí)，裂隙廣泛發(fā)育.各項(xiàng)基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The basic physical property index of expansive soil

1.2 試驗(yàn)用風(fēng)化砂

本試驗(yàn)所采用的風(fēng)化砂（湖北省宜昌市小鴉一級公路改建工程K22＋000 點(diǎn)附近深度2～3 m），為淺黃色細(xì)砂，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)及顆粒級配曲線分別見表2和圖1.

表2 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 The basic physical property index of weathered sand

圖1 風(fēng)化砂顆粒級配曲線Fig.1 The grading curve of weathered sand particle

通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，0.500～0.075mm 的風(fēng)化砂含量達(dá)到了88.5%，不均勻系數(shù)2.84＜5，級配不良.

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）的有關(guān)規(guī)定步驟來進(jìn)行，重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)采用干土法，測定有荷膨脹率時(shí)采用雙聯(lián)固結(jié)儀進(jìn)行.文中風(fēng)化砂的摻量指的是風(fēng)化砂的質(zhì)量占膨脹土與風(fēng)化砂總質(zhì)量的百分比.本次試驗(yàn)將風(fēng)化砂按質(zhì)量比由0以10%的間隔增加到50%.按照規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，依照室內(nèi)重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得出最佳含水率，依次進(jìn)行不同摻砂比例下的各個(gè)膨脹性指標(biāo)試驗(yàn)，探討風(fēng)化砂摻量對改良膨脹土膨脹性指標(biāo)的影響.在進(jìn)行不同初始含水率下改良膨脹土的有荷膨脹率試驗(yàn)研究時(shí)，不同比例風(fēng)化砂改良膨脹土的混合料的初始含水率依次按照8%、10%、12%、14%、16%來 配 料［11－13］.試 驗(yàn)開始之前，將風(fēng)干的膨脹土與風(fēng)化砂分別碾碎過2mm 標(biāo)準(zhǔn)篩，按照預(yù)定的風(fēng)化砂摻入比例和上述初始含水率進(jìn)行試樣制作，在塑料袋中密封24 h后，采用千斤頂進(jìn)行靜壓制作試樣.制樣完畢后將樣品置于雙聯(lián)固結(jié)儀中，結(jié)合規(guī)范要求以及實(shí)際工程總路基土所受的上覆荷載，按照規(guī)范要求分別施加25.0kPa和50.0kPa上覆荷載，分析初始含水率對有荷膨脹率的影響規(guī)律.然后進(jìn)行37.5kPa和75.0kPa下的有荷膨脹率試驗(yàn)，對所得規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證.試驗(yàn)時(shí)待試樣每h變形不超過0.01mm 時(shí)，向容器中注入蒸餾水，并始終保持水面超過土頂面約5mm，浸水后每隔2h測記百分表讀數(shù)一次，直至兩次差值不超過0.01mm 為止.本試驗(yàn)分兩組進(jìn)行平行試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，取合格的數(shù)據(jù)，計(jì)算其算術(shù)平均值，以此作為試驗(yàn)的最終結(jié)果.

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)化砂改良膨脹土標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)及膨脹率試驗(yàn)

參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）中的要求，進(jìn)行不同風(fēng)化砂摻量下的重型擊實(shí)、自由膨脹率、無荷膨脹率、有荷膨脹率及膨脹力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 風(fēng)化砂改良膨脹土擊實(shí)指標(biāo)及膨脹指標(biāo)Tab.3 The compaction index and inflation index of weathered sand improved expansive soil

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出：未經(jīng)改良的膨脹土各項(xiàng)膨脹指標(biāo)均較大，超過了規(guī)范中對路基填料的要求［14］.摻風(fēng)化砂改良后膨脹指標(biāo)均顯著降低，這說明摻風(fēng)化砂可以有效抑制膨脹土的膨脹，且效果較好.其中風(fēng)化砂摻量由0 增長至10%時(shí)，自由膨脹率、無荷膨脹率及膨脹力降低幅度最大；繼續(xù)加大風(fēng)化砂的摻入比例，所有膨脹性參數(shù)的減小幅值均逐漸下降.膨脹土中摻入風(fēng)化砂進(jìn)行改良后，膨脹土擊實(shí)指標(biāo)有較大的變化，其中最佳含水率隨著風(fēng)化砂摻量的增加而逐漸減小，且降低幅度較為明顯，這是由于摻入風(fēng)化砂后，土體內(nèi)部孔隙增加導(dǎo)致保水性降低所致.

