石灰改良膨脹土的工程特性研究

李經輝

（海南協立工程咨詢有限公司，海南海口 570100）

石灰改良膨脹土的工程特性研究

李經輝

（海南協立工程咨詢有限公司，海南海口 570100）

膨脹土在干濕循環作用下發生的脹縮效應易發生各種工程病害。文中結合工程實例，針對石灰改性劑對膨脹土的影響進行試驗研究。結果表明，石灰改良膨脹土能有效減緩土的脹縮作用帶來的破壞，在浸水狀態下，改良膨脹土的CBR強度指標滿足設計要求，且脹縮量較小，最大不超過1%，在控制膨脹土初始含水量等條件下能作為路基填料。

公路；膨脹土；脹縮；浸水；含水量

膨脹土在溫度、天氣等反復作用下會發生反復的脹縮作用，引起土體開裂，對公路的穩定性造成極大影響，所以在世界范圍內，膨脹土被稱為“工程界之癌”。膨脹土在中國分布廣泛。關于膨脹土及其影響的問題學者們作出了許多有益探索：李雄威等根據前人對膨脹土裂隙的研究，以自編軟件對廣西某工程項目在不同含水率下的裂隙發展狀態進行了現場記錄，并通過二值化處理和自動分析統計，得出了膨脹土體裂隙與滲透系數、含水率等的關系；膨脹土易受干濕循環影響而發生脹縮，呂海波等通過相關干濕循環試驗，控制土體的含水率、循環次數等參數，研究了膨脹土的抗剪強度在干濕循環作用下的影響因素，結果表明抗剪強度受循環次數的增大而減小，且干濕循環作用將造成土體顆粒間聯結力的不可逆削弱；崔素麗等對膨脹土添加水泥窯灰改性劑，通過對改性膨脹土的膨脹特性、水理特性等的研究，驗證了水泥窯灰對膨脹土脹縮效應具有良好的改性作用，可有效提高路基填土的穩定性。該文以東南沿海某道路工程為例，結合室內試驗，對石灰改良的弱膨脹土進行研究，為公路路基在膨脹土分布較廣地區的填料就地取材和工程應用提供參考。

1　工程概況

該工程所在地區降雨充沛，屬于典型的亞熱帶季風氣候區。巖溶地貌中分布了廣泛的膨脹土，以伊利石、蒙脫石為主。該地區干濕特征分明，對干濕循環引起膨脹土的脹縮效應有促進作用。開挖發現多為棕黃色黏土，裂隙發育，并且有白色填充物。根據現場測試結果，對較為典型的膨脹土標段K36+ 020—120、K63+000—150進行室內外試驗研究。在現場取土深度2.0～3.3m進行試驗指標檢測，表1為其平均物理性質指標。參照GB50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》，判定該標段多為弱膨脹土。表2為試驗段的土體化學成分指標。

表1　試驗段膨脹土的物理性質指標

表2　試驗膨脹土化學指標

2　試驗方案

膨脹土問題在工程上常采用化學加固的機理來解決，其中以石灰作為化學改良劑摻入膨脹土中發生石灰效應，對膨脹土的工程性質可起到較好的改善作用，是常用的解決方案之一。石灰改良膨脹土能通過摻加劑與土顆粒間在堿性條件下的離子交換和絮凝作用，提高土的性質，隨齡期的增加，改良膨脹土的穩定性得到有效提高，同時伴隨生石灰CaO水解反應引起的吸水放熱現象，一方面降低膨脹土的含水率，另一方面由于反應進行后的Ca（OH）2體積增大，進一步對巖體產生凝固作用。

膨脹土受土體含水率、壓實功及石灰改良劑摻量的影響較大，且在室內進行的CBR試驗不能真實模擬現場的土體環境，故擬在K36+020—120、K63 +000—150分別進行現場試驗，對比分析素膨脹土在擊實試驗下的最佳含水量和最大干密度變化，并通過自由膨脹勢試驗、現場CBR指標研究該段公路路基填土的性質；對比素膨脹土，根據試驗結果確定石灰改良劑的最佳摻量及該地區膨脹土的含水率控制值。試驗所用石灰的化學成分包括：CaO，含量為74.28%；MgO，含量為0.55%。

3　試驗結果及分析

3.1 擊實試驗

含水率對土的壓實度影響較大。首先根據JTGE40-2007的相關要求，選用干法制備試件，并采取重型擊實法進行試驗，控制試驗的擊實次數（27、70、95擊），摻入5%的石灰（理論最佳摻量），得到最佳含水量和最大干密度值（見表3）。

表3　膨脹土擊實試驗結果

由表3可知：隨擊實功的增加，石灰改良膨脹土和素膨脹土的含水量和最大干密度的變化趨勢相似；6%石灰摻量對膨脹土含水量有較大改善，在27擊時，石灰改良膨脹土的含水量較素膨脹土試件降低8%，最大干密度值則增大，且隨擊實次數的增加呈遞增趨勢。膨脹土易受含水率變化發生脹縮反應，其干密度勢必會呈相反變化，石灰添加劑能降低土的含水率，使土體的聯結結構發生變化，提高膨脹土體的抗剪強度。

3.2自由膨脹率試驗

自由膨脹率是在無結構外力荷載下土顆粒間的自由膨脹特征，工程上常用它作為土體膨脹勢的初判指標。在K36+020—120、K63+000—150段現場取多個點進行自由膨脹率試驗，取樣深度2.1～3.2m，并與工程前期該段膨脹土膨脹潛勢作對比，結果見圖1。

