公路工程中膨脹土判別試驗研究

李承祥

摘要：膨脹土所具有的吸水膨脹、失水收縮并往復變形的性質，對路基的破壞作用不可低估，并且構成的破壞是不易修復的。為了保證道路在較長時間內路基的穩定和路面的平整度，達到安全舒適行車的目的，必須做好膨脹土的判別。 在本文中，將就公路工程中膨脹土判別試驗進行一定的研究與分析。

Abstract： The expansive soil has the characteristics of water absorption expansion， water loss shrinkage and reciprocating deformation， which have the imponderable destructive effect on the subgrade and the damage is not easy to repair. In order to ensure the stability of the roadbed in a long period of time and the smoothness of the road surface， to achieve the purpose of safe and comfortable driving， we must do a good job of expansive soil. In this paper， the study of the expansive soil in highway engineering is studied and analyzed.

關鍵詞：公路工程；膨脹土；判別試驗

Key words： highway engineering；expansive soil；discrimination test

中圖分類號：U412.22 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0105-03

0 引言

具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性的膨脹土性質極不穩定。如果在建筑施工中用在了不適合的工況下，會造成建筑物開裂，地坪、公路路面則會出現縱向長條和網格狀的裂縫。尤其對公路工程來說，膨脹土所具有的吸水膨脹、失水收縮并往復變形的性質，對路基的破壞作用不可低估，并且構成的破壞是不易修復的。為了保證道路在較長時間內路基的穩定和路面的平整度，達到安全、舒適行車的目的，必須做好膨脹土的判別。在本文中，將就公路工程中膨脹土判別試驗進行一定的研究與分析。

1 膨脹土的特點及其對公路工程的影響

膨脹土是一種富含親水性礦物，并且隨含水量增減，體積發生顯著脹縮變形的高塑性粘土。膨脹土一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，性質極不穩定。

對公路工程來說，膨脹土吸水膨脹，失水收縮，屬于容易變形軟弱土。若用在路基施工中，必然不利于路基穩定，嚴重的情況下會對路基構成不可修復的破壞。為了保持路基穩定，確保行車安全、舒適，施工前應該采用正確的方法對膨脹土進行判別。另外，對已完工的公路工程，準確地了解膨脹土的特性及變化的條件，就能夠獲知地基變形趨勢，進而采取有效的應對措施。

2 膨脹土判別試驗——標準吸濕含水率的試驗

2.1 標準吸濕含水率試驗概念

標準吸濕含水率是指在標準相對濕度以及溫度條件下，土樣恒重后的含水率，該指標能夠反映出土樣在標準條件下所具有的最大持水能力。

在標準吸濕含水率試驗，將膨脹土試樣在經過處理之后放置在具有溴化鈉溶液的容器當中，在固定溫度下，該溶液能夠以較為精確的形式實現干燥箱當中水蒸氣分壓的確定，之后，再將其放置在恒溫試驗室當中稱重。

2.2 試驗原理

2.2.1 BET方程

目前，BET方程被廣泛的應用在不同土體類型當中。在BET當中，其假定在土粒表面具有第一層氣體分子的吸附，同第二、第三層相比，具有更大的能量。在第一層氣體吸附中，其能量具有一定的固體特性，且隨后的吸附熱同自身液相具有相適應的特征。對該吸附理論來說，其在以動力學原理為基礎的情況下，通過應用重點研究了兩條假設：一是在吸附平衡的工況下，第n層分子層上裸露的氣體分子的吸附速度，與第n+1層分子的逃逸速度一致；二是除首層吸附分子以外的各層分子所具有的吸附熱與氣體液化熱相等。在對不同氣壓狀況下吸附氣體的體積進行測定后，通過BET公式的應用即能夠對每一克土壤之上形成分子層的氣體數量需求進行求出，之后再根據氣體分子大小做好土壤表面積的計算。對于該種方式來說，其在具體測定當中具有較為復雜的特征，且具有較高的條件要求，因氣體無法進入晶層間，所測得的表面積只是外表面積，該特性的存在，則使其并不適用于膨脹性礦物。除了該方式之外，另一種方式即極性有機分子吸附，即先使極性有機分子成單分子或雙分子層吸附于土壤顆粒表面，基于吸附的重量以及有機分子的大小，通過運算得到土壤的總表面積。

2.2.2 土粒表面水

在蛭石中，很多水化無機陽離子都具有較為穩定的晶層間距，其中鎂離子就是一個比較特殊的例子。晶層間距產生過渡的溫濕度即為陽離子的函數，這種現狀可見于所有膨脹性硅晶層，且陽離子飽與晶層過渡階段從1.2至1.5nm往往會在同一濕度情況下發生，而貝得石、鈣飽和皂石等晶層也將在同樣的相對濕度情況下使被置換蛭石晶層在間距方面發生變化，而對從八面體晶層置換的則不會發生變化。鈉晶層即具有部分近似或者近似情況發生，而晶層間距同含水量間也不存在對應關系，即在1.2nm以上以及1.5nm以上這兩個階段，其具有較為穩定的含水量，且形成具有連續特征的系列。

2.3 試驗目的

在《公路土工試驗規程》JTG E40-2007中，已經介紹了兩種對土的標準吸濕含水率的試驗方法，一種是干燥缸法，一種是恒溫恒濕箱法。這兩種方法中，干燥缸法可以準確的控制濕度，但是要想控制溫度需要在室內配置兩臺冷暖空調以保證溫度；而恒溫恒濕箱法雖然可以準確地控制試驗需要的溫濕度，但是需要重新配置一臺新的恒溫恒濕箱用于試驗，這既提高了費用，同時又增加了試驗室建設成本。這兩種試驗方法的成本都很高，為了節約成本，提高檢測方法的適應性，本文在兩種試驗方法的基礎上進行了改良，具體如下。

