土質(zhì)改良法改性膨脹土試驗(yàn)研究

□李曉紅□張 華□孟 玥

（1河南省水利科學(xué)研究院；2河南省河口村水庫(kù)管理局；3河南科源水利建設(shè)工程檢測(cè)有限公司）

土質(zhì)改良法改性膨脹土試驗(yàn)研究

□李曉紅1□張 華2□孟 玥3

（1河南省水利科學(xué)研究院；2河南省河口村水庫(kù)管理局；3河南科源水利建設(shè)工程檢測(cè)有限公司）

膨脹土作為一種區(qū)域性特殊土，它含有大量的親水礦物，在濕度變化時(shí)發(fā)生較大體積變化，當(dāng)其變形受到約束時(shí)可產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，土的不良工程性質(zhì)會(huì)對(duì)路基和邊坡造成嚴(yán)重破壞，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)膨脹上作過(guò)很多處治方法的研究，文章采用土質(zhì)改良法，即向膨脹土中摻入不同比例的非膨脹土，并對(duì)混摻后的改良土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究，得到不同配合比改良土的物理、力學(xué)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)其數(shù)據(jù)的比較與分析，找到符合工程技術(shù)要求且經(jīng)濟(jì)的改良方案和摻量。

膨脹土；土質(zhì)改良法；顆粒級(jí)配曲線；液塑限；自由膨脹率

1 引言

膨脹土指土中含有大量親水性粘土礦物成分（主要有蒙脫石和伊利石），在環(huán)境濕度和溫度變化影響下，可產(chǎn)生強(qiáng)烈漲縮變形的高塑性粘土。膨脹土在我國(guó)多個(gè)省份廣泛分布，它經(jīng)常會(huì)給人類工程活動(dòng)造成麻煩，尤其是對(duì)輕型房屋和構(gòu)筑物、道路、機(jī)場(chǎng)跑道等危害更大，膨脹土邊坡常常會(huì)發(fā)生失穩(wěn)事故。針對(duì)這種不良土質(zhì)進(jìn)行研究和探討，了解膨脹土的特征和特性，從而采取切實(shí)可行的工程技術(shù)處治措施，確保與膨脹土有關(guān)工程的安全、提高建設(shè)的質(zhì)量，是值得深入研究和探討具有重要意義的課題。

許多的工程師、建筑師、結(jié)構(gòu)師們都在尋求減少膨脹土危害的有效方法和途徑。他們的方法大部分來(lái)自于反復(fù)試驗(yàn)。想通過(guò)機(jī)械穩(wěn)定的方法來(lái)達(dá)到效果，可是最終發(fā)現(xiàn)要徹底使之穩(wěn)定，必須要改變膨脹粘土的物理化學(xué)性質(zhì)。于是，巖土工程師們就尋求土壤科學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家們的知識(shí)去尋求提高粘土性能的方法。McCallister and Perty（1990）[1]的研究表明為了提高改良土的耐久力，土中必須加入足夠的生石灰使之能夠進(jìn)行一定的凝硬反應(yīng)。Al-Mhaidib（1996）等[2]的研究表明，固化膨脹土的石灰摻量有一個(gè)最佳范圍，應(yīng)針對(duì)不同膨脹土參數(shù)得出石灰的最佳摻量不同。Little（1999，2000）[3，4，5]已經(jīng)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中得出了決定灰土混合物的工程性質(zhì)的物力基礎(chǔ)。張涌[6]在寧夏古王公路膨脹土路基處理中使用改性處理方法，利用NCS固化劑及消石灰分別對(duì)古王公路沿線幾種典型的膨脹土進(jìn)行改性處理，并在室內(nèi)進(jìn)行了外摻混合料的液限和塑限試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)及CBR試驗(yàn)。西安地質(zhì)學(xué)院的肖榮久、鄧媛華等[7]對(duì)陜南膨脹土的3種典型土樣進(jìn)行了石灰改良性能分析得到很好的效果。

文章采用土質(zhì)改良法，向膨脹土中摻入不同比例的非膨脹土，并對(duì)混摻后的改良土進(jìn)行一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，得到不同配合比的改良土的物理、力學(xué)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)其數(shù)據(jù)的比較與分析，找到符合工程技術(shù)要求且經(jīng)濟(jì)的改良方案和摻量。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 原材料

