【摘 要】結(jié)合已有的研究成果和廣州繞城公路小塘至茅山段的實(shí)際情況，對(duì)該段路基膨脹土進(jìn)行了改性材料選擇試驗(yàn)和改性土的常規(guī)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、膨脹試驗(yàn)研究。研究認(rèn)為改性材料采用當(dāng)?shù)匾踪?gòu)的石灰，通過(guò)按不同的比例摻灰量進(jìn)行試驗(yàn)得出最佳摻灰量在7%左右。試驗(yàn)證明已改性土的稠度、脹縮性、強(qiáng)度等指標(biāo)均得到較大幅度的改善。能夠滿足工程實(shí)踐的要求。利用石灰處治膨脹土改性效果較水泥好，且經(jīng)濟(jì)性高。

【關(guān)鍵詞】膨脹土分析；改性材料的選擇；改性試驗(yàn)成果

引言

擬建廣州繞城公路小塘至茅山段路線整體走向由西向東呈弧形展布，西南起于三水市東側(cè)小塘、線路終點(diǎn)在茅山新莊附近，與廣清高速公路及珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)型公路北二環(huán)段相連接。

由于膨脹土對(duì)路基或其它擬建物均有不同程度的危害，因此，膨脹土是本次工作中較突出的工程地質(zhì)問(wèn)題。本項(xiàng)目膨脹土路段主要分布于樂(lè)平及樂(lè)平以西地段的第三系剝蝕殘丘及平緩丘陵地帶，為上第三系（N）粘土巖、砂質(zhì)泥巖類地層及其殘坡積物，呈棕紅色、棕黃色、局部為灰白色，風(fēng)化產(chǎn)物為亞粘土、粘土，含砂及角礫，厚度變化較大，一般在坡腳相對(duì)較厚，鉆探揭示最大厚度為8.70m。全線膨脹土路基主要分布有七段，累計(jì)長(zhǎng)度為5.02Km。據(jù)膨脹土土工試驗(yàn)結(jié)果，其自由膨脹率一般在28－96％之間，脹縮總率介于0.86 ～6.98%之間，多屬弱－中等膨脹土，其中K53+872～K54+596段屬中－強(qiáng)膨脹土路基。

膨脹土對(duì)建設(shè)中、運(yùn)營(yíng)中的道路均能造成一定的危害。因此，對(duì)膨脹土區(qū)域公路施工提出了高標(biāo)準(zhǔn)和高要求，也需要應(yīng)用特有的技術(shù)消除或抑制其脹縮性，進(jìn)而確保道路路基的質(zhì)量和安全運(yùn)營(yíng)。試驗(yàn)方案根據(jù)原狀土的脹縮性指標(biāo)，進(jìn)行改性試驗(yàn)。制備土樣的含水量和容重分別選取原狀土的指標(biāo)平均值，試樣采用靜壓成型，養(yǎng)護(hù)1周，每個(gè)試驗(yàn)并行做3個(gè)，取平均值，測(cè)定各試樣膨脹率。對(duì)各種改性材料和設(shè)計(jì)配合比配制的改性土進(jìn)行了常規(guī)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、膨脹試驗(yàn)研究。目的是找出最佳添加劑和改性材料摻量，以及膨脹土改性后的路用性能。

1 膨脹土的礦物成分

膨脹土之所以有膨脹性，是由于土中含有親水的粘土礦物，如蒙脫石、伊利石等。膨脹性，實(shí)質(zhì)上是這些粘土礦物晶格中的水，隨雨季和旱季、豐水年和枯水年的濕度變化而增減所致。膨脹性能的大小取決于這些親水粘土礦物在粘性土中的含量高低。含量越高，脹縮性越大，反之，則越小。

2 影響膨脹土性能的因素分析

膨脹土的脹縮性能，除與粘土礦物含量多寡有直接關(guān)系外，尚與膨脹土體的含水量、厚度及埋藏或出露條件密切相關(guān)。

2.1 含水量的影響分析：

土體的含水量決定吸水量的大小，在膨脹范圍內(nèi)，膨脹率與吸水量成正比，當(dāng)含水量達(dá)到飽和時(shí)，吸水量最小，其膨脹變形漸趨穩(wěn)定。在收縮范圍內(nèi)，收縮率隨含水量減小而減小，當(dāng)收縮至縮限以后，失水量最小，收縮變形也漸趨穩(wěn)定。膨脹土體的含水量隨季節(jié)變化而變化，也隨豐水年和枯水年的變化而變化。土體含水量的這種周期性的變化，導(dǎo)致土體周期性的膨脹和收縮。

