摻砂率及初始干密度對(duì)改良膨脹土無(wú)荷膨脹率影響研究

楊 俊 ，楊 志 ，張國(guó)棟，唐云偉，陳紅萍

（1.三峽大學(xué)三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002；3.宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌 443002；4.宜昌市公路管理局，湖北宜昌 443002）

摻砂率及初始干密度對(duì)改良膨脹土無(wú)荷膨脹率影響研究

楊 俊1，2，楊 志1，2，張國(guó)棟1，2，唐云偉3，陳紅萍4

（1.三峽大學(xué)三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002；3.宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌 443002；4.宜昌市公路管理局，湖北宜昌 443002）

本文通過(guò)室內(nèi)無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，對(duì)宜昌市某一級(jí)公路改建工程項(xiàng)目路段的膨脹土進(jìn)行了研究。重點(diǎn)分析了無(wú)荷膨脹率與時(shí)間、摻砂比例、初始干密度之間的關(guān)系，試驗(yàn)研究表明：無(wú)荷膨脹變形主要分為快速膨脹、減速膨脹和最終穩(wěn)定3個(gè)階段；在初始干密度一定時(shí)，風(fēng)化砂改性土的無(wú)荷膨脹率會(huì)隨著摻砂比例的增大先迅速降低然后緩慢降低，風(fēng)化砂改性土的無(wú)荷膨脹率對(duì)較大的摻砂量不敏感；在相同的摻砂比例下，風(fēng)化砂改性土的無(wú)荷膨脹率隨著初始干密度的增大會(huì)迅速增大，它們之間有很好的線性相關(guān)性，膨脹土在進(jìn)行路基填筑時(shí)，控制初始干密度有助于減小其膨脹變形，保證路基填土的穩(wěn)定性。

膨脹土；風(fēng)化砂；初始干密度；摻砂比例；無(wú)荷膨脹率

1 前言

膨脹土是一種對(duì)環(huán)境的濕熱變化十分敏感的特殊土體，主要由強(qiáng)親水性的蒙脫石和伊利石等黏土礦物組成，具有非常顯著的脹縮性和強(qiáng)度衰減性。由于膨脹土具有明顯的吸水膨脹、失水收縮的往返變形特征以及由原生和次生作用形成的土體中雜亂無(wú)章的裂隙，因此，膨脹土被公認(rèn)為是一種“難以對(duì)付的土”[1]。膨脹土的脹縮性是由于土顆粒中的黏土礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)成分或者是因結(jié)構(gòu)特征而造成的遇水膨脹、失水收縮的特性，它是實(shí)際工程中膨脹土病害的主要根源。

要研究膨脹土脹縮特性，實(shí)質(zhì)上就是要研究它的膨脹率和膨脹力，許多學(xué)者圍繞這一問(wèn)題展開了大量研究[2～5]，并得出：土自身的礦物成分、結(jié)構(gòu)特性、初始干密度、含水率等是影響膨脹率的主要因素。無(wú)荷膨脹率是表征膨脹土膨脹特性的一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo)，它是指在有側(cè)限條件、無(wú)垂直荷載的情況下，待膨脹土試樣吸水膨脹達(dá)到穩(wěn)定后，豎直方向的膨脹量與試樣初始高度之比，它能夠有效地反映膨脹土浸水飽和過(guò)程中整體的膨脹潛勢(shì)。為了抑制膨脹土的膨脹潛勢(shì)，改善膨脹土的特性，常常需要加入改性材料對(duì)其進(jìn)行改良，使之達(dá)到路基的使用性能。工程中使用比較多的改性材料是水泥、石灰、粉煤灰等[6～10]，但這些改性材料都主要是以化學(xué)改良為主，具有一定的時(shí)效性，并且水泥、石灰、粉煤灰均是粉末狀，現(xiàn)場(chǎng)施工難以拌合。本文擬采用一種新型的改良方法，采用宜昌市廣泛分布的風(fēng)化砂對(duì)宜昌市某一級(jí)公路改建工程項(xiàng)目路段的膨脹土進(jìn)行改良，并研究了不同的初始干密度和摻砂比例對(duì)改良膨脹土無(wú)荷膨脹率的影響規(guī)律，為風(fēng)化砂用作膨脹土的改良材料提供了一定的參考與借鑒作用。

