善溪沖水庫引水渠蝦子包旱渡槽膨脹土改良試驗(yàn)研究

熊 進(jìn)，田 婧

(宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院，湖北 宜昌 443001)

1 概 述

蝦子包旱渡槽所在的善溪沖水庫引水渠，位于湖北省宜昌市東南部，東鄰沮漳河，西連黃柏河，南抵長(zhǎng)江，北靠荊山山脈。善溪沖水庫引水渠整個(gè)灌區(qū)范圍包括宜昌市夷陵區(qū)、猇亭區(qū)、枝江市和當(dāng)陽市的22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積2 437 km2，人口總數(shù)63.85萬人，耕地面積1.232×104hm2，占總土地面積的32%，目前善溪沖水庫引水渠有效灌溉面積0.72×104hm2。

膨脹土是一種含有多種與水較易混合的、具有較強(qiáng)塑性的黏土，在善溪沖水庫引水渠蝦子包旱渡槽中就有大量的膨脹土。膨脹土破壞性極強(qiáng)，對(duì)建筑物破壞類型也極為廣泛，危害性較大[1]。而通常出現(xiàn)在工程中的膨脹土能夠較為敏銳地感知其內(nèi)部含水多少的變化，這會(huì)導(dǎo)致膨脹土體積大小與強(qiáng)度大小的變化，屬于非飽和狀態(tài)，通常會(huì)損壞建筑物，進(jìn)而影響工程項(xiàng)目的進(jìn)行[2]。膨脹土的膨脹性較為明顯，體積會(huì)隨著含水率的升高而明顯地變大。而影響膨脹性的原因除了膨脹土含水率與干密度的變化外，還包括膨脹土中礦物質(zhì)的含量與成分。而膨脹土的含水率是影響膨脹性的主要因素。有關(guān)膨脹土的項(xiàng)目工程也是屬于目前世界上的技術(shù)難題[3]。在本文所述項(xiàng)目工程中，利用將膨脹土改良作為回填土，以彌補(bǔ)優(yōu)質(zhì)土不足的情況，從而解決回填土無法滿足工程用量的問題。

2 膨脹土的物理指標(biāo)

本文以善溪沖水庫引水渠蝦子包旱渡槽的膨脹土為研究樣本，以3種類型的膨脹土為研究對(duì)象，進(jìn)行基本的物理方面相關(guān)指標(biāo)的分析。其中，黃色黏土的類型為強(qiáng)性，紅色黏土的類型為中性，白色泥灰的類型為弱性，3種類型的膨脹土的物理指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 3種類型膨脹土的物理指標(biāo)

3 改良試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)分組

本研究選用石灰加固與離子固化劑(ISS)進(jìn)行試驗(yàn)來改良膨脹土的膨脹性[4]。由于膨脹土所處區(qū)域不同，所呈現(xiàn)出的物理特性、化學(xué)特性等均有差別，因此石灰與ISS的添加量也要根據(jù)實(shí)際情況有所調(diào)整。本文研究地區(qū)的膨脹土與ISS的添加比是250∶1[5]，水與ISS的比例為250∶1；然后分別添加占整個(gè)樣本總量6%的生石灰與石灰成樣[6-7]，分別設(shè)置改良的黃色黏土、改良的紅色黏土、改良的白色泥灰。為分析不同的添加劑對(duì)膨脹土的影響，在每種類型的土樣中加入6種不同的添加劑，形成6個(gè)樣品，則試驗(yàn)總共設(shè)置成18個(gè)樣品，編號(hào)見表2。

表2 試驗(yàn)編號(hào)

3.2 改良試驗(yàn)前后物理指標(biāo)與規(guī)律對(duì)比

3.2.1 黃色黏土改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比

黃色黏土改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比見表3。

表3 黃色黏土改良物理指標(biāo)對(duì)比

分析表3可以看出，添加ISS的改良土干密度較原土樣重塑土的干密度上升；添加ISS后的改良土的含水率較重塑土的含水率均上升，而添加石灰的改良土的含水率較重塑土降低。而添加石灰的改良土的聚集顆粒的能力較強(qiáng)，生石灰尤其明顯，這是由于石灰的“砂化”作用。在添加生石灰的改良土中，99%的顆粒大于0.005 mm，13.3%的顆粒大于0.05 mm。重塑土中77.8%的顆粒大于0.005 mm，9.3%的顆粒大于0.05 mm。在僅添加ISS時(shí)，改良土中有92.6%的顆粒大于0.005 mm，9.3%的顆粒大于0.05 mm。通過以上比較可以得出，改良后的膨脹土的聚集能力增強(qiáng)。

3.2.2 紅色黏土改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比

紅色黏土改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比見表4。

表4 紅色黏土改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比

分析表4可以看出，添加石灰的改良土的干密度較重塑土而言有所下降，這是因?yàn)樘砑邮視?huì)引起膨脹土的“砂化”；改良土的含水率較重塑土上升，而石灰與ISS會(huì)對(duì)水與膨脹土相結(jié)合造成不同的影響，ISS改良土的含水率較添加石灰的改良土的含水率上升較顯著。而添加石灰的改良土的聚集顆粒的能力較強(qiáng)，生石灰尤其明顯。在添加生石灰的改良土中，97.9%的顆粒大于0.005 mm，9.5%的顆粒大于0.05 mm。重塑土中92%的顆粒大于0.005 mm，8.4%的顆粒大于0.05 mm。在僅添加ISS時(shí)，改良土中有95.9%的顆粒大于0.005 mm，11.3%的顆粒大于0.05 mm。通過以上比較可以得出，改良后的膨脹土的聚集能力增強(qiáng)。

