李經(jīng)輝

（海南協(xié)立工程咨詢(xún)有限公司，海南海口 570100）

石灰改良膨脹土的工程特性研究

李經(jīng)輝

（海南協(xié)立工程咨詢(xún)有限公司，海南海口 570100）

膨脹土在干濕循環(huán)作用下發(fā)生的脹縮效應(yīng)易發(fā)生各種工程病害。文中結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)石灰改性劑對(duì)膨脹土的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，石灰改良膨脹土能有效減緩?fù)恋拿浛s作用帶來(lái)的破壞，在浸水狀態(tài)下，改良膨脹土的CBR強(qiáng)度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，且脹縮量較小，最大不超過(guò)1%，在控制膨脹土初始含水量等條件下能作為路基填料。

公路；膨脹土；脹縮；浸水；含水量

膨脹土在溫度、天氣等反復(fù)作用下會(huì)發(fā)生反復(fù)的脹縮作用，引起土體開(kāi)裂，對(duì)公路的穩(wěn)定性造成極大影響，所以在世界范圍內(nèi)，膨脹土被稱(chēng)為“工程界之癌”。膨脹土在中國(guó)分布廣泛。關(guān)于膨脹土及其影響的問(wèn)題學(xué)者們作出了許多有益探索：李雄威等根據(jù)前人對(duì)膨脹土裂隙的研究，以自編軟件對(duì)廣西某工程項(xiàng)目在不同含水率下的裂隙發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)記錄，并通過(guò)二值化處理和自動(dòng)分析統(tǒng)計(jì)，得出了膨脹土體裂隙與滲透系數(shù)、含水率等的關(guān)系；膨脹土易受干濕循環(huán)影響而發(fā)生脹縮，呂海波等通過(guò)相關(guān)干濕循環(huán)試驗(yàn)，控制土體的含水率、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，研究了膨脹土的抗剪強(qiáng)度在干濕循環(huán)作用下的影響因素，結(jié)果表明抗剪強(qiáng)度受循環(huán)次數(shù)的增大而減小，且干濕循環(huán)作用將造成土體顆粒間聯(lián)結(jié)力的不可逆削弱；崔素麗等對(duì)膨脹土添加水泥窯灰改性劑，通過(guò)對(duì)改性膨脹土的膨脹特性、水理特性等的研究，驗(yàn)證了水泥窯灰對(duì)膨脹土脹縮效應(yīng)具有良好的改性作用，可有效提高路基填土的穩(wěn)定性。該文以東南沿海某道路工程為例，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)石灰改良的弱膨脹土進(jìn)行研究，為公路路基在膨脹土分布較廣地區(qū)的填料就地取材和工程應(yīng)用提供參考。

1　工程概況

該工程所在地區(qū)降雨充沛，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。巖溶地貌中分布了廣泛的膨脹土，以伊利石、蒙脫石為主。該地區(qū)干濕特征分明，對(duì)干濕循環(huán)引起膨脹土的脹縮效應(yīng)有促進(jìn)作用。開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)多為棕黃色黏土，裂隙發(fā)育，并且有白色填充物。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)較為典型的膨脹土標(biāo)段K36+ 020—120、K63+000—150進(jìn)行室內(nèi)外試驗(yàn)研究。在現(xiàn)場(chǎng)取土深度2.0～3.3m進(jìn)行試驗(yàn)指標(biāo)檢測(cè)，表1為其平均物理性質(zhì)指標(biāo)。參照GB50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，判定該標(biāo)段多為弱膨脹土。表2為試驗(yàn)段的土體化學(xué)成分指標(biāo)。

表1　試驗(yàn)段膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2　試驗(yàn)膨脹土化學(xué)指標(biāo)

2　試驗(yàn)方案

膨脹土問(wèn)題在工程上常采用化學(xué)加固的機(jī)理來(lái)解決，其中以石灰作為化學(xué)改良劑摻入膨脹土中發(fā)生石灰效應(yīng)，對(duì)膨脹土的工程性質(zhì)可起到較好的改善作用，是常用的解決方案之一。石灰改良膨脹土能通過(guò)摻加劑與土顆粒間在堿性條件下的離子交換和絮凝作用，提高土的性質(zhì)，隨齡期的增加，改良膨脹土的穩(wěn)定性得到有效提高，同時(shí)伴隨生石灰CaO水解反應(yīng)引起的吸水放熱現(xiàn)象，一方面降低膨脹土的含水率，另一方面由于反應(yīng)進(jìn)行后的Ca（OH）2體積增大，進(jìn)一步對(duì)巖體產(chǎn)生凝固作用。

