公路工程中膨脹土判別試驗(yàn)研究

李承祥

摘要：膨脹土所具有的吸水膨脹、失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)，對(duì)路基的破壞作用不可低估，并且構(gòu)成的破壞是不易修復(fù)的。為了保證道路在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)路基的穩(wěn)定和路面的平整度，達(dá)到安全舒適行車的目的，必須做好膨脹土的判別。 在本文中，將就公路工程中膨脹土判別試驗(yàn)進(jìn)行一定的研究與分析。

Abstract： The expansive soil has the characteristics of water absorption expansion， water loss shrinkage and reciprocating deformation， which have the imponderable destructive effect on the subgrade and the damage is not easy to repair. In order to ensure the stability of the roadbed in a long period of time and the smoothness of the road surface， to achieve the purpose of safe and comfortable driving， we must do a good job of expansive soil. In this paper， the study of the expansive soil in highway engineering is studied and analyzed.

關(guān)鍵詞：公路工程；膨脹土；判別試驗(yàn)

Key words： highway engineering；expansive soil；discrimination test

中圖分類號(hào)：U412.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）12-0105-03

0 引言

具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性的膨脹土性質(zhì)極不穩(wěn)定。如果在建筑施工中用在了不適合的工況下，會(huì)造成建筑物開(kāi)裂，地坪、公路路面則會(huì)出現(xiàn)縱向長(zhǎng)條和網(wǎng)格狀的裂縫。尤其對(duì)公路工程來(lái)說(shuō)，膨脹土所具有的吸水膨脹、失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)，對(duì)路基的破壞作用不可低估，并且構(gòu)成的破壞是不易修復(fù)的。為了保證道路在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)路基的穩(wěn)定和路面的平整度，達(dá)到安全、舒適行車的目的，必須做好膨脹土的判別。在本文中，將就公路工程中膨脹土判別試驗(yàn)進(jìn)行一定的研究與分析。

1 膨脹土的特點(diǎn)及其對(duì)公路工程的影響

膨脹土是一種富含親水性礦物，并且隨含水量增減，體積發(fā)生顯著脹縮變形的高塑性粘土。膨脹土一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。

對(duì)公路工程來(lái)說(shuō)，膨脹土吸水膨脹，失水收縮，屬于容易變形軟弱土。若用在路基施工中，必然不利于路基穩(wěn)定，嚴(yán)重的情況下會(huì)對(duì)路基構(gòu)成不可修復(fù)的破壞。為了保持路基穩(wěn)定，確保行車安全、舒適，施工前應(yīng)該采用正確的方法對(duì)膨脹土進(jìn)行判別。另外，對(duì)已完工的公路工程，準(zhǔn)確地了解膨脹土的特性及變化的條件，就能夠獲知地基變形趨勢(shì)，進(jìn)而采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

2 膨脹土判別試驗(yàn)——標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的試驗(yàn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)概念

標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率是指在標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度以及溫度條件下，土樣恒重后的含水率，該指標(biāo)能夠反映出土樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的最大持水能力。

在標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)，將膨脹土試樣在經(jīng)過(guò)處理之后放置在具有溴化鈉溶液的容器當(dāng)中，在固定溫度下，該溶液能夠以較為精確的形式實(shí)現(xiàn)干燥箱當(dāng)中水蒸氣分壓的確定，之后，再將其放置在恒溫試驗(yàn)室當(dāng)中稱重。

2.2 試驗(yàn)原理

2.2.1 BET方程

目前，BET方程被廣泛的應(yīng)用在不同土體類型當(dāng)中。在BET當(dāng)中，其假定在土粒表面具有第一層氣體分子的吸附，同第二、第三層相比，具有更大的能量。在第一層氣體吸附中，其能量具有一定的固體特性，且隨后的吸附熱同自身液相具有相適應(yīng)的特征。對(duì)該吸附理論來(lái)說(shuō)，其在以動(dòng)力學(xué)原理為基礎(chǔ)的情況下，通過(guò)應(yīng)用重點(diǎn)研究了兩條假設(shè)：一是在吸附平衡的工況下，第n層分子層上裸露的氣體分子的吸附速度，與第n+1層分子的逃逸速度一致；二是除首層吸附分子以外的各層分子所具有的吸附熱與氣體液化熱相等。在對(duì)不同氣壓狀況下吸附氣體的體積進(jìn)行測(cè)定后，通過(guò)BET公式的應(yīng)用即能夠?qū)γ恳豢送寥乐闲纬煞肿訉拥臍怏w數(shù)量需求進(jìn)行求出，之后再根據(jù)氣體分子大小做好土壤表面積的計(jì)算。對(duì)于該種方式來(lái)說(shuō)，其在具體測(cè)定當(dāng)中具有較為復(fù)雜的特征，且具有較高的條件要求，因氣體無(wú)法進(jìn)入晶層間，所測(cè)得的表面積只是外表面積，該特性的存在，則使其并不適用于膨脹性礦物。除了該方式之外，另一種方式即極性有機(jī)分子吸附，即先使極性有機(jī)分子成單分子或雙分子層吸附于土壤顆粒表面，基于吸附的重量以及有機(jī)分子的大小，通過(guò)運(yùn)算得到土壤的總表面積。

