膨脹土地質條件下渠道地基力學特性及處理技術

陳 凱

(新疆昌源水務集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某灌區輸水渠道工程經過膨脹土地質地段，總長度23 km。經過地質勘察，地基主要為2～5 m 厚的褐色膨脹性粉質黏土，且裂隙發育較多，雨季滑坡現象較多。經現場勘查，其具體特性參數如下：天然密度1.87 g/cm3，天然孔隙比0.75，比重2.7 g/cm3，塑限為18.3%，液限為30.4%。同時，由于渠道尺寸較大(寬度5.0 m，深度2.0 m，輸水量≥50 m3/s)，會對地基產生較大載荷，加劇膨脹土的破壞作用，現場測得的最大裂縫寬度達到13 cm。鑒于此，需對該段地基力學性質進行分析，進而有針對性地進行處理。

2 材料與方法

2.1 試件制作

將從項目區挖取的膨脹土自然風干24 h，碾壓粉末并過篩(孔徑2 mm)，向土樣中均勻灑水并拌和均勻，使其含水率達到設計值。之后將土樣放進直徑62 mm、高20 mm的圓餅形模具中輕擊夯實[1]。

2.2 剪切試驗設計

利用應變控制式直剪儀(型號ZJ50-1A)完成試件的直剪試驗，剪切速度控制在0.06 mm/min，剪切壓力為100 kPa，當試件水平位移達到6 mm后停止。

2.3 干濕-凍融循環試驗設計

試驗設計過程是干→濕→凍→融，具體操作方法如下：(1)參考項目區溫度記錄，確定干燥溫度為40 ℃，在烘箱中干燥12 h即可實現。(2)利用“抽氣飽和法”模擬膨脹土由干燥向濕潤(設計最終含水率為18.8%)變化過程。(3)凍-融過程利用高低溫交變濕熱試驗箱來實現，型號LP/JDGS-225，具體參數如表1所示。其中冷凍溫度設計-20 ℃，持續24 h；融解溫度設計20 ℃，持續24 h。同時將試樣放在密封袋中，防止含水率變化[2]。

表1 LP/JDGS-225高低溫交變濕熱試驗箱技術參數

2.4 壓縮試驗設計

利用WG-3A型單杠桿固結儀分8級逐級加壓(25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa、1600 kPa)，以1 h內試樣變形量<0.005 mm作為穩定標準。

3 膨脹土力學特性分析

3.1 膨脹土剪切特性分析

3.1.1 不同含水率膨脹土剪切特性

為了研究不同含水率下項目區膨脹土剪切特性，本項目共設計5個典型含水率數值，分別為16.1%、18.8%、22.0%、24.2%、27.6%[3]。

由圖1(a)不同含水率膨脹土剪切試驗結果可知：(1)當含水率為16.1%和18.8%時，剪應力曲線變化趨勢很接近，隨著剪切位移增加，剪切應力也在增加，直到位移量達到6 mm穩定在最大值50 kPa。(2)隨著含水率增加，剪應力最大值顯著減小，其中含水率為22.0%時，剪切位移達到2.0 mm時，基本達到剪應力最大值30 kPa。當含水率為24.2%時，剪切位移達到1.8 mm時，剪應力達到最大值25 kPa。當含水率為27.6%時，剪切位移達到1.0 mm時，剪應力達到最大值15 kPa。由此可知：在選擇的含水率范圍內，膨脹土抗剪強度與含水率呈反比關系。

圖1 不同含水率下膨脹土剪切特性曲線

由圖1(b)不同含水率膨脹土黏聚力試驗結果可知：(1)隨著含水率的增加，膨脹土黏聚力呈線性下降，也代表了抗剪強度在下降，擬合直線方程如式(1)。(2)內摩擦角呈現“先增后減”的情況(最佳含水率為拐點處，即18.8%)，不過前部分增加幅度很小，后部分下降趨勢明顯，也基本證明了膨脹土抗剪強度與含水率呈反比關系，擬合曲線方程如式(2)[4]。

c=-2.74ω+87.68

(1)

φ=-0.0398ω2+1.48ω-10.26

(2)

式中：c為膨脹土黏聚力，N/cm2；ω為膨脹土含水率，%；φ為膨脹土內摩擦角，(°)。

3.1.2 不同干濕-凍融循環次數膨脹土剪切特性

由圖2(a)不同干濕-凍融循環次數對剪切應力影響試驗結果可知：(1)從整體趨勢看，隨著干濕-凍融循環次數增加，在相同剪切位移情況下，對應的剪切應力在減小，可見這一循環過程確實會降低膨脹土抗剪強度。(2)循環超過3次后，剪應力曲線接近，可見造成的影響也在減小。

圖2 不同干濕-凍融循環次數下膨脹土剪切特性曲線

由圖2(b)不同干濕-凍融循環次數對黏聚力影響試驗結果可知：(1)膨脹土內摩擦角與循環次數無關，無論循環幾次，膨脹土內摩擦角基本保持不變。(2)當循環次數由0次增加至2次時，膨脹土黏聚力極速下降，而循環3次以后，則基本保持平穩。所以應避免地基土受干濕-凍融影響[5]。

3.2 膨脹土壓縮特性分析

3.2.1 不同含水率膨脹土壓縮特性

為了研究不同含水率條件下項目區膨脹土壓縮特性，本項目共設計5個典型含水率數值，分別為16.1%、18.8%、22.0%、24.2%、27.6%。不同含水率膨脹土壓縮試驗結果見表2和圖3[6]。