2 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

2.1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)采用湖北省宜昌市某一級(jí)公路改建項(xiàng)目路段的膨脹土，該膨脹土從外觀上看土質(zhì)均勻、顏色灰白、結(jié)構(gòu)較致密、有滑感，經(jīng)試驗(yàn)得出，天然含水率29.43%，有較強(qiáng)的黏性和可塑性。具體參數(shù)見表1，從表1可以看出：膨脹土液限70.53%，塑性24.09%，塑性指數(shù)46.44%>17%，故此膨脹土為高液限黏土；自由膨脹率43%，在40%與60%之間，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》可以判別此膨脹土為弱膨脹土。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)Table 1 The basic physical properties of expansive soil

2.2 風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)

風(fēng)化砂取自此一級(jí)公路改建工程的沿線路段，顏色呈土黃色，細(xì)顆粒比較多，硬度較高并且具有一定的棱角。由表2可以看出：風(fēng)化砂的不均勻系數(shù)為2.84<5，曲率系數(shù)為0.86<1，由此判斷該風(fēng)化砂為級(jí)配不良砂。

表2 風(fēng)化細(xì)砂的基本物理性質(zhì)Table 2 The basic physical properties of weathered sand

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）進(jìn)行，制樣前，先將膨脹土風(fēng)干過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩烘干，風(fēng)化砂摻量按照0、10%、20%、30%、40%、50%分別摻入到膨脹土中，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)。得出各個(gè)摻砂比例下改良膨脹土的最佳含水率和最大干密度，如表3所示。

表3 風(fēng)化砂改良膨脹土的最佳含水率和最大干密度Table 3 The optimum moisture content and maximum dry density of weathered sand improved expansive soil

根據(jù)表3重型擊實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出各個(gè)摻砂比例下的最佳含水率在12%左右，因此本次試驗(yàn)將含水率均控制在12%，以此配料，采用靜壓制樣的方法控制試驗(yàn)土樣的初始干密度，其中初始干密度分別為1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3、1.9 g/cm3、2.0 g/cm3，環(huán)刀直徑61.8 mm、高2 mm。試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)Fig.1 Free load swelling rate test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，無(wú)荷膨脹率歷時(shí)48 h，膨脹趨于穩(wěn)定，得出不同初始干密度和摻砂比例下改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果，見表4。

3.1 風(fēng)化砂改良膨脹土無(wú)荷膨脹率與時(shí)間的關(guān)系及分析

風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。

表4 不同的初始干密度和摻砂比例下改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率Table 4 Free load swelling rate test under different initial dry density and the proportion of mixed sand improved expansive soil

從圖2可以看出無(wú)荷膨脹率隨時(shí)間的變化大致分為3個(gè)階段。

1）快速膨脹階段。在此階段膨脹土的無(wú)荷膨脹變形速率很快，但它的持續(xù)時(shí)間較短，并且不同初始干密度的試樣等速膨脹的持續(xù)時(shí)間和速率均不相同，膨脹初期初始干密度小的膨脹變形速率最大，持續(xù)時(shí)間最短，且摻砂比例小的膨脹變形速率大于摻砂比例較大的，此階段的膨脹率占最終膨脹率的85%左右。這是由于在膨脹變形初期，黏性土顆粒土的吸水速率很高，且在膨脹變形初期，試樣的體積是一定的，當(dāng)初始干密度越小時(shí)，則試樣中的空隙越大，試樣的滲透性越好，膨脹變形速率就越快。

圖2 無(wú)荷膨脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 The curves between free load swelling rate and time

2）減速膨脹階段。此階段膨脹土的變形繼續(xù)增大，但其速率不斷減小，它的膨脹率達(dá)到最終膨脹率的15%左右。這是由于此階段水分逐漸充滿試樣內(nèi)部，使其吸水速率變慢，膨脹變形速率減小。

3）穩(wěn)定階段。當(dāng)膨脹土試樣浸水12 h后，無(wú)荷膨脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線基本水平，表明此階段的膨脹率基本保持不變，膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定。這是由于此階段膨脹土試樣已經(jīng)吸水飽和，試樣中的土顆粒已經(jīng)膨脹完全，使此階段的膨脹率基本保持不變。