2.3.1 試驗裝置

試驗裝置分為兩個部分，一是溫度控制部分，由水泥膠砂恒溫恒濕養護箱（溫度控制范圍20±2℃），另一部分是濕度控制組件，由干燥缸配套溴化鈉飽和溶液控制濕度。在具體操作中，其將通過布朗運動實現土粒在水方面吸附的平衡性，對此整個試驗具有較長的平衡時間。

在試驗中，所使用的其他設備有：

①烘箱：使用電熱烘箱保持溫度，也可以基于現實需要選擇紅外線烘箱；

②電子天平：感量為0.001g；

③鋁盒：直徑與土壤水分蒸發速度間具有正比關系的鋁制稱量盒，其高度需要控制在1.5cm以內，直徑在6cm以內；

④干燥器：需要盛有氯化鈣或其他干燥劑。

2.3.2 試驗試劑

采用蒸餾水配置1000mL溴化鈉溶液，溶液中可以有結晶，以確保配置好的鹽溶液為飽和溶液。

2.3.3 試驗步驟

①將潔凈的鋁盒放置在恒溫狀態下烘3-4h，在取出后在干燥器當中冷卻到室溫狀態，并使用天平進行稱量m0，具體操作時即可以按照此方式反復操作，直至恒重為止；

②擇取典型天然土體試樣，用小刀將土樣切削成薄片狀，將其放置在已知重量小鋁盒當中，并在盒底為止做好土樣的平鋪，之后計量好濕土以及盒子的總重m1；

③將完成配置后的溴化鈉溶液放置在干燥缸底部；

④將盒蓋打開，直接將裝有土樣的小鋁盒放置在干燥缸的多孔板上，蓋上干燥缸的蓋板，使用甘油在接口位置做好密封處理；

⑤將密封好的干燥缸放入水泥膠砂恒溫恒濕養護箱中，調節溫度控制器，使其溫度控制在20±2℃范圍內；

⑥試驗期間，每天取出土樣進行讀數的測度，對濕土與盒進行稱重，直至試樣達到恒重；

⑦將完成恒定的土樣放置到烘箱中，在105-110℃環境下烘焙12h；

⑧將鋁盒打開，將其放置到氯化鈣干燥器中放置到室溫稱量；

⑨將鋁盒再次放入到烘箱當中，在恒溫下烘焙3-4h，將鋁盒打開后蓋好盒蓋，將其放入到盛有氯化鈣干燥器后放置稱量，直至恒重m2。

2.3.4 計算

按照下面公式計算土的標準吸濕含水率：

■×100%

3 驗證試驗方法可靠性

3.1 試驗方法

為了比較本試驗方法對土的標準吸濕含水率檢測結果的準確程度，在本試驗中，選擇中鐵十七局集團第三工程有限公司在利淮高速公路第三合同段的膨脹土。對配置好的土樣進行分組，第一組按照《公路土工試驗規程》JTG E40-2007中的干燥缸法進行試驗，第二組按照《公路土工試驗規程》JTG E40-2007中的恒溫恒濕箱法進行試驗，第三組按照本文中設計的試驗方法進行試驗。

3.2 試驗結果

在對土樣進行標準吸濕含水率試驗后得到表1所示試驗結果。

■

4 結論及建議

在該公司利淮高速公路三合同段施工中，遇到了部分土質為膨脹土的施工段，由于該試驗室在建設之初未考慮膨脹土的相關試驗，為了節約成本，通過對試驗方法、試驗裝置的具體研究，在不增加設備和增蓋試驗室用房的前提下，利用現有儀器（水泥試驗用恒溫恒濕養護箱），完成了膨脹土辨別工作，為后續工程建設提供指導，具有積極的研究意義。另外，雖然本文的研究重點是“膨脹土判別試驗”，但仍有必要簡要介紹幾種膨脹土地基的處理方法，以作補充完善。一般來說，膨脹土地基常用的處理方法有五種：

①采用非膨脹性材料/灰土做換土，根據變形計算結果控制換土厚度。

采用砂、碎石處理平坦場地上I、II級膨脹土地基，墊層寬于基底寬度，厚度至少為300mm，同樣采用與墊層相同的材料填筑基底兩側，并做好基底防水。換土后，基底承載力會大大提升，能夠徹底改善地基土性質，并且能縮短工期。

②改良土質。

采用化學劑或具有非膨脹特性的水泥、石灰摻入膨脹土中，能夠大幅度降低膨脹土的塑性指數及膨脹潛勢，進而可降低或消除其膨脹特性。

③采用樁基。

如果膨脹土層過厚，需要使用樁基，樁尖支承在非膨脹土層上，或支承在大氣影響層以下的穩定層上。

④預濕膨脹。

工前對土摻水使其吸水膨脹，并維持其高含水率，這樣以來，土的體積將將基本不會發生變化，就不會造成結構破壞。

⑤隔水法。

膨脹土吸水膨脹后含水率的變化是其對地基造成危害的根源所在，可通過技術措施徹底隔斷基底下的滲水，以確保膨脹土無水可吸，這樣也能確保地基穩定。目前有多種處理措施，要根據不同的工況確定單獨使用還是綜合采用。

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