基于抗疏力的土壤處理劑對(duì)膨脹土的改良試驗(yàn)

郭曉宏　周文文　呂錦雄

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院　四川綿陽(yáng)　621010)

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基于抗疏力的土壤處理劑對(duì)膨脹土的改良試驗(yàn)

郭曉宏周文文呂錦雄

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院四川綿陽(yáng)621010)

摘要：為減小膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性在工程建設(shè)中對(duì)建筑物的危害，在室內(nèi)采用基于抗疏力的啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土的抗膨脹性進(jìn)行改良試驗(yàn)，通過(guò)自由膨脹率和無(wú)荷載線膨脹率兩項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)改良效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)依次摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，4%，8%，12%和20%的處理劑時(shí)，膨脹土的自由膨脹率和線膨脹率均呈逐漸降低趨勢(shì)，但處理劑摻入量超過(guò)12%后，對(duì)膨脹性的影響則趨于弱化。適量的啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土的抗膨脹性有顯著的改良效果。

關(guān)鍵詞：膨脹土啟培抗疏力處理劑抗膨脹性

膨脹土是一種高塑性黏土，主要由蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物成分組成。膨脹土的脹縮特性區(qū)別于一般的黏土，主要表現(xiàn)為土體含水量升高會(huì)使得土體的體積急劇膨脹、強(qiáng)度急劇降低；土體含水量降低使得土體的體積收縮、發(fā)生收縮裂隙[1]。膨脹土在我國(guó)的分布范圍很廣，如廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等地均有不同范圍的分布。

天然條件下的膨脹土含水率一般處于非飽和狀態(tài)，具有較好的工程力學(xué)性質(zhì)，容易被定為良好的地基土。而膨脹土的特殊脹縮性會(huì)使地基土體的結(jié)構(gòu)隨含水率變化發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致土體的強(qiáng)度下降，使修建在膨脹土地基上的建筑物受到威脅、公路路基發(fā)生下陷、邊坡發(fā)生溜坍等，而且構(gòu)成的破壞是不易修復(fù)的，將會(huì)嚴(yán)重危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全[2]。近年來(lái)，針對(duì)膨脹土造成的工程問(wèn)題這一世界級(jí)難題，國(guó)內(nèi)外巖土工作者運(yùn)用地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、大型靜力模型、離心模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等多種研究手段，有效地解決了膨脹土邊坡穩(wěn)定關(guān)鍵問(wèn)題，在膨脹土的破壞機(jī)理、膨脹土的現(xiàn)場(chǎng)快速判別、膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)及其試驗(yàn)方法、穩(wěn)定分析方法以及土體改良等方面均取得了突破性的進(jìn)展[3]。

目前膨脹土改良方法的研究主要有物理方法(摻纖維和風(fēng)化砂改良等)、化學(xué)方法(石灰、水泥、二灰土、固化劑和改性劑改良等)、生物技術(shù)改良及利用固體廢棄物改良等[4]?，F(xiàn)有改良方法大都會(huì)受到成本和施工工藝的制約，而基于抗疏力的化學(xué)改良方法則憑借著施工便捷、造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì)，在黃土工程性質(zhì)改良、黃土型路基強(qiáng)化、路面土體改良等道路建設(shè)工程中取得了一定成功[5-8]。啟培抗疏力處理劑是一種新型有機(jī)土壤處理劑，該處理劑具有環(huán)保無(wú)毒、成本較低、對(duì)土體的抗水化效果優(yōu)良等特點(diǎn)。一般的土壤固化劑靠黏結(jié)形成板塊，而啟培抗疏力土壤處理劑則通過(guò)在土壤內(nèi)添加“抗疏力土壤穩(wěn)定劑”改變土體排列組合，提高土體密實(shí)度，阻斷水進(jìn)入土體，以此穩(wěn)定土體，提高土體強(qiáng)度。啟培抗疏力處理劑在實(shí)際的工程問(wèn)題中破解了多項(xiàng)世界性難題，該技術(shù)在保持原有道路修筑領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上開(kāi)創(chuàng)了泥石流、山體滑坡、荒山荒坡、磷石膏環(huán)保貯存等環(huán)境治理的新模式，在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注[9]。在室內(nèi)條件下利用啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土進(jìn)行改良試驗(yàn)，成本較低，操作簡(jiǎn)便，如果改良效果能夠達(dá)到一定的預(yù)期，那么基于抗疏力對(duì)膨脹土進(jìn)行改良則是可行的，這將進(jìn)一步擴(kuò)展啟培抗疏力土壤處理劑在實(shí)際工程問(wèn)題中的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112-2013)[10]，膨脹土級(jí)別分類方法見(jiàn)表1。試驗(yàn)根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[11]，采用自由膨脹率和無(wú)荷載膨脹率兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)膨脹土的的膨脹性。

