不同摻量風化砂對宜昌市某公路膨脹土特性的影響研究

楊 俊，黎新春，張國棟，唐云偉，謝支鋼，郭道誼

(1.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002;2.宜昌市虹源公路工程咨詢監理有限責任公司，湖北宜昌 443002;3.湖北省宜昌市交通運輸局，湖北宜昌 443002;4.湖北省宜昌市夷陵區小鴉一級公路改建項目部，湖北宜昌 443002)

1 前言

膨脹土是一種有著反復潛在性危害的不良土體，它對公路工程不利的主要性質表現為遇水膨脹、強度驟減、失水干縮、易產生路堤滑塌、失穩、滑坡等嚴重事故，還會產生路面開裂、膨脹、松散、剝落等病害[1]，造成巨大的經濟損失。

目前針對膨脹土改良方法的研究有很多，也取得了一系列的成果。概括起來講，膨脹土改良方法有3類，即物理改良、化學改良和生物改良。在工程實際中，運用最多的還是化學改良方法，如摻石灰、水泥、粉煤灰等[2～6]。盡管在工程上運用很廣泛，但這些化學改良方法卻有著許多的不足。例如，摻石灰改良膨脹土能夠明顯減小膨脹土的塑性，但是水穩定性較差，施工周期較長，施工的工序復雜，并且現場施工難以拌和控制，對環境污染比較大，同時對施工人員的健康也存在著威脅;摻水泥改良膨脹土凝結硬化快，施工時間緊迫，但干縮裂縫現象明顯，固化效果不好，現場施工拌和也難以控制;摻粉煤灰改良膨脹土能夠提高膨脹土的抗剪強度，降低液限，但是對脹縮性改良效果不明顯，且成本相對較高，現場難以拌和均勻。化學改良還有一個最致命的缺陷就是它的時效性較差，在大氣、溫度和水等綜合作用下，隨著時間的推移，會逐漸“失效”，從而導致膨脹土中的粘粒礦物質“復活”，再次產生脹縮特性，致使公路路基被破壞。

筆者結合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路(以下簡稱小鴉一級公路)改建工程項目的實際情況，試圖找到一種能就地取材地對膨脹土實施物理改良的方法。小鴉一級公路沿線膨脹土分布廣，周圍沒有其他可換填的材料。但是當地風化砂分布廣泛，根據實際情況，擬采用風化砂對膨脹土進行物理改良，利用風化砂的摩擦阻力來抵消膨脹土的膨脹力，抑制膨脹土的膨脹，達到路基工程材料的標準。同時能夠充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造價，還能起到保護環境的作用。再者，膨脹土與風化砂拌和在施工現場控制相對比較容易。通過對不同摻砂量改良膨脹土的擊實性能及膨脹特性進行室內試驗研究，驗證了摻砂改良膨脹土的可行性，得到了不同摻砂量對改良膨脹土的擊實性能和膨脹特性的影響程度。

2 宜昌市小鴉一級公路膨脹土及風化砂特性

研究過程中，試驗采用的膨脹土取自湖北省宜昌市夷陵區小鴉一級公路K24+800～K25+400段，試驗用風化砂取自鴉鵲嶺K22+000～K23+000段。對膨脹土及風化砂進行外觀檢測可見:膨脹土土樣顏色為灰白色，有滑感，黏土質較重，干燥土樣強度很高，含水率較大時，黏性很強，肉眼可看到少量的白色鈣質結核;風化砂顏色為土黃色，顆粒較細，砂粒的硬度較高且有一定的棱角。

通過現場取環刀試驗、室內顆分試驗、液塑限試驗、自由膨脹率試驗等，可得出試驗用膨脹土和風化砂的基本物理性質指標，見表1和表2。

表1 小鴉一級公路膨脹土基本物理性質指標Table 1 The basic physical property indexes of Xiaoya highway expansive soil

表2 小鴉一級公路風化砂基本物理性質指標Table 2 The basic physical property indexes of Xiaoya highway weathered sand basic

從表1和表2可以看出，小鴉一級公路所在地的膨脹土天然含水率達到了29.43%，屬于高含水率土。液限 ωl為70.53%，大于 50%;塑限 ωp為24.09%;塑性指數Ip為46.44，大于17，故該膨脹土為高液限黏土。自由膨脹率δef為43%，大于40%小于60%，膨脹等級初步判定為弱膨脹土。風化砂試樣中細粒徑的含量達到67.1%，大于50%;不均勻性系數為2.84，小于5;曲率系數為0.86，小于1，由此可知，該地區風化砂為級配不良細砂。