3.2 初始含水率對風(fēng)化砂改良膨脹土有荷膨脹率影響

依據(jù)試驗(yàn)得出的風(fēng)化砂摻量及初始含水率制樣后，將試件置于雙聯(lián)固結(jié)儀中，進(jìn)行上覆荷載25.0kPa和50.0kPa下的有荷膨脹率試驗(yàn)，通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究，得到了不同初始含水率及不同風(fēng)化砂摻量下膨脹土的有荷膨脹率，見表4和5.

表4 不同初始含水率及不同風(fēng)化砂摻量下的有荷膨脹率（25.0kPa）Tab.4 The loaded expansion ratio under different initial water contents and weathered sand contents（25.0kPa）

表5 不同初始含水率及不同風(fēng)化砂摻量下的有荷膨脹率（50.0kPa）Tab.5 The loaded expansion ratio under different initial water contents and weathered sand contents（50.0kPa）

有荷膨脹率α按下式計(jì)算：

式中：Rt為上覆荷載作用下試件膨脹穩(wěn)定時(shí)的百分表讀數(shù)，mm；Rp為上覆荷載作用下儀器的變形量，mm；R0為施加上覆荷載前百分表讀數(shù)，mm；H0為試件初始高度，mm.

由表4、5可知：

（1）初始含水率顯著地影響了經(jīng)風(fēng)化砂改良后的膨脹土，其有荷膨脹率表現(xiàn)出明顯的改變.當(dāng)增大混合料的初始含水率時(shí)，有荷膨脹率逐漸減小，這是由于初始含水率增加，土顆粒表面吸附的水膜變厚，導(dǎo)致的膨脹潛勢降低所致.

（2）初始含水率較低時(shí)所對應(yīng)的有荷膨脹率遠(yuǎn)大于最佳含水率狀態(tài)下所對應(yīng)的值，這是因?yàn)槌跏己瘦^低時(shí)，土顆粒處于較為干燥的狀態(tài)且周圍吸附的水膜較少，因而具有較大的膨脹潛勢.初始含水率由8%增長至最佳含水率時(shí)，有荷膨脹率降低幅度較大，其中當(dāng)風(fēng)化砂摻量為0、上覆荷載為25.0kPa時(shí)，有荷膨脹率降低最為顯著，達(dá)3.60%.由此可知，風(fēng)化砂改良膨脹土路基壓實(shí)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制壓實(shí)含水量.如果初始含水率大于最佳含水率，繼續(xù)增大初始含水率時(shí)，有荷膨脹率下降幅度逐漸減小，這是因?yàn)殡S著含水率的增大，土顆粒逐漸吸水膨脹且表面的水膜厚度增加，致使膨脹潛勢不斷釋放，導(dǎo)致下降的幅度不斷減小.若持續(xù)增加初始含水率，有荷膨脹率已基本趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：當(dāng)初始含水率到達(dá)16%時(shí)，公共水膜較厚，土顆粒已處于基本飽和的狀態(tài)，在進(jìn)行膨脹試驗(yàn)前就已經(jīng)充分吸水膨脹，因此本身所具有的膨脹潛勢很?。?5－16］.

（3）從表中可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻砂比例的增大，有荷膨脹率隨初始含水率的變化逐漸趨于平緩，這是因?yàn)閾饺腼L(fēng)化砂之后，土體的孔隙比增加，保水性降低，使得土顆粒周圍的水膜厚度變化幅度不大，膨脹潛勢受初始含水率變化的影響較小.

從表中還可以看出，風(fēng)化砂摻量一定時(shí)，有荷膨脹率α與初始含水率wi呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，回歸方程為

式中：A、B為擬合參數(shù)，具體見表6.

表6 不同風(fēng)化砂摻量下有荷膨脹率與初始含水率指數(shù)關(guān)系的回歸參數(shù)A、B 及R2Tab.6 The regression parameters A，Band R2 between loaded expansion ratio and initial water content under different weathered sand contents

當(dāng)初始含水率一定時(shí)，有荷膨脹率α隨風(fēng)化砂摻量S的變化曲線如圖2所示.

圖2 有荷膨脹率隨風(fēng)化砂摻量的變化曲線Fig.2 The relation curve between loaded expansion ratio and weathered sand content

由圖2可知：

（1）在相同的初始含水率狀態(tài)下，增加風(fēng)化砂的摻量可以使有荷膨脹率不斷減小，且減小的幅度通常也比較大.這是因?yàn)轱L(fēng)化砂摻入后，增大了顆粒間的嵌擠咬合力，抑制了膨脹的發(fā)生，同時(shí)土體孔隙率增加，減小了土顆粒表面的水膜厚度，膨脹潛勢降低，故有荷膨脹率大幅下降［5］，這說明摻風(fēng)化砂可以有效抑制膨脹土的吸水膨脹.當(dāng)風(fēng)化砂摻量由0增長至10%時(shí)，有荷膨脹率降低幅度最大，其中在上覆荷載為50.0kPa，摻砂比例為10%時(shí)，降低幅度達(dá)到了1.88%.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，50.0kPa下有荷膨脹率的降低幅度均大于25.0 kPa下的降低幅度.當(dāng)風(fēng)化砂摻量繼續(xù)增加時(shí)，有荷膨脹率降低幅度逐漸減小.

