廣州繞城公路小塘至茅山段膨脹土路段病害分析及改性材料試驗成果

【摘 要】結合已有的研究成果和廣州繞城公路小塘至茅山段的實際情況，對該段路基膨脹土進行了改性材料選擇試驗和改性土的常規試驗、強度試驗、膨脹試驗研究。研究認為改性材料采用當地易購的石灰，通過按不同的比例摻灰量進行試驗得出最佳摻灰量在7%左右。試驗證明已改性土的稠度、脹縮性、強度等指標均得到較大幅度的改善。能夠滿足工程實踐的要求。利用石灰處治膨脹土改性效果較水泥好，且經濟性高。

【關鍵詞】膨脹土分析；改性材料的選擇；改性試驗成果

引言

擬建廣州繞城公路小塘至茅山段路線整體走向由西向東呈弧形展布，西南起于三水市東側小塘、線路終點在茅山新莊附近，與廣清高速公路及珠江三角洲經濟區環型公路北二環段相連接。

由于膨脹土對路基或其它擬建物均有不同程度的危害，因此，膨脹土是本次工作中較突出的工程地質問題。本項目膨脹土路段主要分布于樂平及樂平以西地段的第三系剝蝕殘丘及平緩丘陵地帶，為上第三系（N）粘土巖、砂質泥巖類地層及其殘坡積物，呈棕紅色、棕黃色、局部為灰白色，風化產物為亞粘土、粘土，含砂及角礫，厚度變化較大，一般在坡腳相對較厚，鉆探揭示最大厚度為8.70m。全線膨脹土路基主要分布有七段，累計長度為5.02Km。據膨脹土土工試驗結果，其自由膨脹率一般在28－96％之間，脹縮總率介于0.86 ～6.98%之間，多屬弱－中等膨脹土，其中K53+872～K54+596段屬中－強膨脹土路基。

膨脹土對建設中、運營中的道路均能造成一定的危害。因此，對膨脹土區域公路施工提出了高標準和高要求，也需要應用特有的技術消除或抑制其脹縮性，進而確保道路路基的質量和安全運營。試驗方案根據原狀土的脹縮性指標，進行改性試驗。制備土樣的含水量和容重分別選取原狀土的指標平均值，試樣采用靜壓成型，養護1周，每個試驗并行做3個，取平均值，測定各試樣膨脹率。對各種改性材料和設計配合比配制的改性土進行了常規試驗、強度試驗、膨脹試驗研究。目的是找出最佳添加劑和改性材料摻量，以及膨脹土改性后的路用性能。

1 膨脹土的礦物成分

膨脹土之所以有膨脹性，是由于土中含有親水的粘土礦物，如蒙脫石、伊利石等。膨脹性，實質上是這些粘土礦物晶格中的水，隨雨季和旱季、豐水年和枯水年的濕度變化而增減所致。膨脹性能的大小取決于這些親水粘土礦物在粘性土中的含量高低。含量越高，脹縮性越大，反之，則越小。

2 影響膨脹土性能的因素分析

膨脹土的脹縮性能，除與粘土礦物含量多寡有直接關系外，尚與膨脹土體的含水量、厚度及埋藏或出露條件密切相關。

2.1 含水量的影響分析：

土體的含水量決定吸水量的大小，在膨脹范圍內，膨脹率與吸水量成正比，當含水量達到飽和時，吸水量最小，其膨脹變形漸趨穩定。在收縮范圍內，收縮率隨含水量減小而減小，當收縮至縮限以后，失水量最小，收縮變形也漸趨穩定。膨脹土體的含水量隨季節變化而變化，也隨豐水年和枯水年的變化而變化。土體含水量的這種周期性的變化，導致土體周期性的膨脹和收縮。

2.2 膨脹土體的厚度影響分析：

膨脹土的脹縮幅度與其厚度成正比。但當強膨脹土體厚度不大時，其脹縮幅度也不會很大。弱膨脹土體厚度大，則脹縮幅度也會很大，只是時間過程較長而已。

2.3 膨脹土體埋藏深度的影響分析：

膨脹土體埋藏深度對脹縮幅度也起控制作用。據前人對灰綠色粘土的研究認為，膨脹土的埋藏深度（非膨脹性土覆蓋厚度）如果大于3m，則對膨脹土體的脹縮起緩沖或抵消作用。建筑物不致遭其破壞；如果小于3m，則建筑物可直接遭受土體脹縮力的破壞。

3 膨脹土性能的評價：

本次勘察主要在大氣影響深度范圍內（0-6m），個別樣品采取深度大于6m。共采取了30個膨脹土樣品進行試驗，以核實并確定膨脹土的類型。根據土工試驗成果，樣品自由膨脹率Fs介于28 ～96%之間，脹縮總率介于0.86 ～6.98%之間，依據《路基設計規范》（TJT013-95），其中有16個樣品為弱膨脹土，10個樣品為中膨脹土，4個樣品為強膨脹土。膨脹土地段累計長度約5021m，厚度1.60～10.00m。根據有關規范要求，做為樁基，在大氣影響深度范圍內，樁側極限摩阻力取值可低于規范值；做為路基建議采用換填法；做為路基填料建議通過試驗確定摻灰比例進行土性改良。

4 膨脹土改性試驗

本次試驗分別取石灰、水泥和粉煤灰三種不同建筑材料在不同摻量時無荷膨脹率試驗，各種添加劑的摻入量如下：石灰摻入量（%）0、5、6……14、15，間隔1%；水泥摻入量（%）0、3、4、……13、14，間隔1%；粉煤灰摻入量（%）0、10、13、16、19，間隔3%。試驗結果見下表1-3及圖1-8。

