楊俊，黎新春，張國(guó)棟，唐云偉，梁勇

（1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌 443002; 3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級(jí)公路改建項(xiàng)目部，湖北宜昌 443002）

風(fēng)化砂改良膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究

楊俊1，黎新春1，張國(guó)棟1，唐云偉2，梁勇3

（1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌 443002; 3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級(jí)公路改建項(xiàng)目部，湖北宜昌 443002）

結(jié)合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路改建工程及風(fēng)化砂改良膨脹土路基施工項(xiàng)目，對(duì)膨脹土摻入不同比例的風(fēng)化砂配制試件，進(jìn)行自由膨脹率、無荷膨脹率、25 kPa和50 kPa有荷膨脹率以及膨脹力的試驗(yàn)研究，得到了不同摻砂比例下膨脹土的膨脹率和膨脹力指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn):摻砂對(duì)抑制膨脹土的膨脹是有效的，經(jīng)過風(fēng)化砂改良的膨脹土的自由膨脹率小于35%，達(dá)到了路基施工規(guī)范的要求。不同的摻砂量對(duì)改良膨脹土的膨脹指標(biāo)有著顯著的影響:當(dāng)摻砂比例為10%時(shí)，自由膨脹率、膨脹力降低最為顯著;當(dāng)摻砂比例為40%～50%時(shí)，25 kPa有荷膨脹率的變化最為明顯;摻砂比例為30%～40%，50 kPa有荷膨脹率變化的幅度最大;摻砂比例為40%時(shí)，荷載的增加對(duì)抑制膨脹性效果最明顯;摻砂比例對(duì)無荷膨脹率影響很小，基本呈平緩線性變化。通過對(duì)摻砂效果的綜合比較，摻砂10%能最快最經(jīng)濟(jì)抑制膨脹。

膨脹土;風(fēng)化砂;自由膨脹率;無荷膨脹率;有荷膨脹率;膨脹力

1 研究背景

膨脹土是一種具有顯著脹縮性的塑性黏土，其黏粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石與伊利石組成。膨脹土對(duì)公路工程不利的主要性質(zhì)表現(xiàn)為遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、堅(jiān)硬而又常有收縮裂隙，易產(chǎn)生路堤滑塌、失穩(wěn)、滑坡等嚴(yán)重事故，還會(huì)產(chǎn)生路面開裂、膨脹、松散、剝落等病害［1］。從已建和在建的高速公路情況看，膨脹土地區(qū)高速公路往往經(jīng)過多年運(yùn)行，其路基仍不穩(wěn)定，路基沉陷和路堤邊坡坍滑時(shí)有發(fā)生，水泥混凝土板斷裂、甚至產(chǎn)生較大的錯(cuò)臺(tái)等病害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

膨脹土改良方法有物理改良、化學(xué)改良和生物改良方法，目前最常用的就是化學(xué)改良方法，如摻石灰、水泥、粉煤灰等［2-6］。摻石灰改良膨脹土能夠明顯地減小膨脹土的塑性，但是水穩(wěn)定性較差，施工周期較長(zhǎng)，施工的工序復(fù)雜，并且現(xiàn)場(chǎng)施工難以控制，對(duì)環(huán)境污染比較大，同時(shí)對(duì)施工工作人員的健康也存在著威脅;摻水泥改良膨脹土凝結(jié)硬化快，施工時(shí)間緊迫，干縮裂縫現(xiàn)象明顯，固化效果不好，現(xiàn)場(chǎng)施工難以控制;摻粉煤灰改良膨脹土能夠提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，降低液限，但是對(duì)脹縮性改良效果不明顯，且成本相對(duì)較高，現(xiàn)場(chǎng)施工難以控制。由于砂粒有一定的硬度和粒徑，摻入土中拌合難度要明顯小于摻石灰、水泥、粉煤灰等細(xì)料，且已在各省公路上有過應(yīng)用［7］。小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路沿線膨脹土分布廣，周圍沒有其它可換填的材料。但是當(dāng)?shù)仫L(fēng)化分布較廣，根據(jù)實(shí)際情況，采用風(fēng)化砂對(duì)膨脹土進(jìn)行物理改良，利用砂的摩阻力來抵消膨脹土的膨脹力，抑制膨脹土的膨脹，達(dá)到路基工程材料的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)能夠充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造價(jià)，還能起到保護(hù)環(huán)境的作用。本文通過對(duì)不同比例的摻砂膨脹土的膨脹特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了摻砂改良膨脹土的可行性，同時(shí)得到了不同的摻砂量對(duì)改良膨脹土膨脹特性的影響。