膨脹土受土體含水率、壓實(shí)功及石灰改良劑摻量的影響較大，且在室內(nèi)進(jìn)行的CBR試驗(yàn)不能真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)的土體環(huán)境，故擬在K36+020—120、K63 +000—150分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比分析素膨脹土在擊實(shí)試驗(yàn)下的最佳含水量和最大干密度變化，并通過(guò)自由膨脹勢(shì)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)CBR指標(biāo)研究該段公路路基填土的性質(zhì)；對(duì)比素膨脹土，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定石灰改良劑的最佳摻量及該地區(qū)膨脹土的含水率控制值。試驗(yàn)所用石灰的化學(xué)成分包括：CaO，含量為74.28%；MgO，含量為0.55%。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

含水率對(duì)土的壓實(shí)度影響較大。首先根據(jù)JTGE40-2007的相關(guān)要求，選用干法制備試件，并采取重型擊實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)，控制試驗(yàn)的擊實(shí)次數(shù)（27、70、95擊），摻入5%的石灰（理論最佳摻量），得到最佳含水量和最大干密度值（見(jiàn)表3）。

表3　膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：隨擊實(shí)功的增加，石灰改良膨脹土和素膨脹土的含水量和最大干密度的變化趨勢(shì)相似；6%石灰摻量對(duì)膨脹土含水量有較大改善，在27擊時(shí)，石灰改良膨脹土的含水量較素膨脹土試件降低8%，最大干密度值則增大，且隨擊實(shí)次數(shù)的增加呈遞增趨勢(shì)。膨脹土易受含水率變化發(fā)生脹縮反應(yīng)，其干密度勢(shì)必會(huì)呈相反變化，石灰添加劑能降低土的含水率，使土體的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，提高膨脹土體的抗剪強(qiáng)度。

3.2自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率是在無(wú)結(jié)構(gòu)外力荷載下土顆粒間的自由膨脹特征，工程上常用它作為土體膨脹勢(shì)的初判指標(biāo)。在K36+020—120、K63+000—150段現(xiàn)場(chǎng)取多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，取樣深度2.1～3.2m，并與工程前期該段膨脹土膨脹潛勢(shì)作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖1。

工程中把自由膨脹率δ＞40%的土評(píng)定為膨脹土。由圖1可見(jiàn)：8個(gè)取樣點(diǎn)處的膨脹土在摻入石灰后其自由膨脹率明顯降低，意味著改良膨脹土在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面得到提升。比較二者自由膨脹率最大的第2取樣點(diǎn)值，未添加石灰前的土體已超過(guò)中膨脹土的評(píng)定指標(biāo)（65%＜δ＜90%），待石灰在土顆粒中得到充分作用后，自由膨脹率下降23.5%。受施工過(guò)程中人為及天氣等因素的影響，不同標(biāo)段試驗(yàn)結(jié)果有誤差，但石灰改良膨脹土的自由膨脹率均小于素膨脹土，表明石灰在土中發(fā)生的物理和化學(xué)反應(yīng)對(duì)降低土的膨脹趨勢(shì)有較好的幫助。摻入石灰后，2、4、8取樣點(diǎn)附近呈中膨脹土改良為弱膨脹土的趨勢(shì)，其他幾個(gè)取樣點(diǎn)的弱膨脹潛勢(shì)也呈減緩趨勢(shì)。

圖1　膨脹土自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

3.3CBR試驗(yàn)

在實(shí)際工程中，素膨脹土的CBR強(qiáng)度指標(biāo)很難達(dá)到規(guī)范限值。在經(jīng)過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到改良膨脹土的最佳含水量和最大干密度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)CBR試驗(yàn)。由于膨脹土在浸水狀態(tài)下其粘聚力會(huì)受到較大影響而下降，土體的強(qiáng)度也將因此削減，故在進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)，選用最佳含水量及上下兩個(gè)量值，研究控制浸水條件下石灰改良膨脹土的特性。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5、圖2。

表4　素膨脹土CBR試驗(yàn)結(jié)果

表5　石灰改良膨脹土CBR試驗(yàn)結(jié)果

圖2　試驗(yàn)CBR指標(biāo)