圖3 不同含水率逐級加壓下膨脹土孔隙比曲線

表2 不同含水率下膨脹土壓縮特性

由表2可知：(1)隨著含水率增加，土樣壓縮系數不斷增加，代表土樣壓縮性越強。其中16.1%和18.8%相差不大，但是超過18.8%后，壓縮系數成倍增加，但范圍基本在0.1～0.4之間，屬中等壓縮性土。(2)隨著含水率增加，壓縮模量降低，尤其是含水率超過18.8%以后，壓縮模量呈斷崖式下降，土體硬度快速下降。(3)隨著含水率升高，土樣壓縮指數升高，表明土體壓縮性越強。

由圖3可知：(1)含水率越低，在同一壓力下土體孔隙比越大，說明土體越不容易被壓縮，且孔隙比變化幅度相對越小，也就是壓縮性越弱，這對于地基穩定是有利的。(2)含水率分別在16.1%和18.8%情況下，壓力在600 kPa以下時，兩者孔隙比還有差距，差值大約為0.03。壓力>600 kPa時，兩者孔隙比迅速下降，基本重合。

3.2.2 不同干濕-凍融循環次數膨脹土壓縮特性

由圖4不同干濕-凍融循環次數膨脹土壓縮試驗結果可知：(1)總體而言，隨著循環次數增加，相同壓力下孔隙比變小，說明循環次數越多，壓縮性越強。(2)在擬彈性段，循環1次比其他次數孔隙比下降速度慢，說明此時膨脹土還有一定彈性變形能力。由此可見干濕-凍融循環次數越多，壓縮量越大，變形量也會越大，不利于地基穩定。

圖4 不同干濕-凍融循環次數逐級加壓下膨脹土孔隙比曲線

由上述研究結果可知：含水率增加會對膨脹土抗剪能力和壓縮性造成不利影響，而且一旦超過18.8%這個數值，土樣的剪切和壓縮特性均急劇變差，可見本項目地段膨脹土應控制含水率上限是18.8%；而干濕-凍融循環次數增加會改變膨脹土內部裂隙排布，增加壓縮量，也是不利于上部建筑結構穩定。

4 膨脹土處理技術

結合上述研究成果，針對中、強膨脹土地段，采取“表土置換法”進行處理；針對弱膨脹土地段，采取“摻入橡膠顆粒法”處理。

4.1 表土置換法處理技術

通過實地勘測，當深度超過2.0 m后，項目區的膨脹土含水率基本穩定在16.0%，已經小于含水率上限值(18.8%)，而且這個深度也不存在干濕-凍融問題，能很好地避免膨脹土壓縮變形。

最終再結合其他工程經驗，項目表土置換法具體處理措施如下：(1)將表層2.2 m厚的膨脹土全部鏟除，先鋪設一層0.2 m厚的碎石料過渡層，粒徑不低于1.0 cm，夯實壓平。(2)在過渡層上換填2.0 m厚加筋土，同樣夯實壓平，如圖5所示。但要注意：邊坡坡比不得>1.75[7]。

圖5 表土置換法處理示意圖

4.2 摻入橡膠顆粒法處理技術

如果全線膨脹土地段均采用“表土置換法”進行處理，成本太高。因此為了改善弱膨脹土地段的地基力學特性，采取“摻入橡膠顆粒法”對基層弱膨脹土進行改良，主要目的降低基土膨脹力，具體操作如下：

(1)橡膠粒最佳摻入量。本項目采用廢舊輪胎打碎顆粒，粒徑分布：d60=1.4 mm、d30=0.4 mm、d10=0.2 mm。摻入量(質量比)從0%設計到26%，其膨脹力曲線如圖6所示[7]。由圖6可知：(1)在摻入量<14%范圍內，隨著橡膠顆粒質量分數增加，膨脹力呈線性減小，其中14%比0%的膨脹力減小了320 kPa，降低比例超過了75%，效果顯著。(2)當質量分數達到16%左右時，膨脹力基本穩定在100 kPa，之后再繼續增加質量分數，膨脹力呈波浪形態。(3)測得最佳質量分數為23%，膨脹力由430 kPa降低至45 kPa，僅為原來的10.5%，效果顯著。

圖6 膨脹力與橡膠顆粒質量分數關系曲線

(2)施工要點分析。(1)“摻入橡膠顆粒法”處理厚度為2.0 m，底部鋪設一層0.2 m厚的碎石料過渡層，粒徑不低于1.0 cm，夯實壓平。(2)橡膠顆粒直接摻入開挖出的膨脹土中，拌和均勻并均勻鋪在過渡層上，夯實壓平。

5 結 論

本項目通過試驗，得出了隨著膨脹土含水率上升，其各項力學參數指標均在下降，不利于水工建筑穩定。尤其是當含水率超過18.8%后，剪切和壓縮力學特性均快速下降，因此在對地基處理時要求不得超過該數值。本項目最終決定采取“表土置換”和“摻入橡膠顆粒”兩種常見方法進行處理，做到了經濟實用和因地制宜。這兩種技術目前已經很成熟，而且技術含量和施工要求均不高，材料來源廣泛，可以大面積使用，唯一需要重視的是確定處理深度，也就是膨脹土含水率動態變化的深度。