2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用的膨脹土取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路K24+000至K26+000段，試驗(yàn)采用的風(fēng)化砂取自鴉鵲嶺K22+000至K23+ 000段。膨脹土土樣顏色為灰色，有滑感，黏土質(zhì)較重，肉眼可看到少量的白色鈣質(zhì)結(jié)核;風(fēng)化砂顏色為土黃色，顆粒較細(xì)。試驗(yàn)采用的膨脹土和風(fēng)化砂的基本性質(zhì)指標(biāo)見表1、表2。

表1 膨脹土基本性質(zhì)指標(biāo)Table 1Basic properties of expansive soil for the test

表2 風(fēng)化砂基本性質(zhì)指標(biāo)Table 2Basic properties of weathered sand for the test

由表1、表2可知該膨脹土天然含水率較高，液限WL=70.53%（＞50%），塑限WL=24.09%，塑性指數(shù)Ip=46.44%（＞17%），該膨脹土為高液限黏土;自由膨脹率為δef=43%（40%＜δef＜60%），膨脹等級(jí)初步判定為弱膨脹土。風(fēng)化砂土樣中粒徑＞0.075 mm的含量達(dá)73.42%（＞50%），且不均勻性系數(shù)2.84（＜5），曲率系數(shù)0.86（＜1），為級(jí)配不良細(xì)砂。

將風(fēng)化砂按照不同的比例摻入到膨脹土中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，不摻砂的膨脹土稱為純膨脹土，摻入風(fēng)化砂之后的膨脹土稱為摻砂膨脹土。本試驗(yàn)摻砂比例（質(zhì)量比）采用6種情況:①m砂∶m土=0∶100;②m砂∶m土=10∶90;③m砂∶m土=20∶80;④m砂∶m土= 30∶70;⑤m砂∶m土=40∶60;⑥m砂∶m土=50∶50;對(duì)應(yīng)的試樣編號(hào)為1﹟，2﹟，3﹟，4﹟，5﹟，6﹟。膨脹土的摻砂效果通過摻砂前后膨脹土的指標(biāo)之差與純膨脹土的指標(biāo)之比來進(jìn)行衡量（計(jì)為R），增大為正，減小為負(fù)。

3 摻砂膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)

取一定量風(fēng)干的膨脹土和砂土樣，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比，配置不同比例的摻砂膨脹土樣，并按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTG E 40—2007》制備擊實(shí)土樣，土樣采用干法制備，擊實(shí)土樣不重復(fù)使用［7］。選用DJ-Q型電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，選用直徑15.2 cm的擊實(shí)桶，土樣分3層，每層98擊，單位體積的擊實(shí)功為2 677.2 kJ/m3。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程JTG E 51—2009》，每個(gè)土樣做2組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的2組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。摻砂膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表3，摻砂膨脹土的擊實(shí)曲線見圖1。最大干密度與摻砂比例之間的關(guān)系見圖2。最佳含水量與摻砂比例之間的關(guān)系見圖3。

試驗(yàn)結(jié)果表明:摻砂改變了膨脹土的擊實(shí)特性。摻砂后，膨脹土的最佳含水率降低、最大干密度增大、孔隙率減小;隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的最佳含水率逐漸降低;最大干密度先增大后減小;孔隙率先減小后增大。隨著摻砂比例的增大，最佳含水率降低的趨勢(shì)逐漸加快，摻砂比例為40%時(shí)，最佳含水率下降最快;最大干密度變化的趨勢(shì)先增大后逐漸變緩，摻砂20%的時(shí)候，最大干密度增大的趨勢(shì)最明顯，此時(shí)摻砂的效果是最好的。

表3 摻砂膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 3Results of compaction test on the expansive soil mixed with weathered sand