由表4、表5可知：石灰改良劑影響膨脹土的含水變化，在浸水后其膨脹率均不超過(guò)1%；而素膨脹土的浸水膨脹率最大值超過(guò)10%，脹縮效應(yīng)十分強(qiáng)烈，如此反復(fù)影響下將導(dǎo)致土體裂隙不斷發(fā)育；素膨脹土浸水前后干密度最大變化達(dá)到11.1%。由于膨脹土中包含較多的親水黏土礦物，如高嶺石、蒙脫石等，不同濕度條件下晶體的晶層間距會(huì)發(fā)生較大改變，造成土體的脹縮量發(fā)生明顯差異，加上晶體自身親水化能力較強(qiáng)，膨脹土在不同浸水條件下會(huì)發(fā)生較大的膨脹效應(yīng)。

在實(shí)際工程中，膨脹土的初始含水量至關(guān)重要，尤其在降雨量充沛、干濕交替反復(fù)條件下極易造成路基土體因外來(lái)水的侵入而發(fā)生脹縮，導(dǎo)致路基強(qiáng)度降低。應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，一方面采用包邊法和對(duì)路面增加薄層防水材料抵制外來(lái)水對(duì)膨脹土路基的水損壞，另一方面應(yīng)重視道路排水系統(tǒng)工程建設(shè)。石灰改良膨脹土的浸水膨脹率變化極小，通過(guò)適當(dāng)?shù)母男?，膨脹土能作為路基的填料，?jié)約成本。

由圖2可知：膨脹土受浸水作用影響很大，CBR最大值分布略小于理論最佳含水量，與素膨脹土的CBR值差值超過(guò)65%，這是由于素膨脹土在水的浸潤(rùn)作用下粘聚力下降較快，遇水軟化膨脹造成土體強(qiáng)度削弱；加入石灰后，土體受水的影響幅值明顯減小，浸水狀態(tài)下的CBR強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，與素膨脹土的最大差值達(dá)100%，石灰在膨脹土中發(fā)揮了充分效用。

4　結(jié)論

（1）膨脹土在6%的理論最佳石灰摻量改性作用下，其最佳含水量和最大干密度均朝有利方向變化，而土體的含水量將影響其脹縮效應(yīng)強(qiáng)度，石灰改良膨脹土可在一定程度上減緩膨脹土路基的浸水破壞。

（2）在石灰的物化作用下，膨脹土的自由膨脹率下降23.5%，路基填土的整體膨脹潛勢(shì)得到削減。

（3）素膨脹土的CBR試驗(yàn)值無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求；加入石灰改性劑后，其浸水膨脹率變化不超過(guò)1%，承載比與素膨脹土的差值最大達(dá)到65%，完全滿足規(guī)范要求。膨脹土分布較廣地區(qū)可根據(jù)其實(shí)際情況采用物理或化學(xué)方式改良土質(zhì)，避免工程上借方棄方帶來(lái)的不經(jīng)濟(jì)、拖延工期等影響。

［1］ 李雄威，孔令偉，馮欣.非飽和膨脹土裂隙擴(kuò)展性狀與工程效應(yīng)分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（6）.

［2］ 呂海波，曾召田，趙艷林，等.膨脹土強(qiáng)度干濕循環(huán)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（12）.

［3］ 崔素麗，延愷，王安國(guó).水泥窯灰（CKD）改性膨脹土的脹-縮特性試驗(yàn)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015（3）.

［4］ GB50112-2013，膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］ 付巧云，周宏云.石灰改性膨脹土的工程性質(zhì)試驗(yàn)研究與施工質(zhì)量控制［J］.交通科技，2005（4）.

［6］ 楊果林，范臻輝.常德—張家界高速公路慈利東互通段膨脹土工程特性及改性研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12（3）.

［7］ JTGE40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［8］ 尚保平.義白一級(jí)公路膨脹土地區(qū)路基的處治［J］.山西交通科技，2004（6）.

［9］ 劉一強(qiáng).高應(yīng)力與低應(yīng)力條件下膨脹土抗剪強(qiáng)度特性分析［J］.公路與汽遠(yuǎn)，2015（1）.

［10］ JTGE60-2008，公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程［S］.

U416.1

A

1671-2668（2016）04-0095-03

2015-12-28