楊 俊，黎新春，張國棟，唐云偉，梁 勇

(1.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌443002;2.湖北省宜昌市交通運輸局，湖北宜昌443002;3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)小鴉一級公路改建項目部，湖北宜昌443002)

膨脹土是一種以蒙脫石、伊利石為主要礦物成分的高液限黏性土，具有吸水膨脹、失水收縮的特征，是一種特殊土質，不能直接用作路基填料.目前，工程上常用石灰、水泥或粉煤灰來改良膨脹土.王新征［1］研究發(fā)現(xiàn):改良后膨脹土的強度指標及脹縮指標均有不同程度的改善，其中CBR值和無側限抗壓強度并不是隨著石灰摻量的提高而無限制的增大，而是存在一個最佳摻量的問題.劉軍等［2］研究發(fā)現(xiàn):摻水泥改良對抗剪強度指標的提高尤為顯著，但進行無側限抗壓、CBR等試驗時，數(shù)據的變異系數(shù)較大，表明摻水泥改良均勻性較差.查甫生等［3］研究發(fā)現(xiàn):摻入二灰后，試樣的強度特性及水泥穩(wěn)定性均大幅提高，且試樣的膨脹量隨著養(yǎng)護齡期的增加而逐漸減小.但大量實踐經驗證明，采用石灰、水泥或粉煤灰改良膨脹土，存在拌合困難、現(xiàn)場控制難度大、污染環(huán)境以及具有時效性等缺陷.

由于風化砂富含二氧化硅和氧化鋁，而膨脹土中含有大量的鈣質元素，二者可以通過化學反應，形成具有一定強度的硅酸鈣和鋁酸鈣，可降低膨脹土的活性，從而抑制膨脹土的脹縮特性;再者可通過風化砂顆粒間摩阻力來抵消膨脹土的脹縮力，提高改良土的強度，達到路基填料的標準.由于風化砂具有一定的粒徑，與石灰、水泥、粉煤灰等粉末狀物體比較起來，現(xiàn)場拌合相對容易，還具有就地取材，節(jié)約成本等優(yōu)點.

為此，本研究擬結合湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建工程實際情況，通過一系列的室內試驗，分析試驗現(xiàn)象，揭示風化砂改良膨脹土的機理，并應用條分法，對不同摻砂比例改良膨脹土填筑的路基進行整體穩(wěn)定性分析評價，以進一步驗證風化砂改良膨脹土的可行性，同時為確定最佳摻砂比例提供理論依據.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用膨脹土(見圖1)，取自湖北省宜昌市鴉鵲嶺，膨脹土土樣顏色為灰白色，有滑感，肉眼可看到少量的白色鈣質結核;經過化學成分分析，該膨脹土主要成分有蒙脫石、伊利石和高嶺石，占82%，含有大量的鈣質元素.液限WL=36.1%(小于50.0%)，塑限為 18.9%，塑性指數(shù)Ip=17.2(大于17.0)，該膨脹土為低液限黏土;自由膨脹率為δef=53%(大于40%且小于60%)，膨脹等級初步判定為弱膨脹土.

圖1 試驗用膨脹土

試驗用風化砂(見圖2)，取自小溪塔至鴉鵲嶺一級公路改建項目沿線K22+000～K23+000段附近.風化砂顏色為土黃色，顆粒較細，稍有滑膩感;經過化學成分分析，礦物組成主要是斜長石、石英、絹云母，化學成為以二氧化硅和氧化鋁為主.其中粗粒組(粒徑大于0.500 mm)的質量分數(shù)為0.65%，中粒組(粒徑介于0.075～0.500 mm間)的質量分數(shù)為72.70%，細粒組(粒徑小于0.075 mm)的質量分數(shù)為26.65%，不均勻性系數(shù)51.61(大于5)，曲率系數(shù)13.16(大于3)，為級配不良砂.

