翟聚云，金光磊，周 順，裴亞兵，李海鵬，郭亞昆，焦俊杰

(1.河南城建學院，河南平頂山 467036;2.平頂山地質(zhì)工程處，河南平頂山 467000)

膨脹土是水敏感性較強的一種特殊土，其強度和膨脹性與土的含水率和干密度有關(guān)［1］。對膨脹土的研究比較多，或研究其膨脹性能［2］，或研究其強度［3］，也有過對河南省平頂山膨脹土的研究［4］，但是本文對平頂山膨脹土的膨脹性、強度變化規(guī)律及改良的研究是首次。膨脹土樣本取自平頂山襄城縣湛北鄉(xiāng)姜店村西約500m，李成功村北側(cè)，S329省道南側(cè)，為灰綠(棕黃)色或棕紅色黏土，結(jié)構(gòu)致密，硬塑～堅硬。

1 原狀土性能

對原狀膨脹土進行試驗，主要測試參數(shù)有:脹縮參數(shù)、膨脹力等。測試天然土樣參數(shù)為天然含水率20%～26%，天然密度1.8～2.0 g/cm3，干密度1.5～1.7 g/cm3，孔隙比0.69 ～0.81，壓縮指數(shù) 0.08 ～0.15，黏聚力 35～85 kPa，內(nèi)摩擦角 9°～27°，液限 36% ～45%，塑限18% ～22%，塑性指數(shù)15～26，液性指數(shù)0～0.3。

1.1 收縮試驗

對不同干密度的原狀土進行收縮試驗，可得到其線縮率隨含水率的變化趨勢曲線，對曲線進行擬合，所得的直線斜率見表1。

直線斜率的絕對值可近似取0.5，所以收縮系數(shù)可取為0.5。

表1 線縮率—含水率變化曲線直線段擬合方程斜率

1.2 膨脹率試驗

在固結(jié)儀上，對原狀土進行膨脹率試驗得到不同含水率及干密度情況下膨脹率隨壓力的變化趨勢，如圖1。

圖1 膨脹率—壓力變化曲線

由圖1可以看出，對相同土樣，膨脹率隨壓力的增大而減小，土樣結(jié)構(gòu)、不均勻性及干密度等對膨脹率也有影響。

1.3 膨脹力試驗

在固結(jié)儀上，對原狀土進行膨脹力試驗，原狀土的含水率為17% ～19%，膨脹力為50～100 kPa，如圖2，可見一次干縮循環(huán)后，膨脹力減小很多。

2 重塑土性能

對重塑土樣分組進行不同壓力、含水率、干密度的膨脹率試驗，膨脹力、滲透系數(shù)試驗，反映抗剪強度的黏聚力和內(nèi)摩擦角試驗。

圖2 膨脹力試驗曲線

2.1 膨脹率試驗

2.1.1 不同干密度的膨脹率

將風干的膨脹土碎樣過篩，加水初配所需的含水率，封閉靜置至均勻，再測得精確含水率，分別得含水率19.11%，21.12%，28.90%的膨脹土，用靜壓法對相同含水率的膨脹土配制1.50 g/cm3，1.55 g/cm3，1.60 g/cm3，1.65 g/cm3，1.70 g/cm3的土樣，進行無荷，50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa 荷載作用下的膨脹率試驗，分析各種荷載下膨脹率隨干密度的變化情況，見圖3。

由圖3可以看出，含水率一定時，膨脹率隨干密度的增加呈增加的趨勢，而且含水率接近飽和時，膨脹性基本消失，產(chǎn)生的變形基本上是荷載產(chǎn)生的沉降。

圖3 膨脹率—干密度曲線

2.1.2 不同含水率的膨脹率

對不同干密度下膨脹率隨含水率變化進行分析，其規(guī)律是一致的，相同干密度情況下，隨著含水率的增加，膨脹率減小。圖4為干密度1.70 g/cm3時的膨脹率—含水率曲線。

圖4 干密度為1.70 g/cm3的膨脹率—含水率曲線

2.2 膨脹力試驗

含水率19.11%，21.12%，25.00%，28.90%的膨脹土，不同干密度下的膨脹力如圖5。

圖5 不同含水率下的膨脹力—干密度曲線

由圖5可以看出，當含水率一定時，隨著干密度增大膨脹力逐漸增大，當含水率比較大時，膨脹力比較小，此時隨干密度的變化不明顯。

2.3 抗剪強度試驗

對幾組含水率的不同干密度土樣的抗剪強度指標黏聚力和內(nèi)摩擦角進行試驗，結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 黏聚力—干密度曲線

由圖6可知，干密度對黏聚力的影響不明顯，當含水率較小時，土顆粒的黏結(jié)程度較差，黏聚力隨含水率增大而增大，當增大到一定數(shù)值時，因為含水率的增大，土體飽和度也增加，使得土顆粒更容易滑動，黏聚力則隨含水率的增大而減小。

