淮河臨淮崗工程膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)試驗研究

占世斌 張勝軍 周蕙嫻 劉章靜 王波

摘要：為研究淮河臨淮崗工程壩體裂縫成因，對壩體土進行了物理化學(xué)組分試驗分析、不同壓力下的力學(xué)性質(zhì)試驗分析、水力學(xué)試驗及不同摻灰比情況下的改性土試驗。試驗結(jié)果表明：在用于壩體填土的黏土礦物中，蒙脫石和蒙脫石-伊利石混層含量高，具弱膨脹性和收縮特性，是壩體裂縫發(fā)育的根本原因;培厚的弱膨脹土在摻4%與8%的石灰時，工程性質(zhì)無明顯區(qū)別;考慮施工拌和與工程安全等因素，推薦6%石灰摻量的膨脹土改性方案。研究成果可為壩體填筑工程中的膨脹土應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：膨脹土; 改性膨脹土; 物理力學(xué)性質(zhì); 加固處理; 淮河臨淮崗工程

中圖法分類號：TU452文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.016

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0089 - 05

0引 言

中國膨脹巖土分布廣泛，主要分布在北緯22°～30°、東經(jīng)100°～120°的范圍內(nèi)的630個縣。為節(jié)約建設(shè)投資，膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)常需利用膨脹土進行填筑。目前，膨脹土多用于公路、鐵路路基及渠道渠坡填筑形成的膨脹土邊坡，如襄荊高速公路荊門段路堤長約21 km的膨脹土邊坡、南昆鐵路在廣西田東和百色盆地長約42 km的路堤膨脹土邊坡、南水北調(diào)中線工程干渠長約387 km的膨脹巖土渠道。膨脹土作為一種典型的非飽和土，具有顯著的吸水膨脹軟化和失水收縮開裂特性，對水利、道路等工程建設(shè)的危害較大。由于膨脹土防治困難，其工程問題長期受國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。如鈕新強、蔡耀軍等對膨脹土開挖邊坡穩(wěn)定性、膨脹土邊坡變形破壞類型、破壞機理及工程處理措施做了相關(guān)研究[1-3]。工程中一般對膨脹土進行改良，如換土、化學(xué)固化等;其中，化學(xué)固化因具有較高的性價比而受到人們廣泛重視：通過在膨脹土內(nèi)摻入有效的固化劑，使其與膨脹土內(nèi)部顆粒進行作用，降低膨脹土的膨脹性及吸水性，進而提高膨脹土的強度?；瘜W(xué)固化的主要方法有摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈉、氯化鈣和磷酸等，其中，摻入石灰或水泥作為固化劑是改良膨脹土最普遍和實用的方法[4-8]。楊俊等[9]在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰、風(fēng)化砂改良土并進行了有荷膨脹率試驗，結(jié)果表明：摻入石灰后有荷膨脹率減小量最大，其次是水泥。但是，將膨脹土應(yīng)用于壩體填筑的工程較少，相應(yīng)的研究也少。

安徽霍丘淮河臨淮崗工程土壩為1962年建成的均質(zhì)壩，是臨淮崗大洪水控制工程;其主壩長7.7 km且最大壩高17 m，南副壩長10.3 km且最大壩高10 m，壩體有多處縱橫裂縫，最寬可達6 cm。為探明裂縫形成原因，需對壩體填筑土的基本物理力學(xué)性質(zhì)及脹縮性進行試驗研究，并在此基礎(chǔ)上對土體進行改良試驗，進而為壩體穩(wěn)定性分析及工程處理措施提供依據(jù)。

1 壩體填筑土物理力學(xué)性質(zhì)

1.1物質(zhì)成分

臨淮崗工程筑壩壩體的土顆粒組成以細粒土為主，砂粒含量占5%，粉粒53%，黏粒42%，膠粒30%;礦物成分中，粒狀礦物石英占25%～30%、長石占5%～10%，黏土礦物中蒙脫石和蒙脫石-伊利石混層（以下簡稱“蒙伊混層”）含量為30%左右、伊利石15%～20%、高嶺石5%～12%;化學(xué)成分主要是SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3三種氧化物，占化學(xué)成分總量的85%以上。陽離子交換量為24.36～32.40 cmol/kg，比表面積為208～312 m2/g，pH值為8.18～8.65，有機質(zhì)含量為4.38～11.69 g/kg;膠結(jié)物中游離SiO2含量為3.03～4.47 g/kg，游離Al2O3為6.30～11.10 g/kg，游離Fe2O3為11.87～21.31 g/kg。