2.2 膨脹土體的厚度影響分析：

膨脹土的脹縮幅度與其厚度成正比。但當(dāng)強(qiáng)膨脹土體厚度不大時(shí)，其脹縮幅度也不會(huì)很大。弱膨脹土體厚度大，則脹縮幅度也會(huì)很大，只是時(shí)間過(guò)程較長(zhǎng)而已。

2.3 膨脹土體埋藏深度的影響分析：

膨脹土體埋藏深度對(duì)脹縮幅度也起控制作用。據(jù)前人對(duì)灰綠色粘土的研究認(rèn)為，膨脹土的埋藏深度（非膨脹性土覆蓋厚度）如果大于3m，則對(duì)膨脹土體的脹縮起緩沖或抵消作用。建筑物不致遭其破壞；如果小于3m，則建筑物可直接遭受土體脹縮力的破壞。

3 膨脹土性能的評(píng)價(jià)：

本次勘察主要在大氣影響深度范圍內(nèi)（0-6m），個(gè)別樣品采取深度大于6m。共采取了30個(gè)膨脹土樣品進(jìn)行試驗(yàn)，以核實(shí)并確定膨脹土的類型。根據(jù)土工試驗(yàn)成果，樣品自由膨脹率Fs介于28 ～96%之間，脹縮總率介于0.86 ～6.98%之間，依據(jù)《路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJT013-95），其中有16個(gè)樣品為弱膨脹土，10個(gè)樣品為中膨脹土，4個(gè)樣品為強(qiáng)膨脹土。膨脹土地段累計(jì)長(zhǎng)度約5021m，厚度1.60～10.00m。根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，做為樁基，在大氣影響深度范圍內(nèi)，樁側(cè)極限摩阻力取值可低于規(guī)范值；做為路基建議采用換填法；做為路基填料建議通過(guò)試驗(yàn)確定摻灰比例進(jìn)行土性改良。

4 膨脹土改性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)分別取石灰、水泥和粉煤灰三種不同建筑材料在不同摻量時(shí)無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，各種添加劑的摻入量如下：石灰摻入量（%）0、5、6……14、15，間隔1%；水泥摻入量（%）0、3、4、……13、14，間隔1%；粉煤灰摻入量（%）0、10、13、16、19，間隔3%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表1-3及圖1-8。

由表1-3、圖1-8可以看出，加入各種改性材料后，膨脹土的無(wú)荷膨脹率都隨之變小，特別是摻入水泥或石灰量大于 6%時(shí)，其無(wú)荷膨脹率都非常小了，可見(jiàn)改性土的膨脹特性幾乎完全喪失。

5 最佳改性材料的選擇

以改性土的稠度、脹縮性、強(qiáng)度等指標(biāo)得以改善程度為準(zhǔn)，選擇最佳改性材料。根據(jù)表2-4中的數(shù)據(jù)，采用石灰改性弱膨脹土、中膨脹土及強(qiáng)膨脹土，改性后的無(wú)荷膨脹率eP(%)分別為0.14%-0.74%、0.27%-1.38%、0.30%-2.10%。對(duì)于水泥改性的弱膨脹土、中膨脹土及強(qiáng)膨脹土，其無(wú)荷膨脹率eP(%)為0.15%-0.77%、0.23%-1.69%、0.39%-2.25%。對(duì)于粉煤灰改性的弱膨脹土、中膨脹土，其無(wú)荷膨脹率eP(%)為0.26%-0.88%、0.65%-1.52%。粉煤灰的摻入量明顯大于其它兩種，相應(yīng)摻入量下無(wú)荷膨脹率eP(%)明顯較大，且考慮到當(dāng)?shù)胤勖夯也灰撞少?gòu)，運(yùn)輸超過(guò)經(jīng)濟(jì)運(yùn)距，所以用粉煤灰做路基填料已失去了經(jīng)濟(jì)效益。而水泥的改性效果略遜色與石灰，成本也比石灰略高，因此，實(shí)際工程中建議采用石灰作為膨脹土改性材料，高速公路路基填料以石灰改性土為主。