3.2 摻砂比例對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土無(wú)荷膨脹率影響分析

由表4中的試驗(yàn)結(jié)果，得到了風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率與摻砂比例之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 無(wú)荷膨脹率與摻砂比例之間的關(guān)系曲線Fig.3 The curves between free load swelling rate and the proportion of mixed sand

由表4和圖3可以看出。

1）風(fēng)化砂可以顯著降低改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率，且摻砂比例越大，則風(fēng)化砂改性土的無(wú)荷膨脹率降低得越多。表明風(fēng)化砂能有效的抑制膨脹土的膨脹潛勢(shì)，使之達(dá)到公路路基的使用標(biāo)準(zhǔn)。

2）在相同的初始干密度下，風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率隨著摻砂比例的增大先迅速降低然后緩慢降低，當(dāng)摻砂比例在50%時(shí)，無(wú)荷膨脹率降低在8%左右。其中，風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率在摻砂比例0～20%降低速度最快，降低幅度在5%左右，在摻砂比例20%～50%降低速度減緩，降低幅度在2%左右。這是由于風(fēng)化砂有一定的粒徑和棱角，在膨脹土中摻入風(fēng)化砂時(shí)，土顆粒與砂顆粒會(huì)交叉團(tuán)聚在一起，風(fēng)化砂的棱角會(huì)對(duì)土顆粒的膨脹產(chǎn)生很大阻力，以及風(fēng)化砂的摻入會(huì)導(dǎo)致試樣中的土顆粒明顯減少，促使改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率大幅度降低，這種現(xiàn)象在摻砂比例0～20%表現(xiàn)得最為顯著，而當(dāng)摻砂比例比較大時(shí)，改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率降低幅度不大，也表明無(wú)荷膨脹率對(duì)較大的摻砂量不敏感。

3.3 初始干密度對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土無(wú)荷膨脹率影響分析

由表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率與初始干密度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 風(fēng)化砂改良膨脹土無(wú)荷膨脹率與初始干密度之間的關(guān)系曲線Fig.4 The curves between free load swelling rate and initial dry density of weathered sand improved expansive soil

從表4和圖2可以看出：初始干密度對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率有著顯著影響。在摻砂比例一定時(shí)，風(fēng)化砂改性土的無(wú)荷膨脹率隨著初始干密度的增大而迅速增加；當(dāng)摻砂比例為0時(shí)，無(wú)荷膨脹率從初始干密度1.6～2.0 g/cm3增長(zhǎng)了6.76%；摻砂比例為10%時(shí)，無(wú)荷膨脹率從初始干密度1.6～2.0 g/cm3增長(zhǎng)了7.28%；摻砂比例為20%時(shí)，無(wú)荷膨脹率從初始干密度1.6～2.0 g/cm3增長(zhǎng)了4.93%；摻砂比例為30%時(shí)，無(wú)荷膨脹率從初始干密度1.6～2.0 g/cm3增長(zhǎng)了4.73%，摻砂比例為40%時(shí)，無(wú)荷膨脹率從初始干密度1.6～2.0 g/cm3增長(zhǎng)了4.44%；摻砂比例為50%時(shí)，無(wú)荷膨脹率從初始干密度1.6～2.0 g/cm3增長(zhǎng)了4.71%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是膨脹土試樣在體積一定時(shí)，隨著初始干密度的增大，則試樣相應(yīng)的壓實(shí)度越大，單位體積內(nèi)膨脹土的顆粒就越多，試樣的膨脹變形潛勢(shì)也就會(huì)越大，最終導(dǎo)致試樣的無(wú)荷膨脹率迅速提高。

圖5是在相同的摻砂比例下，改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率與初始干密度之間的擬合關(guān)系曲線圖。

圖5 改良膨脹土無(wú)荷膨脹率與初始干密度之間的擬合關(guān)系曲線Fig.5 The fitting curves between free load swelling rate and initial dry density of weathered sand improved expansive soil

通過(guò)圖5可以看出：在摻砂比例一定時(shí)，改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率隨著初始干密度的增大呈線性增長(zhǎng)，它們之間有著很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，表明在進(jìn)行膨脹土的路基施工時(shí)，要適當(dāng)?shù)目刂破涑跏几擅芏龋@樣有助于減小膨脹土的膨脹率，以保證路基填土的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不同初始干密度和摻砂比例對(duì)膨脹土無(wú)荷膨脹率的影響研究，可以得出以下結(jié)論。