由圖7可以看出，相同干密度情況下，隨著含水率增加，土體飽和度逐漸增大，內(nèi)摩擦角逐漸減小。

圖7 內(nèi)摩擦角—干密度曲線

2.4 滲透系數(shù)

對重塑土進行幾組干密度的滲透系數(shù)測試，見圖8。由圖8可以看出，干密度對滲透系數(shù)的影響較明顯，相同土質(zhì)，隨著干密度的增大，滲透系數(shù)顯著減小。

由重塑膨脹土的膨脹性，可以得到，在150 kPa，200 kPa時，膨脹土的膨脹性基本消失。含水率一定時，膨脹率隨干密度的增加呈增加的趨勢，而且當含水率接近飽和時，膨脹性能基本消失;相同干密度情況下，隨著含水率的增加膨脹率減小。相同含水率時，隨著干密度增大膨脹力逐漸增大;含水率比較大時膨脹力數(shù)值比較小。含水率較小時，黏聚力隨含水率增大而增大，增大到一定數(shù)值時變化為隨含水率的增大而減小;相同干密度情況下，隨著含水率增加內(nèi)摩擦角逐漸減小。相同土質(zhì)，隨著干密度的增大，滲透系數(shù)顯著減小。

圖8 滲透系數(shù)—干密度曲線

3 膨脹土改良試驗

在公路建設(shè)沿線膨脹土廣泛分布，加上土地資源匱乏，工程上只得利用不良的膨脹土源作為填料來填筑路基。為了使作為路基填料的膨脹土滿足穩(wěn)定和變形兩方面的要求［5-6］，需對其進行改良。

對平頂山膨脹土，在室內(nèi)用不同摻量粉煤灰改性處理，進行對比試驗，對不同摻合料的處理效果和適用性進行研究。

將膨脹土樣碎樣，按確定摻量比例添加，摻量為粉煤灰質(zhì)量/干土質(zhì)量，制備粉煤灰摻量為 0，10%，14%，18%，22%的試樣，含水率約為21%，加水靜置到均勻，再精確測試土樣的含水率，摻量為0，10%，14%的試樣按輕型擊實標準進行擊實成型，然后進行各種指標的試驗;摻量為18%和22%的試樣靜壓成型。試驗的測定指標有膨脹率、收縮率、自由膨脹率、塑液限等。

對收縮率隨含水率的變化曲線進行擬合，得到線縮率—含水率曲線直線段的擬合方程斜率如表2。

表2 線縮率—含水率曲線直線段擬合方程斜率

由表2可以看出，土體收縮系數(shù)，由土質(zhì)和干密度共同影響，在相同干密度情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，收縮系數(shù)逐漸減小。

對粉煤灰摻量為0，10%，14%，18%，22%的試樣進行無荷和荷載為25 kPa的膨脹率試驗，結(jié)果見圖9。

圖9 膨脹率—粉煤灰摻量曲線

由圖9可知:膨脹率隨粉煤灰摻量的增加而減小，當摻量較大時，因為粉煤灰本身性質(zhì)的原因其膨脹性有所增大。所以，用粉煤灰改良膨脹土時，最大摻量不宜超過20%。隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹土的無荷膨脹率近似線性減小。

分別對粉煤灰摻量為0，10%，14%，18%，22%的試樣，進行自由膨脹率、液塑限試驗，得表3。

表3 不同粉煤灰摻量試樣的自由膨脹率、液塑限

由表3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，收縮系數(shù)逐漸減小，自由膨脹率、液限、膨脹率逐漸降低。

由數(shù)據(jù)可以看出，粉煤灰處理的效果不理想，處理到最佳狀態(tài)時還具有弱膨脹性，處理的方法還需要進一步研究。

4 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)試驗所獲得的平頂山原狀土和重塑土的性能參數(shù)及改良試驗資料可為進一步研究該膨脹土的變形和穩(wěn)定性提供參考。

［1］熊山銘.膨脹土工程特性及處治技術(shù)［J］.華東公路，2011，189(3):65-69.

［2］盧再華，陳正漢，蒲毅彬.膨脹土干濕循環(huán)脹縮裂隙演化的CT 試驗研究［J］.巖土力學，2002，4(23):417-422.

［3］繆林昌，劉松玉.南陽膨脹土的水分特征和強度特性研究［J］.水利學報，2002(7):87-92.

［4］翟聚云.平頂山地區(qū)膨脹土地基探討［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2002(6):20-22.

［5］查甫生，劉松玉，杜延軍.石灰—粉煤灰改良膨脹土試驗［J］.東南大學學報(自然科學版)，2007，37(2):339-344.

［6］王征，周進，黃志全.南水北調(diào)禹州段壓實膨脹土膨脹性試驗研究［J］.鐵道建筑，2012(2):75-78.