試驗將風化砂按照不同的比例摻入到膨脹土中進行對比研究。根據摻砂質量比例的不同，將混合試樣分別進行編號，摻砂的質量比例分別為0、10%、20%、30%、40%、50%，對應的試樣編號依次為 1﹟、2﹟、3﹟、4﹟、5﹟、6﹟。

3 不同摻砂量對膨脹土的擊實試驗影響

擊實試驗按照《公路土工試驗規程》(JTG E 40—2007)制備擊實土樣，土樣采用干法制備，擊實土樣不重復使用[7]。取一定量風干的膨脹土和風化砂，按照試驗設計的配合比，配置不同比例的摻砂膨脹土樣。按照土工試驗規程選用DJ－Q型電動擊實儀進行重型擊實試驗，選用直徑15.2 cm的擊實桶，土樣分3層，每層98擊，單位體積的擊實功為2 677.2 kJ/m3。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E 51—2009)，每個土樣做2組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的2組結果的平均值作為最終試驗結果。不同摻砂量改良膨脹土的擊實試驗結果見表3。

表3 不同摻砂量改良膨脹土的擊實試驗結果Table 3 Compaction test results of modified expansive soil with different dosages of sand

試驗結果表明如下幾點。

1)摻砂改變了膨脹土的擊實特性。

2)摻砂后，膨脹土的最佳含水率降低，且隨著摻砂量的增大，最佳含水率降低的程度先減小后增大，摻砂比例在0～30%變化時，最佳含水率變化的幅度約為25%，摻砂比例從30%增大到50%時，最佳含水率的減小幅度約為50%。產生這一現象的原因是由于加入風化砂之后，膨脹土的黏性越來越低，保水性也隨著降低，當摻砂比例達到一定程度時，由于試驗采用的風化砂粒徑較細，故遇水以后，其水穩定性較差。

3)孔隙率隨著摻砂量的增加而增大，因為膨脹土屬于高黏性土，摻入粒徑較細的風化砂之后，增大了土顆粒之間的摩擦力，減小了黏性，增大了孔隙率。由于試驗采用的風化砂以細粒含量為主，故摻砂量的增加并沒有對孔隙率產生太大的影響。

4)最大干密度隨著風化砂的加入，先逐漸增大，且隨著風化砂摻量的增加，最大干密度增大的幅度也隨著加大，當摻砂量達到20%時，其最大干密度達到最大值，繼續摻入風化砂后，其干密度開始逐漸減小，且減小的幅度逐漸降低。產生這一現象的主要原因是摻入不同含量的風化砂，膨脹土的孔隙率、重度和最佳含水率均發生了改變，從而導致最大干密度也會發生相應的變化。

綜上試驗現象分析可知，摻入20%的風化砂對改良后的水穩定性和最大干密度均有最好的效果。

4 不同摻砂量對膨脹性指標的影響試驗

4.1 不同摻砂量對膨脹土的自由膨脹率影響試驗

自由膨脹率是指松散的烘干土粒在水和空氣中分別自由堆積的體積之差與空氣中自由堆積的體積之比，它反映了膨脹土的膨脹潛勢的高低，同時也是反映膨脹土膨脹性質的最直觀的指標，常作為膨脹土判別和分類的指標。

根據《公路土工試驗規程》(JTG E 40—2007)，先將風干碾細的膨脹土土樣和風化砂分別過孔徑為0.5 mm的篩，然后在105～110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷卻后按照設計的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣，用標準量土杯取10 mL土樣進行自由膨脹率試驗。每個土樣做4組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的4組結果的平均值作為最終試驗結果。不同摻砂量改良膨脹土的自由膨脹率試驗結果見表4。

表4 不同摻砂量對自由膨脹率指標的影響Table 4 The impact on the free expansion rate index with different dosages of sand

從表4中能夠看出如下幾點。

1)摻風化砂后膨脹土的自由膨脹率較未摻砂的要顯著降低，說明摻砂對于抑制弱膨脹土的膨脹性起到了一定的作用。這是因為摻入風化砂后，一方面膨脹土的總量減少導致膨脹量有所降低，另一方面，由于砂粒之間的摩阻力作用，抵消了一部分膨脹能量。

2)隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率逐漸降低，從純膨脹土到摻砂50%，膨脹土的自由膨脹率從43.5%下降到17.0%。從理論上講，如果風化砂無法抑制膨脹，那么摻風化砂量為50%時，自由膨脹率也應減半至21%，但試驗結果顯示，自由膨脹率的減少量并非與風化砂摻量增加成直線比例變化，這進一步驗證了摻風化砂能有效抑制膨脹土的自由膨脹。