6 石灰摻量對(duì)膨脹土稠度界限的影響

由上面分析可見(jiàn)石灰改性膨脹土的效果較好且較經(jīng)濟(jì)，用石灰作為改性材料，石灰中的鈣離子可以使膨脹土的塑性降低，使不易壓實(shí)和破碎的膨脹土變成松散且易于破碎的非膨脹土。膨脹土的液限也會(huì)隨著石灰摻入量的增加而下降，經(jīng)石灰處理后，土中膠態(tài)粘土呈現(xiàn)的數(shù)量愈大，液限的降低就愈為顯著。圖1是研究路段膨脹土樣品的液限、塑限和塑性指數(shù)隨石灰摻灰量的變化曲線圖，可以看出摻石灰后液限ωL(%)變化不顯著，而塑限ωP(%)迅速增加，這就導(dǎo)致塑性指數(shù)IP也迅速變化。IP隨摻灰量的變化曲線可能有一個(gè)最低點(diǎn)，因?yàn)閾交伊窟_(dá)到11%時(shí)，IP會(huì)增加。這個(gè)最低點(diǎn)介于5%-9%之間。此最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)了較大的ωP(%)值，它所對(duì)應(yīng)的摻灰量可作為確定最佳摻灰量的參考數(shù)據(jù)。因此從圖9中可見(jiàn)最佳摻灰量在7%左右。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及地區(qū)建筑施工經(jīng)驗(yàn)，建議本路段膨脹土采用摻石灰來(lái)進(jìn)行土性改良，以降低膨脹土的膨脹率。其中對(duì)弱膨脹土可不進(jìn)行摻石灰改性，對(duì)中-高膨脹土應(yīng)進(jìn)行摻石灰改性，摻灰比例控制在7%左右。

7 石灰摻量對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響

影響石灰改良土強(qiáng)度的因素有：土質(zhì)類型（包括礦物成分、含量、結(jié)構(gòu)等）、石灰類型及摻入量、灰土拌和后的養(yǎng)護(hù)時(shí)間與方法（溫度與水的有效度）、含水量、容重、拌和與壓實(shí)兩者間的時(shí)間間隔等。上述因素在實(shí)驗(yàn)中要加以考慮，更重要的是在施工中也應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。本項(xiàng)研究從不同摻灰量的擊實(shí)試驗(yàn)中取樣進(jìn)行了抗剪試驗(yàn)。圖10-圖11是土樣的試驗(yàn)結(jié)果。由此可看出，隨著石灰摻量的增加，擊實(shí)土的抗壓和抗剪強(qiáng)度都在增大。當(dāng)石灰摻量大于7%以后強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢。結(jié)合前面的分析，推薦石灰摻量為7%比較合理。

8 改性材料摻量對(duì)膨脹土膨脹性的影響

圖12、圖13是摻石灰膨脹土的線膨脹量、膨脹力隨石灰摻量的變化曲線。圖中所用試件的含水量17%-20%，最大干容重γd為15.6-17.4KN/m3，干濕保養(yǎng)是指在試件做好后讓它自然風(fēng)干再噴灑水養(yǎng)護(hù)各一天，如此重復(fù)到第七天進(jìn)行試驗(yàn)。直接試驗(yàn)是指試件做好后即用于試驗(yàn)。由圖12-圖13可以看出，加入各種改性材料后，膨脹土的線膨脹量和膨脹力都隨之變小，特別是摻石灰量為 9%和11%時(shí)，線膨脹量和膨脹力都非常小了，可見(jiàn)改性土的膨脹特性幾乎完全喪失。同時(shí)經(jīng)過(guò)保養(yǎng)的試樣其線膨脹率和膨脹力都較未經(jīng)保養(yǎng)的要小，因此對(duì)改性土進(jìn)行保養(yǎng)讓其強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)是有積極的工程意義的。因而摻石灰是膨脹土改性的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

9 結(jié)束語(yǔ)

9.1 膨脹土路基建議采用換填法，通過(guò)試驗(yàn)確定摻灰比例進(jìn)行土性改良。摻石灰的最佳配比，以處理后脹縮率不超過(guò)0.7為宜，是控制到弱膨脹土的低限指標(biāo)之下，可作為非膨脹土對(duì)待。

9.2 膨脹土的塑性指數(shù)、膨脹性隨著石灰摻量的增加而減小，強(qiáng)度指標(biāo)隨著石灰摻量的增加而增加。

9.3 通過(guò)膨脹土的改性試驗(yàn)比較，可見(jiàn)采用7%的石灰摻量可以使膨脹土的工程特性指標(biāo)都得到較好的改善，能夠滿足工程實(shí)踐的要求。利用石灰處治膨脹土改性效果較水泥好，且經(jīng)濟(jì)性高。

9.4 對(duì)于膨脹土路基的施工，考慮施工時(shí)的工藝及天氣的影響，應(yīng)保證膨脹土路基的含水量在最佳含水量以上2%-3%為宜，石灰摻量也應(yīng)提高1%-2%。

9.5 邊坡坡度的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮其膨脹性，施工中應(yīng)注意對(duì)路堤的邊坡進(jìn)行防護(hù)處理并完善路基的排水條件，通過(guò)比較可見(jiàn)，當(dāng)?shù)厥逸^易得到，用石灰改性膨脹土作為路基填料則可以獲得較好的工程效果和經(jīng)濟(jì)效益。