平頂山膨脹土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究

翟聚云，金光磊，周 順，裴亞兵，李海鵬，郭亞昆，焦俊杰

(1.河南城建學(xué)院，河南平頂山 467036;2.平頂山地質(zhì)工程處，河南平頂山 467000)

膨脹土是水敏感性較強(qiáng)的一種特殊土，其強(qiáng)度和膨脹性與土的含水率和干密度有關(guān)［1］。對(duì)膨脹土的研究比較多，或研究其膨脹性能［2］，或研究其強(qiáng)度［3］，也有過(guò)對(duì)河南省平頂山膨脹土的研究［4］，但是本文對(duì)平頂山膨脹土的膨脹性、強(qiáng)度變化規(guī)律及改良的研究是首次。膨脹土樣本取自平頂山襄城縣湛北鄉(xiāng)姜店村西約500m，李成功村北側(cè)，S329省道南側(cè)，為灰綠(棕黃)色或棕紅色黏土，結(jié)構(gòu)致密，硬塑～堅(jiān)硬。

1 原狀土性能

對(duì)原狀膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)，主要測(cè)試參數(shù)有:脹縮參數(shù)、膨脹力等。測(cè)試天然土樣參數(shù)為天然含水率20%～26%，天然密度1.8～2.0 g/cm3，干密度1.5～1.7 g/cm3，孔隙比0.69 ～0.81，壓縮指數(shù) 0.08 ～0.15，黏聚力 35～85 kPa，內(nèi)摩擦角 9°～27°，液限 36% ～45%，塑限18% ～22%，塑性指數(shù)15～26，液性指數(shù)0～0.3。

1.1 收縮試驗(yàn)

對(duì)不同干密度的原狀土進(jìn)行收縮試驗(yàn)，可得到其線縮率隨含水率的變化趨勢(shì)曲線，對(duì)曲線進(jìn)行擬合，所得的直線斜率見(jiàn)表1。

直線斜率的絕對(duì)值可近似取0.5，所以收縮系數(shù)可取為0.5。

表1 線縮率—含水率變化曲線直線段擬合方程斜率

1.2 膨脹率試驗(yàn)

在固結(jié)儀上，對(duì)原狀土進(jìn)行膨脹率試驗(yàn)得到不同含水率及干密度情況下膨脹率隨壓力的變化趨勢(shì)，如圖1。

圖1 膨脹率—壓力變化曲線

由圖1可以看出，對(duì)相同土樣，膨脹率隨壓力的增大而減小，土樣結(jié)構(gòu)、不均勻性及干密度等對(duì)膨脹率也有影響。

1.3 膨脹力試驗(yàn)

在固結(jié)儀上，對(duì)原狀土進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，原狀土的含水率為17% ～19%，膨脹力為50～100 kPa，如圖2，可見(jiàn)一次干縮循環(huán)后，膨脹力減小很多。

2 重塑土性能

對(duì)重塑土樣分組進(jìn)行不同壓力、含水率、干密度的膨脹率試驗(yàn)，膨脹力、滲透系數(shù)試驗(yàn)，反映抗剪強(qiáng)度的黏聚力和內(nèi)摩擦角試驗(yàn)。

圖2 膨脹力試驗(yàn)曲線

2.1 膨脹率試驗(yàn)

2.1.1 不同干密度的膨脹率

將風(fēng)干的膨脹土碎樣過(guò)篩，加水初配所需的含水率，封閉靜置至均勻，再測(cè)得精確含水率，分別得含水率19.11%，21.12%，28.90%的膨脹土，用靜壓法對(duì)相同含水率的膨脹土配制1.50 g/cm3，1.55 g/cm3，1.60 g/cm3，1.65 g/cm3，1.70 g/cm3的土樣，進(jìn)行無(wú)荷，50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa 荷載作用下的膨脹率試驗(yàn)，分析各種荷載下膨脹率隨干密度的變化情況，見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，含水率一定時(shí)，膨脹率隨干密度的增加呈增加的趨勢(shì)，而且含水率接近飽和時(shí)，膨脹性基本消失，產(chǎn)生的變形基本上是荷載產(chǎn)生的沉降。

圖3 膨脹率—干密度曲線

2.1.2 不同含水率的膨脹率

對(duì)不同干密度下膨脹率隨含水率變化進(jìn)行分析，其規(guī)律是一致的，相同干密度情況下，隨著含水率的增加，膨脹率減小。圖4為干密度1.70 g/cm3時(shí)的膨脹率—含水率曲線。

圖4 干密度為1.70 g/cm3的膨脹率—含水率曲線

2.2 膨脹力試驗(yàn)

含水率19.11%，21.12%，25.00%，28.90%的膨脹土，不同干密度下的膨脹力如圖5。

圖5 不同含水率下的膨脹力—干密度曲線

由圖5可以看出，當(dāng)含水率一定時(shí)，隨著干密度增大膨脹力逐漸增大，當(dāng)含水率比較大時(shí)，膨脹力比較小，此時(shí)隨干密度的變化不明顯。

2.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)幾組含水率的不同干密度土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 黏聚力—干密度曲線