3)隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率降低的幅度逐漸減小。這是因為膨脹土與風化砂拌和后，當風化砂含量比較少時，膨脹土顆粒將風化砂顆粒包裹著，膨脹的時候，風化砂能充分發揮作用，吸收膨脹能量;當風化砂摻量增大到40%以后，由于風化砂含量過大，一部分風化砂互相嵌擠并沒有完全被利用，故在宏觀上表現為自由膨脹率降低幅度減緩。當摻砂比例從0增大到10%的時候，自由膨脹率降低幅度最大，此時的摻砂效果是最好的。

4.2 不同摻砂量對膨脹土無荷膨脹率影響試驗

無荷膨脹率是指試樣在無荷載有側限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，常作為評價黏性土膨脹潛勢的參考指標。

根據《公路土工試驗規程》(JTG E 40—2007)，將風干碾細的膨脹土土樣和風化砂分別過2 mm標準篩，在105～110℃下烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻后按照設計的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣。根據重型擊實試驗得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態下的摻砂土樣，然后燜料制樣，無荷膨脹率試樣直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用WZ－2型膨脹儀進行測試。每個土樣做2組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的2組結果的平均值作為最終試驗結果，不同摻砂量對膨脹土的無荷膨脹率影響的試驗結果見表5。

從表5試驗結果中可以看出如下幾點。

1)在有側限無荷載的條件下，隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無荷膨脹率逐漸減小，摻砂之后，無荷膨脹率從9.39%減小到6.83%。

表5 不同摻砂量對無荷膨脹率指標的影響Table 5 The impact on the free load expansion rate index with different dosages of sand

2)摻砂膨脹土的無荷膨脹率比未摻砂前低，但是摻砂之后無荷膨脹率減少量并不是很明顯，說明摻砂對膨脹土的無荷載膨脹率的影響較小。

3)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無荷膨脹率減小的趨勢平緩。通過試驗對比發現，無荷膨脹率與摻砂比例之間呈線性關系，關系式為

式中，φ為摻砂量;δe為無荷膨脹率。

通過計算，無荷膨脹率與摻砂比例之間的相關系數為0.994 5，這表明摻砂對膨脹土的無荷膨脹率基本上影響不大。

4.3 不同摻砂量對膨脹土有荷膨脹率影響試驗

有荷膨脹率指土樣在有荷載、有側限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，一般用來模擬覆蓋壓力或者某一特定荷載下土的膨脹率，研究荷載與膨脹率之間的關系。

根據《公路土工試驗規程》(JTG E 40—2007)，將風干碾細的膨脹土土樣和風化砂分別過2 mm標準篩，在105～110℃下烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻后按照設計的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣。根據重型擊實試驗得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態下的摻砂土樣，然后燜料制樣，無荷膨脹率試樣直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用雙聯固結儀進行測試。根據工程的需要，測試25 kPa和50 kPa下的膨脹率。每個土樣做2組平行試驗，取平行試驗差值滿足精度要求的2組結果的平均值作為最終試驗結果。不同摻砂量對膨脹土的有荷膨脹率影響的試驗結果見表6。

從表6的試驗結果能夠看出如下幾點。

1)摻砂膨脹土的有荷膨脹率比未摻砂前明顯降低;摻砂前，25 kPa的膨脹率為2.34%，摻砂50%后變為0.56%;摻砂前，50 kPa的膨脹率為1.69%，摻砂50%后變為0.09%。

表6 不同摻砂量對有荷膨脹率指標的影響Table 6 The impact on the loaded expansion rate index with different dosages of sand

2)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的有荷膨脹率減小量逐漸減少。當摻砂量為10%時，25 kPa的膨脹率較未摻砂的膨脹率減小了0.36%;當摻砂量為20%時，25 kPa的膨脹率較摻砂量10%的膨脹率減小了0.31%;當摻砂量分別為30%和40%時，25 kPa的膨脹率較前一級減小量分別為0.12%和0.08%。由此可見，如果從25 kPa作用下的有荷膨脹率來評價改良效果，摻砂量為20%時效果最好。

3)隨著摻砂比例的增大，50 kPa的膨脹率的變化呈現周期性衰減，摻砂量為10%時，50 kPa的膨脹率較未摻砂減少了0.33%;摻砂量為20%時，50 kPa的膨脹率較摻砂10%減少了0.5%;摻砂量為30%時，50 kPa的膨脹率較摻砂20%減少了0.17%;摻砂量為40%時，50 kPa的膨脹率較摻砂30%減少了0.57%;摻砂量為50%時，50 kPa的膨脹率較摻砂40%減少了0.03%。由此可見，如果從50 kPa作用下的有荷膨脹率來評價改良效果，也是摻砂量為20%時效果最好。

