土質改良法改性膨脹土試驗研究

□李曉紅□張 華□孟 玥

（1河南省水利科學研究院；2河南省河口村水庫管理局；3河南科源水利建設工程檢測有限公司）

土質改良法改性膨脹土試驗研究

□李曉紅1□張 華2□孟 玥3

（1河南省水利科學研究院；2河南省河口村水庫管理局；3河南科源水利建設工程檢測有限公司）

膨脹土作為一種區(qū)域性特殊土，它含有大量的親水礦物，在濕度變化時發(fā)生較大體積變化，當其變形受到約束時可產生較大的內應力，土的不良工程性質會對路基和邊坡造成嚴重破壞，目前國內外對膨脹上作過很多處治方法的研究，文章采用土質改良法，即向膨脹土中摻入不同比例的非膨脹土，并對混摻后的改良土進行了一系列的室內試驗研究，得到不同配合比改良土的物理、力學指標，通過對其數據的比較與分析，找到符合工程技術要求且經濟的改良方案和摻量。

膨脹土；土質改良法；顆粒級配曲線；液塑限；自由膨脹率

1 引言

膨脹土指土中含有大量親水性粘土礦物成分（主要有蒙脫石和伊利石），在環(huán)境濕度和溫度變化影響下，可產生強烈漲縮變形的高塑性粘土。膨脹土在我國多個省份廣泛分布，它經常會給人類工程活動造成麻煩，尤其是對輕型房屋和構筑物、道路、機場跑道等危害更大，膨脹土邊坡常常會發(fā)生失穩(wěn)事故。針對這種不良土質進行研究和探討，了解膨脹土的特征和特性，從而采取切實可行的工程技術處治措施，確保與膨脹土有關工程的安全、提高建設的質量，是值得深入研究和探討具有重要意義的課題。

許多的工程師、建筑師、結構師們都在尋求減少膨脹土危害的有效方法和途徑。他們的方法大部分來自于反復試驗。想通過機械穩(wěn)定的方法來達到效果，可是最終發(fā)現要徹底使之穩(wěn)定，必須要改變膨脹粘土的物理化學性質。于是，巖土工程師們就尋求土壤科學家和地質學家們的知識去尋求提高粘土性能的方法。McCallister and Perty（1990）[1]的研究表明為了提高改良土的耐久力，土中必須加入足夠的生石灰使之能夠進行一定的凝硬反應。Al-Mhaidib（1996）等[2]的研究表明，固化膨脹土的石灰摻量有一個最佳范圍，應針對不同膨脹土參數得出石灰的最佳摻量不同。Little（1999，2000）[3，4，5]已經在室內實驗及現場測試中得出了決定灰土混合物的工程性質的物力基礎。張涌[6]在寧夏古王公路膨脹土路基處理中使用改性處理方法，利用NCS固化劑及消石灰分別對古王公路沿線幾種典型的膨脹土進行改性處理，并在室內進行了外摻混合料的液限和塑限試驗、自由膨脹率試驗及CBR試驗。西安地質學院的肖榮久、鄧媛華等[7]對陜南膨脹土的3種典型土樣進行了石灰改良性能分析得到很好的效果。

文章采用土質改良法，向膨脹土中摻入不同比例的非膨脹土，并對混摻后的改良土進行一系列的室內試驗，得到不同配合比的改良土的物理、力學指標，通過對其數據的比較與分析，找到符合工程技術要求且經濟的改良方案和摻量。