圖1 摻砂膨脹土的擊實(shí)曲線Fig.1Curves of compaction of the expansive soils mixed with weathered sand

圖2 最大干密度與摻砂比例曲線Fig.2Curve of maximum dry density vs.weathered sand proportion

圖3 最佳含水率與摻砂比例曲線Fig.3Curve of optimum water content vs.weathered sand proportion

圖4 重型擊實(shí)試樣Fig.4Photo of the specimen for heavy compaction test

4 摻砂膨脹土的自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率是指松散的烘干土粒在水和空氣中分別自由堆積的體積之差與空氣中自由堆積的體積之比，它反映了膨脹土的膨脹潛勢(shì)的高低，同時(shí)也是反映膨脹土膨脹性質(zhì)的最直觀的指標(biāo)，常作為膨脹土判別和分類的指標(biāo)。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTG E 40—2007》，先將風(fēng)干碾細(xì)的膨脹土土樣和風(fēng)化砂分別過0.5 mm篩，然后在105～110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷卻后按照設(shè)計(jì)的配合比分別配制不同比例的摻砂土樣，用標(biāo)準(zhǔn)量土杯取10 mL土樣進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。每個(gè)土樣做4組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的4組結(jié)果平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。摻砂膨脹土的自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 摻砂膨脹土的自由膨脹率指標(biāo)Table 4Indicators of the free swelling ratio of expansive soil samples mixed with weathered sand

摻砂土樣的自由膨脹率與摻砂比例之間的關(guān)系見圖5。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關(guān)系見圖6。

圖5 自由膨脹率與摻砂比例曲線Fig.5Curve of free swelling ratio vs.weathered sand proportion

圖6 自由膨脹率的摻砂效果與摻砂比例曲線Fig.6Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of free swelling ratio

圖7 自由膨脹率試驗(yàn)Fig.7Photo of the test of free swelling ratio

通過表4、圖5和圖6能夠看出:摻砂膨脹土的自由膨脹率比未摻砂前有顯著的降低，說明摻砂對(duì)于抑制弱膨脹土的膨脹起到了一定的作用。隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率逐漸降低，從純膨脹土到摻砂50%，膨脹土的自由膨脹率從43.5%下降到17.0%;隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率降低的幅度逐漸減小;在摻砂比例從0增大到10%的時(shí)候，自由膨脹率降低幅度最大，此時(shí)的摻砂效果是最好的。

5 摻砂膨脹土的無荷膨脹率試驗(yàn)

無荷膨脹率是指試樣在無荷載有側(cè)限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，常作為評(píng)價(jià)黏性土膨脹潛勢(shì)的參考指標(biāo)。不同比例摻砂土樣的制備過程與自由膨脹率試驗(yàn)相同。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率，分別配制最佳含水率狀態(tài)下的摻砂土樣，然后燜料制樣，無荷膨脹率試樣直徑61.8 mm、高20 mm，采用WZ-2型膨脹儀進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)土樣做2組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的2組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，摻砂膨脹土的無荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 摻砂膨脹土的無荷膨脹率指標(biāo)Table 5Indicators of non-loaded swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand

摻砂土樣的無荷膨脹率與摻砂比例之間的關(guān)系見圖8。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關(guān)系見圖9。

圖8 無荷膨脹率與摻砂比例關(guān)系Fig.8 Curve of non-loaded swelling ratio vs. weathered sand proportion

試驗(yàn)結(jié)果表明:在有側(cè)限無荷載的條件下，隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無荷膨脹率逐漸減小;摻砂之后，無荷膨脹率從9.39%減小到6.83%。摻砂膨脹土的膨脹率比未摻砂前低，但是摻砂之后無荷膨脹率減少的量不是很明顯，說明摻砂對(duì)膨脹土的無荷載膨脹率的影響較小。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的無荷膨脹率減小的趨勢(shì)平緩。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無荷膨脹率與摻砂比例之間呈線性關(guān)系，關(guān)系式為y=-0.049 4x+9.32，相關(guān)系數(shù)為0.994 5。摻砂效果與摻砂比例之間也呈線性關(guān)系，隨著摻砂量的改變，無荷膨脹量變化的趨勢(shì)平緩。表明，摻砂對(duì)膨脹土的無荷膨脹率基本上影響不大。