4)通過對相同摻砂量不同荷載下有荷膨脹率的比較，荷載越大，土樣的膨脹率越小，說明增加荷載能抑制膨脹土的膨脹。產生這一現象的主要原因是因為外荷載能抵消膨脹土的膨脹力，外荷載越大，抵消的膨脹力就越多。

4.4 不同摻砂量對膨脹土的膨脹力影響試驗

膨脹力是指在不允許側向變形的情況下，保持土體充分吸水而不發生豎向膨脹所需施加的最大壓力值[8～10]，是評定膨脹土膨脹潛勢的重要指標。

根據《公路土工試驗規程》(JTG E 40—2007)，將風干碾細的膨脹土土樣和風化砂分別過2 mm標準篩，在105～110℃下烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻后按照設計的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣。根據重型擊實試驗得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態下的摻砂土樣，然后燜料制樣，膨脹力試樣直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用平衡加壓法進行測試。每組土樣做4組平行試驗，取平行差值滿足精度要求的4組結果的平均值作為最終試驗結果。不同摻砂量對膨脹土的膨脹力影響的試驗結果見表7。

表7 不同摻砂量對膨脹力指標的影響Table 7 The impact on the expansion force index with different dosages of sand

從表7中可以看出如下幾點。

1)摻風化砂膨脹土的膨脹力比未摻砂前有顯著的降低，說明摻風化砂對于抵消膨脹力，抑制膨脹土的膨脹起到了較好的效果。

2)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力逐漸減小。摻砂前，土樣的膨脹力為72.54 kPa;摻砂量為50%時，土樣的膨脹力為11.23 kPa。

3)隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力減小的幅度逐漸變緩慢。通過實驗對比發現，當摻砂比例從0增大到10%的時候，此時膨脹力減小的幅度是最大的，摻砂的效果最好。

5 結語

1)研究表明，摻風化砂對抑制膨脹土的膨脹是有效的，不同的摻砂量對改良膨脹土的膨脹指標有明顯的影響。

2)通過研究及其比對試驗結果，可知摻風化砂改良膨脹土的方法可行，經過風化砂改良的膨脹土的膨脹率可以達到路基填料膨脹指標的要求。

3)摻風化砂降低了膨脹土的最佳含水率，提高了膨脹土的最大干密度，減小了膨脹土的空隙率，表明摻砂改變了膨脹土的含水特性和密實特性。

4)試驗研究表明，摻風化砂降低了膨脹土的最佳含水率，摻砂40%時，最佳含水率減小得最為顯著;摻砂增大了膨脹土的最大干密度，摻砂20%時，最大干密度增大得最為明顯。

5)摻砂對膨脹性指標影響較大，摻砂10%時，自由膨脹率、無荷膨脹率和膨脹力降低最顯著;摻砂20%時，有荷膨脹率減小最明顯。

6)本文只是針對該地方的土性而進行的試驗，把結果應用于其他地方時，應注意修正，并具體地方具體試驗。綜合考慮抑制膨脹性、水穩定等方面因素，確定摻砂20%對改良小鴉一級公路膨脹土有最好的效果。

[1]陳守義，姚海琳.當宜高速公路膨脹土巖土力學性質研究專題報告[R].武漢:中國科學院武漢巖土力學研究所，1998.

[2]惠會清，雷勝友.膨脹土的膨脹機理及其改良方法的綜述[J].公路交通科技，2005，22(9):90 －92.

[3]張季如，徐三峽.石灰和粉煤灰穩定膨脹土路基的壓實特性研究[J].武漢理工大學學報，2002，24(9):27－30.

[4]張季如，尹光輝，李明海.弱膨脹土特性及路堤填筑控制標準探討[J]. 武漢理工大學學報，2003，25(1):37－39.

[5]尚云東，耿丙彥.HTAB改良膨脹土性能試驗研究[J].土木工程學報，2010，43(9):138 －143.

[6]雷勝友，惠會清.固化液改良膨脹土性能試驗研究[J].巖土工程學報，2004，26(5):612 －615.

[7]饒錫保，黃 斌，吳云剛，等.膨脹土擊實樣膨脹特性研究[J].武漢大學學報(工學版)，2011，44(2):211 －215.

[8]丁振洲，鄭穎人，李利晟.膨脹力變化規律試驗研究[J].巖土力學，2007，28(7):1329 －1332.

[9]余 飛，余 靜，陳善雄，等.膨脹土CMA改性與石灰改性對比試驗[J].華中科技大學學報，2006，34(8):100 －103.

[10]陳善雄，李伏保，孔令偉.弱膨脹土工程特性及其路基處治對策[J].巖土力學，2006，27(3):353 －359.