工程中把自由膨脹率δ＞40%的土評定為膨脹土。由圖1可見：8個取樣點處的膨脹土在摻入石灰后其自由膨脹率明顯降低，意味著改良膨脹土在結構穩定性方面得到提升。比較二者自由膨脹率最大的第2取樣點值，未添加石灰前的土體已超過中膨脹土的評定指標（65%＜δ＜90%），待石灰在土顆粒中得到充分作用后，自由膨脹率下降23.5%。受施工過程中人為及天氣等因素的影響，不同標段試驗結果有誤差，但石灰改良膨脹土的自由膨脹率均小于素膨脹土，表明石灰在土中發生的物理和化學反應對降低土的膨脹趨勢有較好的幫助。摻入石灰后，2、4、8取樣點附近呈中膨脹土改良為弱膨脹土的趨勢，其他幾個取樣點的弱膨脹潛勢也呈減緩趨勢。

圖1　膨脹土自由膨脹率試驗結果

3.3CBR試驗

在實際工程中，素膨脹土的CBR強度指標很難達到規范限值。在經過擊實試驗得到改良膨脹土的最佳含水量和最大干密度的基礎上，進行室內CBR試驗。由于膨脹土在浸水狀態下其粘聚力會受到較大影響而下降，土體的強度也將因此削減，故在進行CBR試驗時，選用最佳含水量及上下兩個量值，研究控制浸水條件下石灰改良膨脹土的特性。試驗結果見表4、表5、圖2。

表4　素膨脹土CBR試驗結果

表5　石灰改良膨脹土CBR試驗結果

圖2　試驗CBR指標

由表4、表5可知：石灰改良劑影響膨脹土的含水變化，在浸水后其膨脹率均不超過1%；而素膨脹土的浸水膨脹率最大值超過10%，脹縮效應十分強烈，如此反復影響下將導致土體裂隙不斷發育；素膨脹土浸水前后干密度最大變化達到11.1%。由于膨脹土中包含較多的親水黏土礦物，如高嶺石、蒙脫石等，不同濕度條件下晶體的晶層間距會發生較大改變，造成土體的脹縮量發生明顯差異，加上晶體自身親水化能力較強，膨脹土在不同浸水條件下會發生較大的膨脹效應。

在實際工程中，膨脹土的初始含水量至關重要，尤其在降雨量充沛、干濕交替反復條件下極易造成路基土體因外來水的侵入而發生脹縮，導致路基強度降低。應嚴格控制施工質量，一方面采用包邊法和對路面增加薄層防水材料抵制外來水對膨脹土路基的水損壞，另一方面應重視道路排水系統工程建設。石灰改良膨脹土的浸水膨脹率變化極小，通過適當的改性，膨脹土能作為路基的填料，節約成本。

由圖2可知：膨脹土受浸水作用影響很大，CBR最大值分布略小于理論最佳含水量，與素膨脹土的CBR值差值超過65%，這是由于素膨脹土在水的浸潤作用下粘聚力下降較快，遇水軟化膨脹造成土體強度削弱；加入石灰后，土體受水的影響幅值明顯減小，浸水狀態下的CBR強度值遠高于規范要求，與素膨脹土的最大差值達100%，石灰在膨脹土中發揮了充分效用。

4　結論

（1）膨脹土在6%的理論最佳石灰摻量改性作用下，其最佳含水量和最大干密度均朝有利方向變化，而土體的含水量將影響其脹縮效應強度，石灰改良膨脹土可在一定程度上減緩膨脹土路基的浸水破壞。

（2）在石灰的物化作用下，膨脹土的自由膨脹率下降23.5%，路基填土的整體膨脹潛勢得到削減。

（3）素膨脹土的CBR試驗值無法達到規范要求；加入石灰改性劑后，其浸水膨脹率變化不超過1%，承載比與素膨脹土的差值最大達到65%，完全滿足規范要求。膨脹土分布較廣地區可根據其實際情況采用物理或化學方式改良土質，避免工程上借方棄方帶來的不經濟、拖延工期等影響。

［1］ 李雄威，孔令偉，馮欣.非飽和膨脹土裂隙擴展性狀與工程效應分析［J］.武漢理工大學學報，2009，31（6）.

［2］ 呂海波，曾召田，趙艷林，等.膨脹土強度干濕循環試驗研究［J］.巖土力學，2009，30（12）.

［3］ 崔素麗，延愷，王安國.水泥窯灰（CKD）改性膨脹土的脹-縮特性試驗研究［J］.水文地質工程地質，2015（3）.

［4］ GB50112-2013，膨脹土地區建筑技術規范［S］.

［5］ 付巧云，周宏云.石灰改性膨脹土的工程性質試驗研究與施工質量控制［J］.交通科技，2005（4）.

［6］ 楊果林，范臻輝.常德—張家界高速公路慈利東互通段膨脹土工程特性及改性研究［J］.工程地質學報，2004，12（3）.

［7］ JTGE40-2007，公路土工試驗規程［S］.

［8］ 尚保平.義白一級公路膨脹土地區路基的處治［J］.山西交通科技，2004（6）.

［9］ 劉一強.高應力與低應力條件下膨脹土抗剪強度特性分析［J］.公路與汽遠，2015（1）.

［10］ JTGE60-2008，公路路基路面現場測試規程［S］.

U416.1

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1671-2668（2016）04-0095-03

2015-12-28