膨脹土地基的綜合改良法處理試驗研究

益圣強

(中國海洋大學，山東青島 266100)

膨脹土為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，性質極不穩定，這為實際工程帶來了巨大的危害。

為改善膨脹土的工程特性，人們開展了大量的研究:王小軍等[1]從生石灰改良的角度，研究了用生石灰改良膨脹巖的工程性質;劉義虎等[2-6]從含水量的角度研究了干濕循環對膨脹土路基破壞的影響、弱膨脹土的壓實特性、脹縮性狀、力學特性、膨脹力的分析方法、膨脹土的動態水穩特性以及不飽和膨脹土與水的相互作用等。這些研究在土體膨脹性單一影響因素領域里取得了較好的成果，但對于多種改善措施同時施用的實際工程，仍然存在著一定的局限性。本文針對實際工程需要，開展了多種改善措施同時施用時土體膨脹率變化規律的試驗研究，確定了各種改善措施參數的最佳組合，為實際工程提供了依據。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置

試驗裝置采用自行研發的大型土體膨脹試驗系統，其組成如圖1所示:水位模擬裝置模擬天然水位，通過底板的補水通道采用定水頭方式給試件補水;膨脹室由頂板、底板和試件容器組成，試件規格為φ150 mm×1 000 mm，底板剛性固定，頂板與位移傳感器良好接觸;數據采集儀采集位移變化數據并經數據線在電腦終端顯示。

1.2 取樣

試樣于2013年8月取自山東青島某辦公樓施工現場。首先利用挖掘機挖至地表以下5 m處，然后呈階梯狀人工下挖1 m，在距基坑底部0.5 m階梯處切取土樣。所取土樣顏色基本上呈黃褐色，無垂直節理但有水平節理。隨深度的增加顏色逐漸過渡到灰褐色，顏色界線并不明顯，顆粒粒度逐漸變細。取回后經室內土工試驗測得土樣物性指標見表1。

圖1 試驗系統組成

表1 天然膨脹土物性指標

1.3 試驗過程

結合工程經常使用的膨脹土處理方法，試驗中將起始含水率、摻入石灰率以及擊實功三種因素相耦合，以探求綜合應用三種措施時的參數最佳配比。首先將制備好的確定起始含水率和摻入石灰率的膨脹土按每層厚度200 mm分層擊實(見表2)，擊實參數采用錘重5 kg，自由落下高度1 m。然后將制備好的試件安裝在大型土體膨脹試驗機上，并模擬真實水位對試件通過無荷載側限膨脹試驗測得試件膨脹量曲線(由于篇幅所限，只列出一組試件圖像如圖2所示)及起始含水率、摻入石灰率以及擊實功與膨脹率變化關系曲線(見圖3～圖5)。

表2 試驗參數

圖2 膨脹量曲線

2 試驗結果分析

2.1 膨脹量曲線分析

巖土體的膨脹性源于含水率的增加，膨脹過程會經歷等速膨脹、減速膨脹和緩慢膨脹的三個階段，這一點在試驗中得到了很好的證明(見圖2)。但通過對試驗數據的分析可以發現一個特殊的現象，即從開始試驗20 h之后土體才開始出現明顯膨脹，整個膨脹過程持續約21 h才趨于穩定，這一方面證明了膨脹土透水性微弱的公認結論，另一方面也說明了土體發生膨脹存在含水率閾值，該值以及膨脹過程持續時間均與土體的擊實功有關。由于試驗裝置無法中途停止來測定土體剛發生膨脹時的含水率，所以在這里只對其進行定性分析:在自重的作用下，當土體吸水產生的膨脹量等于土體孔隙的減小量時，膨脹力小于上覆土層的自重，土體對外不顯現體積增大;當膨脹量大于孔隙減小量時，膨脹力將大于上覆土層的自重，土體則對外顯現出體積增大。擊實作用一方面使土體密實度增大，滲流減小，另一方面由于試件體積一定而導致土體自重增大，進而使得土體產生膨脹和膨脹持續時間均得以延長。

2.2 因素耦合影響曲線分析

通過試驗數據結果整理和對比分析，得到膨脹率與起始含水率、摻入石灰率和擊實功的關系曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 膨脹率與起始含水率關系曲線

圖4 膨脹率與摻灰率關系曲線

圖5 膨脹率與擊實功關系曲線

圖3反映出兩個不同于單一因素影響規律的現象:

第一，在各因素共同作用的情況下，改良土的膨脹率與起始含水率不再滿足只受起始含水率影響的線性關系(如圖3中虛線所示)，而滿足式(1):