圖2 試驗用風化砂

1.2 脹縮特性室內試驗

試驗采用的摻砂比例(質量分數(shù))分別為0，10%，20%，30%，40%和50%，分別對應編號為1#，2#，3#，4#，5#和 6#.風化砂改良膨脹土的膨脹特性見表 1.其中，δef為自有膨脹率，δe為無荷膨脹率，δep為有荷膨脹率，b為膨脹力，p為有荷膨脹率試驗的上覆荷載.風化砂改良膨脹土的收縮特性見表2.

表1 風化砂改良膨脹土的膨脹特性 %

表2 風化砂改良膨脹土的收縮特性 %

試驗結果表明:摻入風化砂之后，膨脹土的自由膨脹率比未摻砂前顯著降低，且隨著摻砂比例的增大，膨脹土的自由膨脹率逐漸降低，說明摻砂能夠有效抑制膨脹土的膨脹性;膨脹土的脹縮總率比摻入風化砂之前明顯減小，且隨著摻砂比例增大，改良膨脹土的脹縮總率逐漸減小，說明摻砂能夠有效抑制膨脹土的脹縮特性;膨脹土的膨脹力比摻入風化砂之前明顯減小，隨著摻砂比例的增大，摻砂膨脹土的膨脹力逐漸減小，說明摻砂對于抑制膨脹土的膨脹起到了一定的效果.改良膨脹土的自由膨脹率小于40%，脹縮總率小于0.7%，均滿足 JTG F10—2006《公路路基施工技術規(guī)范》對路基填料的變形要求.

1.3 力學特性室內試驗

分別對原狀膨脹土及不同摻砂比例改良的膨脹土進行了直剪試驗、回彈模量試驗、無側限抗壓強度試驗、CBR試驗，得到了改良膨脹土的力學特性指標［4-6］.試驗采用的摻砂比例仍然同脹縮性試驗，結果見表3.其中，pwk為無側限抗壓強度，φ為內摩擦角，c為黏聚力，E為回彈模量.

表3 風化砂改良膨脹土的力學特性

由表3可知:摻入風化砂之后，膨脹土無側限抗壓強度隨著摻砂比例的增加，先增大后減小，當摻砂比例為20%時，土樣的無側限抗壓強度最大;摻入風化砂之后，膨脹土的CBR值比未摻砂之前明顯增大，隨著摻砂比例的加大，CBR值也隨著增加，且浸水CBR值大于3%;隨著摻砂比例的增加，回彈模量的值逐漸減?。?-11］.

試驗結果表明:摻砂能夠提高膨脹土的強度，滿足JTG F10—2006對路基填料的強度要求.

2 風化砂改良膨脹土機理分析

從室內試驗結果來看，采用風化砂來改良膨脹土，具有較好的效果.風化砂能有效抑制膨脹土的膨脹，是因為風化砂的主要成分是二氧化硅和氧化鋁，而膨脹土的主要成分是蒙脫石、伊利石和高嶺石，含有大量的鈣質元素，二者之間發(fā)生離子交換等化學反應，生成膠凝性的硅酸鈣和鋁酸鈣，產生膠結作用，降低了膨脹土的活性，從而有效地遏制膨脹土的一部分脹縮力;再者在膨脹土中摻入風化砂之后，由于風化砂有一定的硬度，呈顆粒狀，有棱有角，能與膨脹土脹縮時產生摩阻力，再抵消一部分脹縮力.正是因為上述原因，在進行脹縮性試驗時，得出的結果是，膨脹指標和收縮指標均能隨著摻砂比例的增加而減小.