1.2脹縮特性

對筑壩的土料進行自由膨脹率試驗，其膨脹率δef均值為53%，具弱膨脹性[10];輕型擊實試驗所得最優(yōu)含水率wop=21.3%，最大干重度γdmax=16.5 kN/m3。根據(jù)SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[11]及膨脹土施工情況，配制5種不同狀態(tài)的擊實樣進行脹縮試驗：① 最優(yōu)含水率，最大干重度;② 最優(yōu)含水率，最大干重度乘以0.97的壓實系數(shù);③ 最優(yōu)含水率，最大干重度乘以0.94的壓實系數(shù);④ 較最優(yōu)含水率高2%時的含水率及其相應(yīng)干重度的0.94倍;⑤ 較最優(yōu)含水率低2%時的含水率及其相應(yīng)干重度的0.94倍。其中③號樣是模擬施工壓實不足時的情況，④和⑤號樣是模擬現(xiàn)場施工時含水率有所變化的潛在情況。依次進行0，25，50，100，150，200， 250，300 kPa下的膨脹率試驗，所得不同壓力下?lián)魧嵟蛎浲恋呐蛎浡嗜鐖D1所示，膨脹力及收縮試驗成果如表1所示。

試驗結(jié)果表明：擊實膨脹土的有荷載膨脹率隨壓力增大而減小，當(dāng)壓力增大到50 kPa后，膨脹率顯著減小至1%以下;膨脹力隨壓實系數(shù)增大而增大。收縮試驗結(jié)果表明該類土具有收縮特性。

1.3抗剪強度

1.3.1 直剪試驗

（1） 膨脹土原狀樣在低壓力（25， 50， 75， 100 kPa）及常規(guī)壓力（100， 200， 300， 400 kPa）下進行的飽和固結(jié)快剪試驗成果如表2所示。

試驗結(jié)果得到：在含水率為21.0%～24.4%、 干重度為15.5～15.7 kN/m3的狀態(tài)時，低壓力下的強度參數(shù)平均值c=29 kPa，φ=20.1°;常規(guī)壓力下c=37 kPa，φ=18.5°?？梢钥闯觯蛪毫ο碌摩战歉哂诔Ｒ?guī)壓力下的φ角，而c值則相反，即低壓力下的抗剪強度相對較小。

（2） 為了探討土壩在浸潤曲線上下的強度變化趨勢，對3種不同狀態(tài)的擊實樣各進行壓力為100， 200， 300， 400 kPa的飽和固結(jié)快剪與非飽和固結(jié)快剪的對比試驗。試驗成果見表3。

試驗成果表明：在初始含水率相近的條件下，飽和后固結(jié)快剪強度低于非飽和固結(jié)快剪強度;壓實系數(shù)越低，飽和后的強度降幅越大。

（3） 為研究膨脹土膨脹作用對強度的影響，對不同狀態(tài)的同一擊實土樣進行兩種類型的試驗對比：① 直接進行非飽和快剪試驗;② 使土樣充分吸水膨脹后再進行快剪試驗。試驗壓力為25，50，75，100 kPa，試驗成果見表4。

試驗成果表明：在低壓力下，膨脹后的快剪強度低于非飽和快剪強度;不同狀態(tài)的試樣，其強度受膨脹作用的影響不同;在w=19.3%的較低含水率條件下，膨脹作用對強度的影響最大。

1.3.2 三軸試驗

為了取得鄧肯-張模型、沈珠江模型的有限元計算參數(shù)，采用應(yīng)變控制式三軸儀對3種不同狀態(tài)的試樣分別進行三軸固結(jié)不排水剪（CU）、固結(jié)排水剪（CD）試驗，試樣直徑為6.18 cm，高12.5 cm，采用真空抽氣法飽和。三軸試驗成果見表5。

通過繪制σ3=100 kPa條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線、軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變關(guān)系曲線、卸荷試驗相關(guān)曲線等求得鄧肯-張模型8個參數(shù)的試驗值，如表6所示，求得沈珠江模型9個參數(shù)試驗值如表7所示。

1.4 先期固結(jié)壓力

進行先期固結(jié)壓力試驗確定壩基土的圍壓σ3。取原狀樣進行垂直加壓，壓力依次為12.5，25.0，50.0， 100.0，200.0，300.0，400.0，600.0，800.0 kPa，試驗結(jié)果如圖2所示?？蛇x取Pc=100 kPa作為數(shù)值分析所用圍壓。