2.2.2 土粒表面水

在蛭石中，很多水化無(wú)機(jī)陽(yáng)離子都具有較為穩(wěn)定的晶層間距，其中鎂離子就是一個(gè)比較特殊的例子。晶層間距產(chǎn)生過(guò)渡的溫濕度即為陽(yáng)離子的函數(shù)，這種現(xiàn)狀可見(jiàn)于所有膨脹性硅晶層，且陽(yáng)離子飽與晶層過(guò)渡階段從1.2至1.5nm往往會(huì)在同一濕度情況下發(fā)生，而貝得石、鈣飽和皂石等晶層也將在同樣的相對(duì)濕度情況下使被置換蛭石晶層在間距方面發(fā)生變化，而對(duì)從八面體晶層置換的則不會(huì)發(fā)生變化。鈉晶層即具有部分近似或者近似情況發(fā)生，而晶層間距同含水量間也不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在1.2nm以上以及1.5nm以上這兩個(gè)階段，其具有較為穩(wěn)定的含水量，且形成具有連續(xù)特征的系列。

2.3 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007中，已經(jīng)介紹了兩種對(duì)土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率的試驗(yàn)方法，一種是干燥缸法，一種是恒溫恒濕箱法。這兩種方法中，干燥缸法可以準(zhǔn)確的控制濕度，但是要想控制溫度需要在室內(nèi)配置兩臺(tái)冷暖空調(diào)以保證溫度；而恒溫恒濕箱法雖然可以準(zhǔn)確地控制試驗(yàn)需要的溫濕度，但是需要重新配置一臺(tái)新的恒溫恒濕箱用于試驗(yàn)，這既提高了費(fèi)用，同時(shí)又增加了試驗(yàn)室建設(shè)成本。這兩種試驗(yàn)方法的成本都很高，為了節(jié)約成本，提高檢測(cè)方法的適應(yīng)性，本文在兩種試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，具體如下。

2.3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置分為兩個(gè)部分，一是溫度控制部分，由水泥膠砂恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（溫度控制范圍20±2℃），另一部分是濕度控制組件，由干燥缸配套溴化鈉飽和溶液控制濕度。在具體操作中，其將通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)土粒在水方面吸附的平衡性，對(duì)此整個(gè)試驗(yàn)具有較長(zhǎng)的平衡時(shí)間。

在試驗(yàn)中，所使用的其他設(shè)備有：

①烘箱：使用電熱烘箱保持溫度，也可以基于現(xiàn)實(shí)需要選擇紅外線烘箱；

②電子天平：感量為0.001g；

③鋁盒：直徑與土壤水分蒸發(fā)速度間具有正比關(guān)系的鋁制稱量盒，其高度需要控制在1.5cm以內(nèi)，直徑在6cm以內(nèi)；

④干燥器：需要盛有氯化鈣或其他干燥劑。

2.3.2 試驗(yàn)試劑

采用蒸餾水配置1000mL溴化鈉溶液，溶液中可以有結(jié)晶，以確保配置好的鹽溶液為飽和溶液。

2.3.3 試驗(yàn)步驟

①將潔凈的鋁盒放置在恒溫狀態(tài)下烘3-4h，在取出后在干燥器當(dāng)中冷卻到室溫狀態(tài)，并使用天平進(jìn)行稱量m0，具體操作時(shí)即可以按照此方式反復(fù)操作，直至恒重為止；