由表1-3、圖1-8可以看出，加入各種改性材料后，膨脹土的無荷膨脹率都隨之變小，特別是摻入水泥或石灰量大于 6%時，其無荷膨脹率都非常小了，可見改性土的膨脹特性幾乎完全喪失。

5 最佳改性材料的選擇

以改性土的稠度、脹縮性、強度等指標得以改善程度為準，選擇最佳改性材料。根據表2-4中的數據，采用石灰改性弱膨脹土、中膨脹土及強膨脹土，改性后的無荷膨脹率eP(%)分別為0.14%-0.74%、0.27%-1.38%、0.30%-2.10%。對于水泥改性的弱膨脹土、中膨脹土及強膨脹土，其無荷膨脹率eP(%)為0.15%-0.77%、0.23%-1.69%、0.39%-2.25%。對于粉煤灰改性的弱膨脹土、中膨脹土，其無荷膨脹率eP(%)為0.26%-0.88%、0.65%-1.52%。粉煤灰的摻入量明顯大于其它兩種，相應摻入量下無荷膨脹率eP(%)明顯較大，且考慮到當地粉煤灰不易采購，運輸超過經濟運距，所以用粉煤灰做路基填料已失去了經濟效益。而水泥的改性效果略遜色與石灰，成本也比石灰略高，因此，實際工程中建議采用石灰作為膨脹土改性材料，高速公路路基填料以石灰改性土為主。

6 石灰摻量對膨脹土稠度界限的影響

由上面分析可見石灰改性膨脹土的效果較好且較經濟，用石灰作為改性材料，石灰中的鈣離子可以使膨脹土的塑性降低，使不易壓實和破碎的膨脹土變成松散且易于破碎的非膨脹土。膨脹土的液限也會隨著石灰摻入量的增加而下降，經石灰處理后，土中膠態粘土呈現的數量愈大，液限的降低就愈為顯著。圖1是研究路段膨脹土樣品的液限、塑限和塑性指數隨石灰摻灰量的變化曲線圖，可以看出摻石灰后液限ωL(%)變化不顯著，而塑限ωP(%)迅速增加，這就導致塑性指數IP也迅速變化。IP隨摻灰量的變化曲線可能有一個最低點，因為摻灰量達到11%時，IP會增加。這個最低點介于5%-9%之間。此最低點對應了較大的ωP(%)值，它所對應的摻灰量可作為確定最佳摻灰量的參考數據。因此從圖9中可見最佳摻灰量在7%左右。

根據試驗結果及地區建筑施工經驗，建議本路段膨脹土采用摻石灰來進行土性改良，以降低膨脹土的膨脹率。其中對弱膨脹土可不進行摻石灰改性，對中-高膨脹土應進行摻石灰改性，摻灰比例控制在7%左右。

7 石灰摻量對膨脹土強度的影響

影響石灰改良土強度的因素有：土質類型（包括礦物成分、含量、結構等）、石灰類型及摻入量、灰土拌和后的養護時間與方法（溫度與水的有效度）、含水量、容重、拌和與壓實兩者間的時間間隔等。上述因素在實驗中要加以考慮，更重要的是在施工中也應進行綜合考慮。本項研究從不同摻灰量的擊實試驗中取樣進行了抗剪試驗。圖10-圖11是土樣的試驗結果。由此可看出，隨著石灰摻量的增加，擊實土的抗壓和抗剪強度都在增大。當石灰摻量大于7%以后強度增長較為緩慢。結合前面的分析，推薦石灰摻量為7%比較合理。

8 改性材料摻量對膨脹土膨脹性的影響

圖12、圖13是摻石灰膨脹土的線膨脹量、膨脹力隨石灰摻量的變化曲線。圖中所用試件的含水量17%-20%，最大干容重γd為15.6-17.4KN/m3，干濕保養是指在試件做好后讓它自然風干再噴灑水養護各一天，如此重復到第七天進行試驗。直接試驗是指試件做好后即用于試驗。由圖12-圖13可以看出，加入各種改性材料后，膨脹土的線膨脹量和膨脹力都隨之變小，特別是摻石灰量為 9%和11%時，線膨脹量和膨脹力都非常小了，可見改性土的膨脹特性幾乎完全喪失。同時經過保養的試樣其線膨脹率和膨脹力都較未經保養的要小，因此對改性土進行保養讓其強度逐漸增長是有積極的工程意義的。因而摻石灰是膨脹土改性的一種經濟有效的方法。

9 結束語

9.1 膨脹土路基建議采用換填法，通過試驗確定摻灰比例進行土性改良。摻石灰的最佳配比，以處理后脹縮率不超過0.7為宜，是控制到弱膨脹土的低限指標之下，可作為非膨脹土對待。

9.2 膨脹土的塑性指數、膨脹性隨著石灰摻量的增加而減小，強度指標隨著石灰摻量的增加而增加。

9.3 通過膨脹土的改性試驗比較，可見采用7%的石灰摻量可以使膨脹土的工程特性指標都得到較好的改善，能夠滿足工程實踐的要求。利用石灰處治膨脹土改性效果較水泥好，且經濟性高。

9.4 對于膨脹土路基的施工，考慮施工時的工藝及天氣的影響，應保證膨脹土路基的含水量在最佳含水量以上2%-3%為宜，石灰摻量也應提高1%-2%。

9.5 邊坡坡度的設計應充分考慮其膨脹性，施工中應注意對路堤的邊坡進行防護處理并完善路基的排水條件，通過比較可見，當地石灰較易得到，用石灰改性膨脹土作為路基填料則可以獲得較好的工程效果和經濟效益。