對于抗剪強度的黏聚力指標，隨著摻砂比例的增加，黏聚力在逐漸增大.這是由于化學反應生成膠凝性物質的所致，使得黏聚性越來越強，當摻砂比例超過20%時，繼續(xù)增大摻砂量，由于化學反應已經完成，再加大摻砂量會出現(xiàn)過剩，所以摻砂比例超過20%后，風化砂所占的量越來越大，風化砂基本沒有黏結力，從而降低了風化砂改良膨脹土的黏聚力［12］.對于內摩擦角，隨著摻砂比例的增加，不斷增加，這主要是因為摻砂之后，化學反應產生的膠凝性物質有一定的硬度，砂粒間的摩阻力在不斷增大，從而使得內摩擦角不斷增大.無側限抗壓強度的變化規(guī)律也與黏聚力的變化規(guī)律一致，原因也是由于膨脹土和風化砂的物理作用和化學作用綜合所致.

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計算斷面及參數(shù)的選取

宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路起點位于宜昌市夷陵區(qū)小溪塔夷陵經濟技術開發(fā)區(qū)，路基寬度為24.5 m，雙向四車道.根據現(xiàn)場路段實際情況，選擇較高填方路段K26+780斷面作邊坡穩(wěn)定性分析.已知路基高度為10 m，堤邊坡坡度為1∶1.5，驗算荷載為公路一級(車輛重力標準為550 kN).橫斷面如圖3所示.

圖3 計算橫斷面

根據上述室內直剪試驗結果，同時結合壓實度要求及重型擊實試驗，可知填土的重度，計算參數(shù)見表4.

表4 路基邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)

3.2 改良膨脹土填筑路基的穩(wěn)定性分析

行車荷載是路基邊坡穩(wěn)定性分析的主要作用力之一.計算時，將車載換算成相當于路基填土厚度，計入滑動土體重力.高速雙向四車道，單幅橫向可布2輛標準車，分別對原狀膨脹土和摻砂膨脹土的換算填土高度計算，6種土樣的換算高度分別為0.77，0.74，0.72，0.73，0.74 和 0.75 m.

采用4.5H法確定滑動圓心輔助線EF，確定滑動圓弧中心，在圓心輔助線EF上先定出圓心O1，圓心距離F點為0.3H，過坡腳，作圓弧得到1個滑動面半徑，按填土的斷面形狀把整個路堤大致分為0.1R寬土條，根據畢肖普法計算K，檢驗其穩(wěn)定性.另外，在輔助線上另找O2，O3，O4和O5等4個圓心，按同樣方法計算K.畢肖普法穩(wěn)定性分析具體計算圖式見圖4，5.

采用上述試算方法，分別對原狀土及不同比例摻砂膨脹土路基進行計算，得O1，O2，O3，O4和O5等5個圓心所對應的K(見表5).

圖4 4.5H法確定圓心

圖5 條分法的計算圖式

表5 路基邊坡穩(wěn)定性計算結果

比較5個K值作出軌跡線找出最小值Kmin，與規(guī)范進行比較，驗算斷面的穩(wěn)定性.通過表5可知，原狀膨脹土及不同比例摻砂膨脹土分別填筑的路基安全系數(shù)分別為1.09，1.35，1.50，1.43，1.36 和 1.27.

根據得到的試驗結果，得到摻砂比例與安全系數(shù)關系曲線，如圖6所示.

圖6 安全系數(shù)與摻砂比例關系

通過安全系數(shù)的計算可知:摻入風化砂改善了膨脹土的工程特性，提高了路基的整體穩(wěn)定性.未改良的膨脹土填筑的路基安全系數(shù)較低，Kmin=1.09，小于1.25，不滿足規(guī)范要求;采用風化砂改良的膨脹土填筑的路基安全系數(shù)明顯增大，Kmin均大于1.25，滿足規(guī)范要求;隨著摻砂比例不同，風化砂改良膨脹土填筑路基的安全系數(shù)發(fā)生了改變，隨著摻砂比例增大，安全系數(shù)先增大后減小，當摻砂20%時，安全系數(shù)達到最大.

4 結論

1)風化砂能明顯抑制膨脹土的脹縮特性，摻入風化砂改良的膨脹土，脹縮總率小于0.7%，自由膨脹率小于40%，達到了路用材料的標準.