表1　膨脹土級(jí)別

1試驗(yàn)

1.1材料與儀器

為模擬工程實(shí)際中的膨脹土，需對(duì)不同膨脹級(jí)別的樣品進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)采用膨潤(rùn)土和黏土按不同比例組合配制膨脹土樣品，具體配比參數(shù)見(jiàn)表2。其中膨潤(rùn)土由四川省三臺(tái)縣大予膨潤(rùn)土礦業(yè)有限公司提供，天然含水率為10.15%，蒙脫石含量達(dá)到83.77%；黏土采用綿陽(yáng)市本地常見(jiàn)的粉質(zhì)黏土；試驗(yàn)用抗疏力處理劑為四川和天下科技有限公司生產(chǎn)的無(wú)色透明液體狀的啟培抗疏力處理劑。

表2　樣品配比參數(shù)表

自由膨脹率試驗(yàn)儀器主要有10 mL量土杯、無(wú)頸漏斗、支架、50 mL量筒和玻璃棒；擊實(shí)試驗(yàn)采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的JDS-1型電動(dòng)數(shù)控?fù)魧?shí)儀；無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)采用土壤儀器有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯膨脹儀。土樣烘焙采用北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司生產(chǎn)的101型電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用自由膨脹率作為評(píng)價(jià)膨脹土膨脹性的主要指標(biāo)，為增加試驗(yàn)可靠性，同時(shí)進(jìn)行無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)測(cè)出線膨脹率作為評(píng)價(jià)膨脹性的參考指標(biāo)[12]。

按表2所示配比參數(shù)在室溫條件下配制膨潤(rùn)土含量不同的膨脹土。而后分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，4%，8%，12%，20%的啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土進(jìn)行處理。

自由膨脹率試驗(yàn)：將處理好的膨脹土過(guò)0.5 mm篩，分別取50 g過(guò)篩土為一組，放入干燥箱內(nèi)，在105 ℃下烘至恒量，取出放入真空干燥器內(nèi)冷卻至室溫備用。采用10 mL的量土杯裝入樣品，并稱其質(zhì)量，每一土樣平行測(cè)定3次，稱量差值不得超過(guò)0.1 g。將稱好的試樣放入50 mL的量筒中并加水?dāng)嚢?，靜置待膨脹穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，可計(jì)算出各土樣的自由膨脹率。

擊實(shí)試驗(yàn)：將處理過(guò)的膨脹土按照四分法準(zhǔn)備5個(gè)試樣(每個(gè)樣品2 400 g)，分別配制不同水分(按2%含水率遞減)的土樣，拌勻后用濕抹布悶料12 h備用。取制備好的土樣，分3次倒入桶內(nèi)(每次800 g)并整平，每層用JDS-1型電動(dòng)數(shù)控?fù)魧?shí)儀重錘擊打97下。擊實(shí)完成后可計(jì)算得到土樣最優(yōu)含水率和最大干密度，為后續(xù)的無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)。

無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)：按照已測(cè)得的樣品最佳含水率和最大干密度配制各組試驗(yàn)樣品，并添加不同比例的啟培抗疏力處理劑，樣品制成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀大小的試件(直徑61.8 mm，高度20 mm左右)，采用數(shù)顯膨脹儀進(jìn)行無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)，測(cè)得各樣品的線膨脹率。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)6組膨脹土樣品進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)和無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4、圖1和圖2所示。

表3　摻入不同比例啟培抗疏力處理劑后的自由膨脹率

表4　摻入不同比例啟培抗疏力處理劑后的線膨脹率

圖1　啟培抗疏力處理劑的

圖2　啟培抗疏力處理劑的

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3和圖1可知，在不加入處理劑的情況下，樣品1，2，3，4，5，6的自由膨脹率隨著膨潤(rùn)土含量的降低而減小，這說(shuō)明膨脹土自由膨脹率的大小與蒙脫石含量呈正相關(guān)。