②擇取典型天然土體試樣，用小刀將土樣切削成薄片狀，將其放置在已知重量小鋁盒當(dāng)中，并在盒底為止做好土樣的平鋪，之后計(jì)量好濕土以及盒子的總重m1；

③將完成配置后的溴化鈉溶液放置在干燥缸底部；

④將盒蓋打開(kāi)，直接將裝有土樣的小鋁盒放置在干燥缸的多孔板上，蓋上干燥缸的蓋板，使用甘油在接口位置做好密封處理；

⑤將密封好的干燥缸放入水泥膠砂恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，調(diào)節(jié)溫度控制器，使其溫度控制在20±2℃范圍內(nèi)；

⑥試驗(yàn)期間，每天取出土樣進(jìn)行讀數(shù)的測(cè)度，對(duì)濕土與盒進(jìn)行稱重，直至試樣達(dá)到恒重；

⑦將完成恒定的土樣放置到烘箱中，在105-110℃環(huán)境下烘焙12h；

⑧將鋁盒打開(kāi)，將其放置到氯化鈣干燥器中放置到室溫稱量；

⑨將鋁盒再次放入到烘箱當(dāng)中，在恒溫下烘焙3-4h，將鋁盒打開(kāi)后蓋好盒蓋，將其放入到盛有氯化鈣干燥器后放置稱量，直至恒重m2。

2.3.4 計(jì)算

按照下面公式計(jì)算土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率：

■×100%

3 驗(yàn)證試驗(yàn)方法可靠性

3.1 試驗(yàn)方法

為了比較本試驗(yàn)方法對(duì)土的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，在本試驗(yàn)中，選擇中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司在利淮高速公路第三合同段的膨脹土。對(duì)配置好的土樣進(jìn)行分組，第一組按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007中的干燥缸法進(jìn)行試驗(yàn)，第二組按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007中的恒溫恒濕箱法進(jìn)行試驗(yàn)，第三組按照本文中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)土樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)后得到表1所示試驗(yàn)結(jié)果。

■

4 結(jié)論及建議

在該公司利淮高速公路三合同段施工中，遇到了部分土質(zhì)為膨脹土的施工段，由于該試驗(yàn)室在建設(shè)之初未考慮膨脹土的相關(guān)試驗(yàn)，為了節(jié)約成本，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)裝置的具體研究，在不增加設(shè)備和增蓋試驗(yàn)室用房的前提下，利用現(xiàn)有儀器（水泥試驗(yàn)用恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱），完成了膨脹土辨別工作，為后續(xù)工程建設(shè)提供指導(dǎo)，具有積極的研究意義。另外，雖然本文的研究重點(diǎn)是“膨脹土判別試驗(yàn)”，但仍有必要簡(jiǎn)要介紹幾種膨脹土地基的處理方法，以作補(bǔ)充完善。一般來(lái)說(shuō)，膨脹土地基常用的處理方法有五種：

①采用非膨脹性材料/灰土做換土，根據(jù)變形計(jì)算結(jié)果控制換土厚度。

采用砂、碎石處理平坦場(chǎng)地上I、II級(jí)膨脹土地基，墊層寬于基底寬度，厚度至少為300mm，同樣采用與墊層相同的材料填筑基底兩側(cè)，并做好基底防水。換土后，基底承載力會(huì)大大提升，能夠徹底改善地基土性質(zhì)，并且能縮短工期。

②改良土質(zhì)。

采用化學(xué)劑或具有非膨脹特性的水泥、石灰摻入膨脹土中，能夠大幅度降低膨脹土的塑性指數(shù)及膨脹潛勢(shì)，進(jìn)而可降低或消除其膨脹特性。

③采用樁基。

如果膨脹土層過(guò)厚，需要使用樁基，樁尖支承在非膨脹土層上，或支承在大氣影響層以下的穩(wěn)定層上。

④預(yù)濕膨脹。

工前對(duì)土摻水使其吸水膨脹，并維持其高含水率，這樣以來(lái)，土的體積將將基本不會(huì)發(fā)生變化，就不會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞。

⑤隔水法。

膨脹土吸水膨脹后含水率的變化是其對(duì)地基造成危害的根源所在，可通過(guò)技術(shù)措施徹底隔斷基底下的滲水，以確保膨脹土無(wú)水可吸，這樣也能確保地基穩(wěn)定。目前有多種處理措施，要根據(jù)不同的工況確定單獨(dú)使用還是綜合采用。

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