圖9 無荷膨脹率的摻砂效果與摻砂比例關(guān)系Fig.9Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of non-loaded swelling ratio

圖10 無荷膨脹率試驗(yàn)Fig.10Photo of the test of non-loaded swelling ratio

6 摻砂膨脹土的有荷膨脹率試驗(yàn)

有荷膨脹率指土樣在有荷載有側(cè)限的條件下，浸水后在高度方向上的單向膨脹量與原高度的比值，一般用來模擬覆蓋壓力或者某一特定荷載下土的膨脹率，研究荷載與膨脹率之間的關(guān)系。試樣的制備過程與無荷膨脹率試驗(yàn)相同;采用雙聯(lián)固結(jié)儀進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)工程的需要，測(cè)試25 kPa和50 kPa下的膨脹率。每個(gè)土樣做2組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的2組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。摻砂膨脹土的有荷膨脹試驗(yàn)結(jié)果見表6。

摻砂土樣的有荷膨脹率與摻砂比例之間的關(guān)系見圖11。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關(guān)系見圖12。

通過表6、圖11和圖12能夠看出:摻砂膨脹土的有荷膨脹率比未摻砂前明顯降低;摻砂前，25 kPa的膨脹率為2.34%，50 kPa的膨脹率為1.69%;摻砂50%時(shí)，25 kPa的膨脹率為0.56%，50 kPa的膨脹率為0.09%。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的有荷膨脹率逐漸減小。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的有荷膨脹率減小的幅度逐漸增大。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn):在25 kPa荷載下，摻砂比例為40%時(shí)，此時(shí)有荷膨脹率變化速率最快;在50 kPa荷載下，摻砂比例為30%時(shí)，此時(shí)的有荷載膨脹率變化最快;當(dāng)摻砂量大于40%時(shí)，摻砂比例基本上對(duì)無荷膨脹率沒有影響。通過對(duì)相同摻砂量不同荷載下有荷膨脹率的比較還可看出，荷載越大，土樣的膨脹率越小，說明荷載能抑制膨脹土的膨脹，當(dāng)摻砂40%的時(shí)候，荷載的增大對(duì)膨脹率的影響是最大的。

表6 摻砂膨脹土的有荷膨脹率指標(biāo)Table 6Indicators of the loaded swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand

圖11 有荷膨脹率與摻砂比例關(guān)系Fig.11Curves of loaded swelling ratio vs. weathered sand proportion

圖12 有荷膨脹率的摻砂效果與摻砂比例關(guān)系Fig.12Curves of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of loaded swelling ratio

圖13 有荷膨脹率試驗(yàn)Fig.13Photo of the test of loaded swelling ratio

7 摻砂膨脹土的膨脹力試驗(yàn)

膨脹力是指在不允許側(cè)向變形的情況下，保持土體充分吸水而不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值［8-11］，是評(píng)定膨脹土膨脹潛勢(shì)的重要指標(biāo)。試樣的制備過程與無荷膨脹率試驗(yàn)相同，采用平衡加壓法進(jìn)行測(cè)試。每組土樣做4組平行試驗(yàn)，取平行差值滿足精度要求的4組結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，摻砂膨脹土的膨脹力試驗(yàn)結(jié)果見表7。摻砂土樣膨脹力與摻砂比例之間的關(guān)系見圖14。膨脹土的摻砂效果與摻砂比例之間的關(guān)系見圖15。

表7 摻砂膨脹土的膨脹力指標(biāo)Table 7Indicators of expansion force of the expansive soil mixed with weathered sand

圖14 膨脹力與摻砂比例關(guān)系Fig.14Curve of expansion force vs. weathered sand proportion

圖15 膨脹力的摻砂效果與摻砂比例關(guān)系Fig.15Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of expansion force

圖16 膨脹力試驗(yàn)Fig.16Photo of the test of expansion force

通過表7、圖14和圖15能夠看出:摻砂膨脹土的膨脹力比未摻砂前有顯著的降低，說明摻砂對(duì)于抑制膨脹土的膨脹起到了一定的效果。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力逐漸減小;摻砂前，土樣的膨脹力為72.54 kPa，摻砂50%時(shí)，土樣的膨脹力為11.23 kPa。隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力減小的幅度逐漸變緩慢。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻砂比例從0增大到10%的時(shí)候，此時(shí)膨脹力減小的幅度是最大的，此時(shí)摻砂的效果是最好的。