由圖6可知，干密度對(duì)黏聚力的影響不明顯，當(dāng)含水率較小時(shí)，土顆粒的黏結(jié)程度較差，黏聚力隨含水率增大而增大，當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)，因?yàn)楹实脑龃螅馏w飽和度也增加，使得土顆粒更容易滑動(dòng)，黏聚力則隨含水率的增大而減小。

由圖7可以看出，相同干密度情況下，隨著含水率增加，土體飽和度逐漸增大，內(nèi)摩擦角逐漸減小。

圖7 內(nèi)摩擦角—干密度曲線

2.4 滲透系數(shù)

對(duì)重塑土進(jìn)行幾組干密度的滲透系數(shù)測(cè)試，見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，干密度對(duì)滲透系數(shù)的影響較明顯，相同土質(zhì)，隨著干密度的增大，滲透系數(shù)顯著減小。

由重塑膨脹土的膨脹性，可以得到，在150 kPa，200 kPa時(shí)，膨脹土的膨脹性基本消失。含水率一定時(shí)，膨脹率隨干密度的增加呈增加的趨勢(shì)，而且當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，膨脹性能基本消失;相同干密度情況下，隨著含水率的增加膨脹率減小。相同含水率時(shí)，隨著干密度增大膨脹力逐漸增大;含水率比較大時(shí)膨脹力數(shù)值比較小。含水率較小時(shí)，黏聚力隨含水率增大而增大，增大到一定數(shù)值時(shí)變化為隨含水率的增大而減小;相同干密度情況下，隨著含水率增加內(nèi)摩擦角逐漸減小。相同土質(zhì)，隨著干密度的增大，滲透系數(shù)顯著減小。

圖8 滲透系數(shù)—干密度曲線

3 膨脹土改良試驗(yàn)

在公路建設(shè)沿線膨脹土廣泛分布，加上土地資源匱乏，工程上只得利用不良的膨脹土源作為填料來(lái)填筑路基。為了使作為路基填料的膨脹土滿足穩(wěn)定和變形兩方面的要求［5-6］，需對(duì)其進(jìn)行改良。

對(duì)平頂山膨脹土，在室內(nèi)用不同摻量粉煤灰改性處理，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)不同摻合料的處理效果和適用性進(jìn)行研究。

將膨脹土樣碎樣，按確定摻量比例添加，摻量為粉煤灰質(zhì)量/干土質(zhì)量，制備粉煤灰摻量為 0，10%，14%，18%，22%的試樣，含水率約為21%，加水靜置到均勻，再精確測(cè)試土樣的含水率，摻量為0，10%，14%的試樣按輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實(shí)成型，然后進(jìn)行各種指標(biāo)的試驗(yàn);摻量為18%和22%的試樣靜壓成型。試驗(yàn)的測(cè)定指標(biāo)有膨脹率、收縮率、自由膨脹率、塑液限等。

對(duì)收縮率隨含水率的變化曲線進(jìn)行擬合，得到線縮率—含水率曲線直線段的擬合方程斜率如表2。

表2 線縮率—含水率曲線直線段擬合方程斜率

由表2可以看出，土體收縮系數(shù)，由土質(zhì)和干密度共同影響，在相同干密度情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，收縮系數(shù)逐漸減小。

對(duì)粉煤灰摻量為0，10%，14%，18%，22%的試樣進(jìn)行無(wú)荷和荷載為25 kPa的膨脹率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 膨脹率—粉煤灰摻量曲線

由圖9可知:膨脹率隨粉煤灰摻量的增加而減小，當(dāng)摻量較大時(shí)，因?yàn)榉勖夯冶旧硇再|(zhì)的原因其膨脹性有所增大。所以，用粉煤灰改良膨脹土?xí)r，最大摻量不宜超過(guò)20%。隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹土的無(wú)荷膨脹率近似線性減小。

分別對(duì)粉煤灰摻量為0，10%，14%，18%，22%的試樣，進(jìn)行自由膨脹率、液塑限試驗(yàn)，得表3。

表3 不同粉煤灰摻量試樣的自由膨脹率、液塑限

由表3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，收縮系數(shù)逐漸減小，自由膨脹率、液限、膨脹率逐漸降低。

由數(shù)據(jù)可以看出，粉煤灰處理的效果不理想，處理到最佳狀態(tài)時(shí)還具有弱膨脹性，處理的方法還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)所獲得的平頂山原狀土和重塑土的性能參數(shù)及改良試驗(yàn)資料可為進(jìn)一步研究該膨脹土的變形和穩(wěn)定性提供參考。

［1］熊山銘.膨脹土工程特性及處治技術(shù)［J］.華東公路，2011，189(3):65-69.

［2］盧再華，陳正漢，蒲毅彬.膨脹土干濕循環(huán)脹縮裂隙演化的CT 試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2002，4(23):417-422.

［3］繆林昌，劉松玉.南陽(yáng)膨脹土的水分特征和強(qiáng)度特性研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2002(7):87-92.

［4］翟聚云.平頂山地區(qū)膨脹土地基探討［J］.建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2002(6):20-22.

［5］查甫生，劉松玉，杜延軍.石灰—粉煤灰改良膨脹土試驗(yàn)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，37(2):339-344.

［6］王征，周進(jìn)，黃志全.南水北調(diào)禹州段壓實(shí)膨脹土膨脹性試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2012(2):75-78.