其中，δh為線膨脹率;ω0為起始含水率。

膨脹率隨著起始含水率的增加而呈明顯的三階段變化規律，即首先膨脹率隨起始含水率的增加減小的非常明顯，隨后變化相對比較緩慢，最后有接近平穩的趨勢;

第二，同一起始含水率條件下，各因素共同作用時的膨脹率大于僅考慮起始含水率時的膨脹率。前者主要原因為:首先，摻入石灰會使粘粒周圍的一部分弱結合水與粘粒脫離，從而使摻石灰膨脹土的密度減小[7]，以致使得土體前期孔隙體積減小較快，所以前期膨脹量的相對減小速率較大;其次，由于不同土料與石灰發生化學反應的程度和速度各不相同[8]，摻入石灰的膨脹土會趨于穩定，所以會出現變化漸緩，最后趨于平穩的現象。后者主要原因為擊實作用使得土體密度增大，原始試件體積一定時，相同條件下增大質量會使土體膨脹率增大。

從圖4可以看出，各因素共同作用時，膨脹率的最小值(如圖4實線所示)比僅考慮摻入石灰率時(如圖4虛線所示)降低了3%左右，對應的摻入石灰率也相應的減小了8%左右，其關系曲線滿足方程:

其中，i為摻入石灰率。

當只考慮膨脹土的擊實特性時，隨著擊數增加，膨脹土的最大干密度和最優含水量會分別呈直線增大和減小，當擊數超過50次時，最大干密度和最優含水量趨于定值，擊實后的膨脹土的脹縮性并沒有受到抑制(如圖5虛線所示)。但各因素綜合作用時，膨脹率與擊實作用則表現為(如圖5實線所示):

其中，n為擊實次數。

這表明膨脹土的擊實作用受到起始含水率、摻入石灰率的影響，曲線上存在明顯的極值(此次試驗中該值為200擊):n＜200時，膨脹率隨擊實次數的增加而降低;n＞200時，膨脹率隨擊實次數的增加而升高。

3 結語

建筑部門目前在采用膨脹土處理措施時，甚至在采用綜合改良措施時，一般只考慮單一因素的最優值，這種確定膨脹土地基處理方法存在明顯的不足，即沒有考慮摻灰土料的結構會因含水率、擊實作用的不同而有很大的差異，從而忽略了各因素之間的耦合作用。通過試驗研究發現，在起始含水率、摻入石灰率以及擊實功的強烈耦合作用下，同一土體最小膨脹率對應的各因素值發生明顯變化，各因素的影響規律也發生了明顯的改變。試驗用膨脹土最小膨脹率對應的起始含水率、摻入石灰率以及擊實次數分別為:21.6%，12.3%和 200 次。膨脹土與石灰的物理、化學反應過程都需要水的參與，含水率的變化會使這些過程發生明顯變化，而擊實度直接影響水的獲取量，各因素共同作用時會影響擊實功和摻灰量的最佳值，進而影響摻灰膨脹土的最終強度，若仍按一般方法來確定膨脹土的處理措施顯然不妥。所以，建議采用綜合改良法處理膨脹土地基時應首先開展模擬真實地下水位的大試件膨脹性試驗。

[1] 趙中秀.用生石灰改良膨脹巖基床的室內試驗研究[J].巖土工程學報，1998，20(1):39-44.

[2] 劉義虎，楊果林，黃向京.干濕循環作用下水對膨脹土路基破壞機理的試驗研究[J].中外公路，2006，26(3):30-36.

[3] 陳善雄，李伏保，孔令偉.弱膨脹土工程特性及其路基處治對策[J].巖土力學，2006，27(3):353-360.

[4] FAN Zhen-hui，WANG Yonghe，XIAO Hong-bin.Analytical method of load-transfer of single pile under expansive soil swelling[J].J.Cent.South Univ.Technol，2007，4(5):575-580.

[5] SHEN Nan.Dynamic Study on Water Stability of Soil Structure and Soil Characteristics of Several Types of Soils in Southwest China，2008，13(3):336-342.

[6] ZHAN Liangtong.Effect of suction change on water content and total volume of an expansive clay[J].Journal of Zhejiang University SCIENCE AISSN，2007，8(5):699-707.

[7] 張能義，鄧鵬飛.公路路基膨脹土石灰改性試驗研究[J].武漢工業學院學報，2008，27(4):70-72.

[8] 郭愛國，孔令偉，胡明鑒，等.石灰改性膨脹土施工最佳含水率確定方法探討[J].巖土力學，2007，28(3):517-522.