8 結(jié)論

（1）通過對(duì)不同比例摻砂膨脹土的重型擊實(shí)和膨脹率指標(biāo)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，摻風(fēng)化砂改良膨脹土的方法是可行的。通過對(duì)摻砂膨脹土的膨脹指標(biāo)進(jìn)行研究可以得出:經(jīng)過風(fēng)化砂改良的膨脹土的自由膨脹率小于35%，達(dá)到了路基施工規(guī)范對(duì)路基填料膨脹指標(biāo)的要求。

（2）摻風(fēng)化砂降低了膨脹土的最佳含水率，提高了膨脹土的最大干密度，減小了膨脹土的空隙率，表明摻砂改變了膨脹土的含水特性和密實(shí)特性。

（3）摻砂降低了膨脹土的最佳含水率，摻砂40%時(shí)，最佳含水率減小最為顯著;摻砂增大了膨脹土的最大干密度，摻砂20%時(shí)，最大干密度增大最為明顯。

（4）摻砂對(duì)膨脹性指標(biāo)影響較大。摻砂比例為10%時(shí)，自由膨脹率、膨脹力降低最為顯著;摻砂比例為40%～50%時(shí)，25 kPa有荷膨脹率變化最為明顯;摻砂比例為30%～40%時(shí)，50 kPa有荷膨脹率變化幅度最大;摻砂比例為40%時(shí)，荷載的增加對(duì)抑制膨脹性效果最明顯;摻砂比例對(duì)無荷膨脹率影響很小，基本呈平緩線性變化。綜上所述，摻砂10%能最快最經(jīng)濟(jì)抑制膨脹。

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［12］JTG D30—2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國(guó)交通部，2005.（JTG D30—2004，Specifications for Design of Highway Sub grades［S］.Beijing: Ministry of Communications of the People’s Republic of China，2005.（in Chinese））

（編輯:周曉雁）

Expansive Properties of Expansive Soil Improved by Mixing Weathered Sand

YANG Jun1，LI Xin-chun1，ZHANG Guo-dong1，TANG Yun-wei2，LIANG Yong3
（1.College of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang443002，China; 2.Transport Bureau of Yichang City，Yichang443002，China;3.Project Department of Xiaoya First-Class Highway in Yiling District，Yichang443002，China）

This research is carried out to improve the expansive soil subgrade of the first-class highway from Xiaoxita to Yaqueling in Yichang city.Different amounts of weathered sand were mixed in expansive soil samples to investigate the expansive soil’s free swelling ratio，unloaded swelling ratio，loaded swelling ratio（25kPa and 50kPa）and expansion force.Through heavy compaction test and comparison of swelling rates，it’s found that adding weathered sand changes the water content and compaction of expansive soil，and hence restrains the expansion.The free swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand is less than 35%，which meets the requirement of subgrade construction.Different ratio of mixed sand to soil has different effect on the expansion:when the mix ratio is 10%，the free swelling ratio and expansion force decrease most remarkably;when the ratio is 40%-50%，the swelling rate under 25kPa loading changes most evidently;when the ratio is 30%-40%，the swelling rate under 50kPa changes by a biggest margin;when the ratio is 40%，the increase of load can well control the expansion. The amount of weathered sand has slight influence on unloaded swelling ratio.It’s concluded that the expansion of expansive soil mixed with 10%weathered sand could be restrained most rapidly and economically.

expansive soil;weathered sand;free swelling ratio;non-loaded swelling ratio;loaded swelling ratio; expansion force

TU443

A

1001-5485（2013）04-0067-06

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.015

2013，30（04）:67-72

2012-04-09;

2012-05-20

楊俊（1976-），男，湖北武漢人，副教授，博士，從事道路與鐵路工程測(cè)試及基礎(chǔ)處理方面的研究，（電話）15971646394（電子信箱） wangjing750301@163.com。