（2）若初始含水率較大，隨著摻入的風(fēng)化砂含量的增大，混合料的有荷膨脹率漸漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到某一基本固定的值.產(chǎn)生這種變化的原因是，初始含水率過大，使得土顆粒已處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，膨脹潛勢基本上都已釋放完全，此時(shí)土體本身的膨脹率就較低，風(fēng)化砂摻量對其影響不大.

在非標(biāo)準(zhǔn)上覆荷載（37.5kPa和75.0kPa）作用下，對混合料的有荷膨脹率展開試驗(yàn)，結(jié)果如表7、8所示.

表7 改變初始含水率下的有荷膨脹率（37.5kPa）Tab.7 The loaded expansion ratio under different initial water contents（37.5kPa）

表8 改變初始含水率下的有荷膨脹率（75.0kPa）Tab.8 The loaded expansion ratio under different initial water contents（75.0kPa）

從表7和8中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在非標(biāo)準(zhǔn)上覆荷載（37.5kPa和75.0kPa）作用下，風(fēng)化砂改良膨脹土的有荷膨脹率隨初始含水率及風(fēng)化砂摻量的變化規(guī)律與上文中所得出的結(jié)論相似：在同一風(fēng)化砂摻量下，當(dāng)初始含水率由8%增長至12%時(shí)，有荷膨脹率降低幅度最大，且有荷膨脹率與初始含水率仍表現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的關(guān)系；當(dāng)初始含水率相同時(shí)，有荷膨脹率在風(fēng)化砂摻入比例從0增加到10%時(shí)，降低幅度最大.

定義ξ為有荷膨脹率降低幅度：

式中：α0為某一初始含水率下，原狀土的有荷膨脹率，%；α50%為某一初始含水率下，風(fēng)化砂摻量為50%時(shí)的有荷膨脹率，%.

比較不同上覆荷載下的有荷膨脹率變化情況（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，增大風(fēng)化砂改良膨脹土的初始含水率時(shí)，混合料的有荷膨脹率下降的幅值先增大后減小.當(dāng)混合料的初始含水率大于最佳含水率時(shí)，有荷膨脹率下降的幅度又逐漸增大.當(dāng)風(fēng)化砂摻量一定時(shí)，隨著上覆荷載的提高，有荷膨脹率的降低幅度逐漸增大，這說明在較大的上覆荷載作用下，風(fēng)化砂對膨脹性的抑制效果較好.

圖3 不同初始含水率下有荷膨脹率降低幅度Fig.3 The reduction magnitude of loaded expansion ratio under different initial water contents

4 結(jié) 論

（1）風(fēng)化砂摻入膨脹土中，能顯著抑制膨脹土的吸水膨脹，摻風(fēng)化砂改良后膨脹指標(biāo)均顯著降低，達(dá)到了規(guī)范中對路基填料的要求.

（2）在同一風(fēng)化砂摻量下，增大混合料的初始含水率，其有荷膨脹率逐漸減小，且二者滿足很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系.當(dāng)初始含水率低于最佳含水率時(shí)，增大初始含水率，有荷膨脹率會(huì)出現(xiàn)較大幅度降低；當(dāng)初始含水率超過最佳含水率時(shí)，有荷膨脹率降低不明顯.因此，從減小膨脹的角度出發(fā)，建議在進(jìn)行風(fēng)化砂改良膨脹土路基壓實(shí)時(shí)，應(yīng)控制土體含水率等于或略大于（1%～2%）最佳含水率.

（3）在同一初始含水率下，有荷膨脹率隨著風(fēng)化砂摻量的增加而逐漸下降，且當(dāng)風(fēng)化砂摻量由0增長至10%時(shí)，有荷膨脹率降低幅度最大.當(dāng)初始含水率過大時(shí)，風(fēng)化砂摻量對有荷膨脹率的影響較小.

（4）隨著初始含水率的增大，有荷膨脹率降低幅度呈現(xiàn)先增大后減小再繼續(xù)增大的過程，在較大的上覆荷載作用下，風(fēng)化砂對膨脹性的抑制效果較好.

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