2 試驗材料及方案

2.1 原材料

南水北調中線工程總干渠沿線涉及的膨脹土地區(qū)范圍廣、工程地質條件復雜，任何局部的邊坡失穩(wěn)、襯砌結構的破壞都可能影響渠道的正常輸水。南水北調中線工程總干渠明渠段渠坡或渠底涉及到膨脹土的長度約340 km，主要分布在河南南陽一帶。試驗用土選擇的膨脹土取土區(qū)為南水北調南陽段。為方便運輸與試驗研究，非膨脹土取土區(qū)位于膨脹土取土區(qū)周邊。膨脹土的自由膨脹率為80%，按膨脹土漲縮等級的劃分，60≤δef＜90為中等膨脹土。非膨脹土的自由膨脹率為19%。膨脹土最大干密度為1.59 g/cm3，對應的最優(yōu)含水率為24%。顆粒分析結果見表1。粘粒含量為42.30%，按照中膨脹土粘粒含量介于35%～50%，試驗土料為中膨脹土。通過液塑限試驗得出，膨脹土的液限ωL10=52.90%,塑限ωP10=25.60%,塑性指數ωL10=27.20。非膨脹土的液限ωP10=30.90%，塑限ωP10=16.80%,指數Ip10=14.10。根據膨脹土的分類標準，塑性指數IP10介于25～35為中膨脹土，＜18為非膨脹土。

2.2 試驗方案

向膨脹土中摻入不同比例的非膨脹土會產生不同的力學性質，其中定會產生一個最佳的配合比，使膨脹土的“失水收縮，遇水膨脹”的性質最接近工程要求。

本試驗采用了以下比例對膨脹土與非膨脹土混摻，膨脹土︰非膨脹土分別為9︰1；4︰1；7︰3；3︰2；1︰1。并對混摻后的改良土的顆粒級配、自由率、及液、塑限等指標進行室內試驗研究。

3 結果與分析

3.1 改良土的顆粒分析試驗結果

改良土的顆粒分析實驗結果如表1所示。

表1 顆粒分析表

由試驗結果，結合膨脹潛勢的劃分可得出：

一是，由于＜0.005的黏粒含量為42.30，在35～50范圍之內，可以得出該膨脹土為中膨脹土。

二是，隨著摻入非膨脹土的增加，土中黏粒含量降低，該膨脹土逐漸由中膨脹土轉變?yōu)槿跖蛎浲粒蛎浶阅軠p弱。

3.2 改良土的液限和塑限指標

表2 不同配合比改良土的液限與塑限表

由試驗結果表2可得：隨著非膨脹土摻入比例的增加，新土樣的液限和塑限都在下降，塑性指數也隨之下降，膨脹土由原來的中膨脹土變?yōu)槿跖蛎浲粒蛎浶阅軠p弱。

3.3 改良土的自由膨脹率

由試驗結果可知：隨著摻入非膨脹土比例的增加，膨脹土自由率呈降低的趨勢，原因是摻入了非膨脹土后，黏粒含量的比例降低，膨脹潛勢降低了。采用回歸分析，非膨脹土摻量和自由膨脹率之間存在線性的遞減關系，擬合公式為δef=-0.61x+80.14。其中，δef為自由膨脹率，單位%，x為非膨脹土摻量，單位%。

表3 混摻后的自由膨脹率表

4 結論

膨脹土的改良是膨脹土工程地基處理研究領域中的重要課題之一。結合南水北調渠道工程，參照相關規(guī)范，對南水北調南陽段進行了室內改良試驗，得到了以下結論：第一，由顆粒分析試驗可知原膨脹土為中膨脹土。隨著摻入非膨脹土的增加，該膨脹土逐漸由中膨脹土轉變?yōu)槿跖蛎浲粒蛎浶詼p弱。第二，隨著非膨脹土摻入比例的增加，新土樣的液限和塑限指數都在下降，塑性指數也隨之下降，膨脹土由原來的中膨脹土變?yōu)槿跖蛎浲粒蛎浶阅軠p弱。第三，膨脹土、非膨脹土以及它們混摻后的自由膨脹率由試驗結果可以看出：膨脹土的自由膨脹率較高（80），為中膨脹土。非膨脹土的自由膨脹率較低（19），它們混摻后隨著非膨脹土比例增加自由膨脹率逐漸下降，由原來的中膨脹土變?yōu)榱巳跖蛎浲痢Ｇ译S著摻入量增加而自由膨脹率變得越小。第四，根據工程實際要求，結合當地經濟因素，參考該方案的一系列的室內試驗結果，可知，膨脹土︰非膨脹土為2：3時，為該改良土的最佳配合比。

（責任編輯：劉 青）

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2016-08-19