啟培抗疏力處理劑抑制膨脹土的自由膨脹率效果明顯，隨著處理劑用量的增加，樣品的自由膨脹率呈降低趨勢(shì)。如3號(hào)樣品原始自由膨脹率為107%，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，4%，8%，12%和20%的處理劑后，其自由膨脹率依次降為82%，67.5%，49.5%，37%和35.5%。當(dāng)處理劑用量超過(guò)12%后，對(duì)膨脹土自由膨脹率的影響則不明顯。說(shuō)明啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土的處理效果受到一定的限制。

工程上將自由膨脹率≥40%的土判定為潛勢(shì)的膨脹土[13]，由表3和圖1可知，加入2%啟培抗疏力處理劑可有效改良弱潛勢(shì)膨脹土(5號(hào)樣品)；加入4%啟培抗疏力處理劑可有效改良中等潛勢(shì)膨脹土(4號(hào)樣品)；加入12%啟培抗疏力處理劑可有效改良部分強(qiáng)潛勢(shì)膨脹土(3號(hào)樣品)。說(shuō)明摻入適量的處理劑時(shí)，可使部分高、中、低膨脹性的膨脹土達(dá)到無(wú)膨脹性的效果。

由表4和圖2可知，在不加入處理劑的情況下，樣品1，2，3，4，5，6的線膨脹率依次降低。說(shuō)明膨潤(rùn)土含量與線膨脹率呈正相關(guān)，這與自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果吻合。

隨著處理劑用量的增加，樣品的線膨脹率逐漸降低。如3號(hào)樣品，在不加入處理劑時(shí)線膨脹率為76.71%；分別加入2%，4%，8%，12%和20%的處理劑后，線膨脹率依次降低到44.26%，30.11%，26.55%，23.99%和22.51%，與自由膨脹率試驗(yàn)的現(xiàn)象是一致的。同樣，隨著摻入量超過(guò)12%，處理劑對(duì)膨脹土線膨脹率的影響也受到限制而趨于弱化。

3結(jié)論

(1)研究發(fā)現(xiàn)，隨著膨脹土中膨潤(rùn)土(蒙脫石含量83.77%)含量的增加，膨脹土的自由膨脹率、線膨脹率隨之增大。(2)啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土的膨脹性具有顯著的抑制作用。依次加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，4%，8%，12%和20%的啟培抗疏力處理劑時(shí)，膨脹土樣品的自由膨脹率和線膨脹率都會(huì)呈現(xiàn)出遞

減趨勢(shì)，但當(dāng)用量超過(guò)12%后，處理劑對(duì)膨脹性的抑制效果有局限性，所以可初步確定啟培抗疏力處理劑的摻量在12%左右時(shí)對(duì)膨脹土的改良效果最佳。(3)摻入2%啟培抗疏力處理劑可使弱膨脹土(自由膨脹率≤58.5%)的自由膨脹率降至27%以下；摻入4%啟培抗疏力處理劑可使中等膨脹土(自由膨脹率≤78.5%)的自由膨脹率降至34.5%以下；12%啟培抗疏力處理劑可使強(qiáng)膨脹土(自由膨脹率≤107%)的自由膨脹率降至37%以下。(4)根據(jù)試驗(yàn)可初步判定，啟培抗疏力處理劑對(duì)膨脹土的抗膨脹性具有較好的改良效果。

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A Modified Test of Expansive Soil Based on CONSOLID Soil Treatment Agent

GUO Xiao-hong， ZHOU Wen-wen， LV Jin-xiong

(SchoolofEnvironmentandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010，Sichuan,China)

Abstract:To reduce the hazards to buildings in engineering construction about expansive soil characteristics, water swelling and dehydration contraction, in laboratory the modified tests was uesd to the anti-swellable of expansive soil by Qi Pei CONSOLID treatment agent which is based on CONSOLID, and evaluates improvement effect by two indexes, free expansion coefficient and non-load linear expansion coefficient. It was found that the sequential incorporation of 2%, 4%, 8%, 12% and 20% of the treatment agent, free expansion coefficient and linear expansion coefficient of expansive soils show a decreasing trend, when the treatment agent is incorporated amount exceeds 12%, the impact on the expansion of it tended to weaken. Tests show the right amount of Qi Pei CONSOLID treatment agent can improve the anti-swelling of expansive manifestly.

Key words:Expansive soil；Qi Pei CONSOLID treatment agent；Improvement；Anti-expansion

中圖分類號(hào)：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-8755(2016)01-0040-04

作者簡(jiǎn)介:郭曉宏，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail：nkagxh@163.com

收稿日期：2015-06-15