1.5 滲透變形

為研究壩體干裂后的滲透變形情況，制備含水率21.3%、干重度16.5 kN/m3、直徑15.2 cm、高5.0 cm的擊實樣2組，將其風(fēng)干形成表面裂縫后，進行垂直滲透變形試驗。在試樣下游不加水的條件下，試樣經(jīng)過以下4個滲流階段：① 起始坡降i=0.1并持續(xù)24 h，此時試樣下游面保持干燥狀態(tài)，說明試樣干燥時裂縫沒貫通;② 坡降i=0.3并持續(xù)12 h后，在試樣下游面有零星潮濕點;③ 坡降i=0.5并持續(xù)12 h后，試樣下游面?zhèn)€別裂縫閉合;④ 坡降i=0.8并持續(xù)2 h后，試樣下游面潮濕、裂縫閉合，此時試樣已飽和;給下游加水，保持坡降i=0.8，經(jīng)12 h后，滲透流量趨于穩(wěn)定，此時兩組試樣的滲透系數(shù)分別為4.45×10-5? cm/s和5.46×10-5? cm/s;繼續(xù)提升水頭，直至破壞。兩組試驗結(jié)果分別為：① 滲透破壞坡降Ip=6.84，破壞后滲透系數(shù)k=0.87 cm/s;② 滲透破壞坡降Ip=7.08，k=2.0 cm/s。兩組試樣的破壞類型均為管涌-流土型。

2 壩體培厚土料試驗

2.1 填筑標(biāo)準試驗

該工程區(qū)為膨脹土地區(qū)，外購天然建材費用昂貴，因此需論證膨脹土的改良改性問題。試驗中，根據(jù)不同狀態(tài)下填土的膨脹性和強度特性，分析確定壩體培厚的填筑土含水率宜為21%～22%，干重度宜取最大干重度的0.97倍，即16.0 kN/m3。

2.2膨脹土摻石灰

將分解破碎的石灰按石灰與土的質(zhì)量比為4∶100， 6∶100， 8∶100加入過5 mm篩的風(fēng)干土中，攪拌均勻，然后配至21.3%的含水率并夯實到干重度16.5， 16.0， 15.5 kN/m3，進行無荷載膨脹率、膨脹力、飽和固結(jié)快剪試驗。試驗成果如表8～9所示。

由試驗結(jié)果可以看出：摻石灰膨脹土（以下簡稱“灰土”）的膨脹勢大為降低，在無荷載條件下，膨脹率δe<0.1%，膨脹力平均值Pe=8.4 kPa;抗剪強度明顯提高，強度參數(shù)平均值為c=182 kPa，φ=41.3°;與同狀態(tài)下膨脹土飽和固結(jié)快剪試驗結(jié)果相比，c提高4.6倍，φ提高3.1倍;4%與8%石灰摻量的灰土相比較，其工程性質(zhì)無明顯區(qū)別，考慮施工拌和不確定因素影響與工程安全問題，建議進行膨脹土性質(zhì)改良時可摻6%的石灰。

3結(jié) 論

臨淮崗工程筑壩壩體土細顆粒含量大，黏土礦物中蒙脫石和蒙伊混層含量高，具弱膨脹性和收縮特性，是壩體裂縫發(fā)育的根本原因。不同情況下的力學(xué)試驗表明：不同狀態(tài)的試樣，其強度受膨脹作用的影響不同;滲透變形試驗表明其破壞類型為管涌-流土型;并通過三軸試驗獲取了鄧肯-張和沈珠江模型的有限元計算參數(shù)。用于培厚填筑的膨脹土經(jīng)石灰改良后，其膨脹勢大為降低，抗剪強度明顯提高，與同狀態(tài)下膨脹土飽和固結(jié)快剪相比，c提高4.6倍，φ提高3.1倍;4%與8%的石灰摻量相比較，所制灰土的工程性質(zhì)無明顯區(qū)別?？紤]施工拌和與工程安全問題，建議膨脹土改良時可摻6%的石灰。

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（編輯：高小雲(yún)）

Experimental study on physical and mechanical properties of expansive soil at Linhuaigang project in Huaihe River area

ZHAN Shibin1， ZHANG Shengjun2， ZHOU Huixian2，LIU Zhangjing2，WANG Bo3

（1. Yangtze River Engineering Construction Bureau， Changjiang Water Resources Commission ，Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Institute of Survey Technical Research of Ministry of Water Resources， Wuhan 430011， China; 3. Changjiang River& Lake Dredging Company， Wuhan 430010， China）

Abstract： In order to study the causes of cracks in the dam body of Linhuaigang project in the Huaihe River， the physical and chemical composition test， mechanical properties test under different pressures， hydraulic tests and modified soil test under different gray-doped ratios were carried out. The test and analysis results showed that： the high content of montmorillonite and montmorillonite-Illite mixed layer in the clay minerals of the dam filling had the characteristics of weak expansion and shrinkage， which was the fundamental cause for the development of dam cracks. The engineering properties of weak expansive soil with 4% and 8% lime had no obvious difference. Considering the factors of construction mixing and engineering safety， mixing 6% lime into expansive soil should be recommended for modified expansive soils. These research results could be a reference for application of expansive soils in dam filling.

Key words： expansive soil; modified expansive soils; physical and mechanical properties; reinforcement treatment; Linhuaigang project in Huaihe River area

收稿日期：2021-11-18

作者簡介：占世斌，男，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程及水利工程建設(shè)管理工作。E-mail： 360300682@qq.com