2)風化砂能顯著改善膨脹土的力學強度特性，摻入風化砂后，膨脹土的強度得到了有效的提高，且浸水CBR值大于3%，滿足JTG F10—2006對路基填料強度要求.

3)由風化砂改良膨脹土的脹縮指標和力學指標可知:風化砂改良膨脹土的機理在于同時發(fā)生了物理反應和化學反應，使得其改良效果更突出.

4)由對公路路基邊坡穩(wěn)定性的計算結果可知:原狀膨脹土填筑的路基安全系數(shù)小于1.25，不能滿足規(guī)范要求;采用風化砂改良膨脹土填筑的路基安全系數(shù)均大于1.25，且當摻砂比例達到20%，改良膨脹土路基安全系數(shù)達到最大.上述不同比例風化砂改良后的路基安全系數(shù)均能達到規(guī)范要求，進一步證明了風化砂改良膨脹土的可行性.

References)

［1］王新征.膨脹土路基石灰改良試驗研究［J］.建筑科學，2009，25(11):70-72.Wang Xinzheng.Experimental study on improving expansive soil roadbed with lime［J］.Building Science，2009，25(11):70-72.(in Chinese)

［2］劉 軍，黃 斌，龔壁衛(wèi)，等.膨脹土水泥改性均勻性及長期效果試驗研究［J］.西北地震學報，2011，33(增刊1):204-208.Liu Jun，Huang Bin，Gong Biwei，et al.Experimental study on uniformity and long-term effects of cement modified expansive soil［J］.Northwestern Seismological Journal，2011，33(S1):204-208.(in Chinese)

［3］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.Zha Fusheng，Liu Songyu，Du Yanjun.Experiment on improvement of expansive clays with lime-fly ash ［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2007，37(2):339-344.(in Chinese)

［4］武 科，馬明月，范慶來，等.扭剪荷載作用下桶形基礎與土相互作用機理模型試驗［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2013，34(1):86-90.Wu Ke，Ma Mingyue，F(xiàn)an Qinglai，et al.Mechanism model test of interaction between bucket foundation and soil subjected to torsional resistance［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(1):86-90.(in Chinese)

［5］覃 俊，劉升傳，吳立堅.靜荷載下新建高速公路強風化填料高填方路基穩(wěn)定性研究［J］.公路，2011(4):118-122.Qin Jun，Liu Shengchuan，Wu Lijian.A study on stability of high fill subgrade with intense weathered rock in new expressway under static load［J］.Highway，2011(4):118-122.(in Chinese)

［6］武 科，馬明月，馬國梁.不同級配路基填土壓實性能試驗［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2011，32(1):107-110.Wu Ke，Ma Mingyue，Ma Guoliang.Experimental study on compaction property of different sized ground earth fill foundation［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2011，32(1):107-110.(in Chinese)［7］Hou Tianshun，Xu Guangli，Shen Yanjun，et al.Formation mechanism and stability analysis of the Houba expansive soil landslide［J］.Engineering Geology，2013，161:34-43.

［8］Lin B，Cerato A B.Hysteretic soil water characteristics and cyclic swell-shrink paths of compacted expansive soils［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2013，72(1):61-70.

［9］Wu Junhua，Yuan Junping，Wu Charles W.Theoretical and experimental study of initial cracking mechanism of an expansive soil due to moisture-change［J］.Journal of Central South University，2012，19(5):1437-1446.

［10］Calik U，Sadoglu E.Classification，shear strength，and durability of expansive clayey soil stabilized with lime and perlite［J］.Natural Hazards，2014，71(3):1289-1303.

［11］Sabit K，Sefedin K，Gazmend G，et al.The stability analysis of internal overburden dump reinforced with geosynthetic in open pit mine ″Kosova″［J］.Journal of InternationalEnvironmentalApplicationandScience，2013，8(1):47-52.

［12］Kavur B，Vrkljan I，Zelic'B K.Analysis of hydraulic properties of unsaturated expansive soil［J］.Grac'evinar，2011，63(3):112-156.