3.2.3 白色泥灰改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比

白色泥灰改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比見表5。

表5 白色泥灰改良試驗(yàn)物理指標(biāo)對(duì)比

分析表5可以看出，只添加ISS的改良土的干密度較重塑土的干密度上升，而因?yàn)槭視?huì)導(dǎo)致“砂化”，故而添加石灰的改良土的干密度會(huì)有所下降；改良土的含水率較重塑土有所上升，上升幅度最小的是僅添加ISS的改良土為15%，而添加石灰的改良土為17%，上升幅度最大的是添加石灰與ISS為18%。由于石灰的“砂化”，導(dǎo)致改良土的顆粒聚集能力增強(qiáng)，尤其是生石灰。在添加生石灰的改良土中，98.8%的顆粒大于0.005 mm，13.8%的顆粒大于0.05 mm。重塑土中62.8%的顆粒大于0.005 mm，10.2%的顆粒大于0.05 mm。在僅添加ISS時(shí)，改良土中有91.4%的顆粒大于0.005 mm，14.1%的顆粒大于0.05 mm。通過以上比較可以得出，改良后的膨脹土的聚集能力增強(qiáng)。

試驗(yàn)樣本中，黃色黏土的類型為強(qiáng)性，紅色黏土的類型為中性，白色泥灰的類型為弱性。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同的添加劑對(duì)不同類型的膨脹土的影響是不同的：石灰會(huì)使白色泥灰干密度下降明顯，使紅色黏土的干密度上升，對(duì)黃色黏土的干密度沒有太大的影響；ISS會(huì)降低紅色黏土的干密度，使白色泥灰與紅色黏土的干密度上升。石灰使黃色黏土的含水率降低，使紅色黏土與白色泥灰的含水率上升；ISS能夠使膨脹土的含水率增加，其中對(duì)于紅色黏土的影響最為明顯，上升最快。其中原因可能是石灰與ISS會(huì)對(duì)水與膨脹土相結(jié)合的原理不同所致。添加石灰改良后的膨脹土出現(xiàn)顆粒大于0.005 mm的顯著增加，顆粒聚集能力增強(qiáng)。所以，添加劑并不能完全消除膨脹土的安全隱患，僅僅可以起到抑制作用，其中對(duì)于類型為中性的膨脹土的效果會(huì)更好。

3.3 膨脹土改良前后的規(guī)律

3種類型的膨脹土改良前后的膨脹率見表6及圖1。

分析表6及圖1可以看出，ISS、生石灰與消石灰3種添加劑都能夠控制膨脹土的膨脹性，其中添加石灰的膨脹土的膨脹率相較于只添加ISS的膨脹土的膨脹率會(huì)更低，抑制效果會(huì)更明顯；而添加生石灰與ISS想結(jié)合的方式會(huì)使改良土的膨脹率降到最低，效果也最為明顯，最為理想。試驗(yàn)樣本中，膨脹率最高的是黃色黏土，膨脹率中等的是紅色黏土，膨脹率最低的是白色泥灰。在添加生石灰后，紅色黏土與白色泥灰的膨脹率達(dá)到一致，膨脹率最低的是黃色黏土；只添加ISS后，膨脹率最高的是黃色黏土，膨脹率中等的是紅色黏土，膨脹率最低的是白色泥灰。因此，生石灰對(duì)黃色黏土的改良效果最為顯著，而生石灰與ISS相結(jié)合對(duì)膨脹土進(jìn)行改良的效果最好。

表6 3種類型的膨脹土改良前后的膨脹率 /%

1水；2消石灰+水；3生石灰+水；4 ISS；5消石灰+ISS；6生石灰+ISS圖1 3種膨脹土改良前后的膨脹

4 不同添加劑改良土的機(jī)理

4.1 石灰改良土的機(jī)理

黏土中礦物質(zhì)的羥基與消石灰中的羥基發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定的M-O-與H2O，生成的水進(jìn)入膨脹土內(nèi)部，能夠降低膨脹土的膨脹率。水與生石灰發(fā)生反應(yīng)會(huì)生成消石灰與水，而消石灰中的羥基可以與黏土中礦物質(zhì)的羥基反應(yīng)生成水與穩(wěn)定的M-O-與H2O，抑制膨脹土的膨脹性。

4.2 ISS改良土的機(jī)理

ISS的自身結(jié)構(gòu)使其可以跟巖土顆粒的金屬離子結(jié)合在一起，在黏土的礦物質(zhì)的表面吸附，阻止了水與金屬離子的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。而膨脹土的顆粒會(huì)有油層形成，這樣就可以阻止水分隨意的進(jìn)入膨脹土內(nèi)部，減弱膨脹土的膨脹性。

ISS本身呈酸性，能夠與巖土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成亞甲基，并且阻止水進(jìn)入膨脹土內(nèi)部，降低了膨脹性。

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)善溪沖水庫引水渠蝦子包旱渡槽的3種類型的膨脹土進(jìn)行分組試驗(yàn)研究，分別設(shè)置18組對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同種類的添加劑對(duì)不同類型的膨脹土的影響不同，但都使膨脹土的膨脹性有所降低，效果顯著；3種添加劑對(duì)降低膨脹土的膨脹率中，生石灰與ISS結(jié)合會(huì)使得膨脹率下降最為明顯，改良效果最好。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)加入生石灰與ISS會(huì)使膨脹土的改良效果最佳，可以解決膨脹土在工程中的膨脹問題。