南水北調(diào)中線工程總干渠沿線涉及的膨脹土地區(qū)范圍廣、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，任何局部的邊坡失穩(wěn)、襯砌結(jié)構(gòu)的破壞都可能影響渠道的正常輸水。南水北調(diào)中線工程總干渠明渠段渠坡或渠底涉及到膨脹土的長(zhǎng)度約340 km，主要分布在河南南陽(yáng)一帶。試驗(yàn)用土選擇的膨脹土取土區(qū)為南水北調(diào)南陽(yáng)段。為方便運(yùn)輸與試驗(yàn)研究，非膨脹土取土區(qū)位于膨脹土取土區(qū)周邊。膨脹土的自由膨脹率為80%，按膨脹土漲縮等級(jí)的劃分，60≤δef＜90為中等膨脹土。非膨脹土的自由膨脹率為19%。膨脹土最大干密度為1.59 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為24%。顆粒分析結(jié)果見(jiàn)表1。粘粒含量為42.30%，按照中膨脹土粘粒含量介于35%～50%，試驗(yàn)土料為中膨脹土。通過(guò)液塑限試驗(yàn)得出，膨脹土的液限ωL10=52.90%,塑限ωP10=25.60%,塑性指數(shù)ωL10=27.20。非膨脹土的液限ωP10=30.90%，塑限ωP10=16.80%,指數(shù)Ip10=14.10。根據(jù)膨脹土的分類標(biāo)準(zhǔn)，塑性指數(shù)IP10介于25～35為中膨脹土，＜18為非膨脹土。

2.2 試驗(yàn)方案

向膨脹土中摻入不同比例的非膨脹土?xí)a(chǎn)生不同的力學(xué)性質(zhì)，其中定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)最佳的配合比，使膨脹土的“失水收縮，遇水膨脹”的性質(zhì)最接近工程要求。

本試驗(yàn)采用了以下比例對(duì)膨脹土與非膨脹土混摻，膨脹土︰非膨脹土分別為9︰1；4︰1；7︰3；3︰2；1︰1。并對(duì)混摻后的改良土的顆粒級(jí)配、自由率、及液、塑限等指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 改良土的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

改良土的顆粒分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 顆粒分析表

由試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合膨脹潛勢(shì)的劃分可得出：

一是，由于＜0.005的黏粒含量為42.30，在35～50范圍之內(nèi)，可以得出該膨脹土為中膨脹土。

二是，隨著摻入非膨脹土的增加，土中黏粒含量降低，該膨脹土逐漸由中膨脹土轉(zhuǎn)變?yōu)槿跖蛎浲?，膨脹性能減弱。

3.2 改良土的液限和塑限指標(biāo)

表2 不同配合比改良土的液限與塑限表

由試驗(yàn)結(jié)果表2可得：隨著非膨脹土摻入比例的增加，新土樣的液限和塑限都在下降，塑性指數(shù)也隨之下降，膨脹土由原來(lái)的中膨脹土變?yōu)槿跖蛎浲粒蛎浶阅軠p弱。

3.3 改良土的自由膨脹率

由試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著摻入非膨脹土比例的增加，膨脹土自由率呈降低的趨勢(shì)，原因是摻入了非膨脹土后，黏粒含量的比例降低，膨脹潛勢(shì)降低了。采用回歸分析，非膨脹土摻量和自由膨脹率之間存在線性的遞減關(guān)系，擬合公式為δef=-0.61x+80.14。其中，δef為自由膨脹率，單位%，x為非膨脹土摻量，單位%。

表3 混摻后的自由膨脹率表

4 結(jié)論

膨脹土的改良是膨脹土工程地基處理研究領(lǐng)域中的重要課題之一。結(jié)合南水北調(diào)渠道工程，參照相關(guān)規(guī)范，對(duì)南水北調(diào)南陽(yáng)段進(jìn)行了室內(nèi)改良試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：第一，由顆粒分析試驗(yàn)可知原膨脹土為中膨脹土。隨著摻入非膨脹土的增加，該膨脹土逐漸由中膨脹土轉(zhuǎn)變?yōu)槿跖蛎浲?，膨脹性減弱。第二，隨著非膨脹土摻入比例的增加，新土樣的液限和塑限指數(shù)都在下降，塑性指數(shù)也隨之下降，膨脹土由原來(lái)的中膨脹土變?yōu)槿跖蛎浲粒蛎浶阅軠p弱。第三，膨脹土、非膨脹土以及它們混摻后的自由膨脹率由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：膨脹土的自由膨脹率較高（80），為中膨脹土。非膨脹土的自由膨脹率較低（19），它們混摻后隨著非膨脹土比例增加自由膨脹率逐漸下降，由原來(lái)的中膨脹土變?yōu)榱巳跖蛎浲痢Ｇ译S著摻入量增加而自由膨脹率變得越小。第四，根據(jù)工程實(shí)際要求，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)因素，參考該方案的一系列的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可知，膨脹土︰非膨脹土為2：3時(shí)，為該改良土的最佳配合比。

（責(zé)任編輯：劉 青）

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