1）膨脹土無(wú)荷膨脹變形主要分為3個(gè)階段：快速膨脹階段、減速膨脹階段和穩(wěn)定階段，其中快速增長(zhǎng)階段的無(wú)荷膨脹率占總膨脹率的85%左右，減速膨脹階段占15%。穩(wěn)定階段占0%。

2）風(fēng)化砂可以有效的抑制膨脹土的膨脹潛勢(shì)，使之達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)；在初始干密度一定時(shí)，風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率會(huì)隨著摻砂比例的增大而顯著降低，且風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率對(duì)較大的摻砂量不敏感。

3）初始干密度對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率有著顯著影響。在相同的摻砂比例下，風(fēng)化砂改良膨脹土的無(wú)荷膨脹率隨著初始干密度的增大會(huì)迅速增大，它們之間有很好的線性相關(guān)性，因此，在進(jìn)行膨脹土的路基填筑施工時(shí)，適當(dāng)?shù)目刂破涑跏几擅芏龋兄跍p小膨脹土的膨脹率，保證路基填土的穩(wěn)定性。

[1]胡 瑾，王保田，張文慧，等.無(wú)荷和有荷條件下膨脹土變形規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（增刊1）：335-338.

[2]黃華縣，張春順.膨脹土膨脹變形時(shí)程特性研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（4）：6-10.

[3]韋秉旭.側(cè)限條件下膨脹土膨脹變形試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2007，24（10）：48-52.

[4]饒錫保，黃 斌，吳云剛，等.膨脹土擊實(shí)樣膨脹特性試驗(yàn)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，44（2）：211-215.

[5]楊 明，馬曉英.皖西壓實(shí)膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，31（10）：1688-1681.

[6]周葆春，孔令偉，郭愛國(guó).荊門弱膨脹土的脹縮與滲透特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（增2）：424-430.

[7]劉曉義，楊有海.石灰改良膨脹土填料試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012，（1）：20-22.

[8]黃 斌，聶 瓊，徐言勇，等.膨脹土水泥改性試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26（11）：27-30.

[9]李東森，夏熙臨，陳叢叢，等.石灰、水泥及砂改性膨脹土工程特性的試驗(yàn)研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9（4）：25-27.

[10]劉偉靜，劉 冰，楊元明，等.粉煤灰改性膨脹土的試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011，（3）：94-97.

Experimental research on the mixed sand ratio and initial dry density of weathered sand improved expansive soil free load swelling rate

Yang Jun1，2，Yang Zhi1，2，Zhang Guodong1，2，Tang Yunwei3，Chen Hongping4

（1.Collaborative Innovation Center of Geological Hazards and Ecological Environment in Three Gorges Area in Hubei Province，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China；2.Civil and Architectural Institute，China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002，China；3.Yichang Transport Bureau，Yichang，Hubei 443002，China；4.Yichang Highway Administration，Yichang，Hubei 443002，China）

Through the indoor free load swelling rate test，Yichang City，a section of a highway reconstruction project of expansive soil were studied.Key analysis free load swelling rate of a non-load time，the proportion of mixed sand，the relationship between the initial dry density，experimental studies have shown that：Free load swelling rate is mainly divided into rapid expansion，slow expansion and eventually stabilize in three stages；during the initial dry density is constant，weathered sand soil free load swelling rate will increase the proportion of sand mixed with the rapid decrease slowly after the first lower，weathered sand soil modified free load swelling rate is not sensitive to the amount of sand mixed；in the same mixed sand ratio，weathered sand soil free load swelling rate increases with increasing initial dry density increases rapidly between them have a good linear correlation，expansive soil subgrade construction in progress when control of the initial dry density，to help reduce its swelling deformation，ensuring the stability of embankment.

expansive soils；weathered sand；initial dry density；mixing sand ratio；free load swelling rate

TU411.3

A

1009-1742-（2014）02-0073-06

2013-07-17

湖北省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（D20131304）

楊 俊，1976年出生，男，湖北武漢市人，副教授，主要從事不良路基處理研究；E-mail：wangjing750301@163.com