廣西古近系風(fēng)化砂巖改良膨脹土試驗(yàn)研究

薛秀 王金鵬

摘要：百色東膨脹土具有中等膨脹性，主要由粘粒構(gòu)成，蒙脫石含量為10.83%，具有明顯的收縮變形特性。為了能利用膨脹土進(jìn)行路基填料，采用古近系風(fēng)化砂巖作為骨料進(jìn)行試驗(yàn)。膨脹性試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)添加風(fēng)化砂改良效果不明顯，主要是由于按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，2 mm以上砂礫均被剔除，無(wú)法真實(shí)反映改良效果。擊實(shí)結(jié)果表明：隨著風(fēng)化砂含量增加，承載比逐漸提高，在摻砂量超過(guò)20%時(shí)，改良膨脹土可滿足路基填料要求。直剪試驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)化砂含量<15%時(shí)，內(nèi)聚力隨風(fēng)化砂含量增加而增大;風(fēng)化砂含量>15%時(shí)，內(nèi)聚力逐漸降低;風(fēng)化砂含量<25%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨風(fēng)化砂含量增加而增大;風(fēng)化砂含量>25%時(shí)，內(nèi)聚力逐漸降低。綜合考慮，膨脹土改良最優(yōu)摻砂量為20%～25%。

關(guān)鍵詞：膨脹土;第三系風(fēng)化砂巖;膨脹特性;擊實(shí)試驗(yàn)

0 引言

膨脹土因其具有吸水膨脹、失水開(kāi)裂的特性，使得其在工程修建中，不能直接作為路基填料使用，通常需要經(jīng)過(guò)改良后才能使用，采用的方法主要有摻石灰[1-4]、水泥[5-8]、粉煤灰[9-10]、固廢[11-13]等，這些改良方法都需要從外部借調(diào)大量的工程材料，需要較高的處理費(fèi)用。

已有試驗(yàn)研究表明，膨脹土改良可通過(guò)摻入粗砂降低膨脹性，粗砂摻入量一般在25%～40%，這種改良方法需要大量的粗砂，造價(jià)昂貴。根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，古近系粉砂巖在廣西區(qū)內(nèi)分布較廣，且在公路修建過(guò)程中，有大量的粉砂巖挖方。粉砂巖具有易破碎、儲(chǔ)量大、開(kāi)采容易等特點(diǎn)，如果能夠用來(lái)改良膨脹土，將減少棄方，節(jié)約成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及環(huán)保意義。

1 工程概況

百色至田陽(yáng)段，廣泛分布古近系、新近系地層的殘積土及半成巖。根據(jù)已有工程試驗(yàn)結(jié)果，殘積土及半成巖均具有弱～中等膨脹性。該路段分布許多小型滑塌或變形邊坡，均是由膨脹土變形造成。且地表可用的二至三級(jí)階地黏土、圓礫等非膨脹土，已經(jīng)接近枯竭，現(xiàn)階段面臨著無(wú)土可用或高額的遠(yuǎn)距離調(diào)土問(wèn)題，膨脹土已經(jīng)嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)發(fā)展。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 膨脹土特性研究

試驗(yàn)用膨脹土取自百色至田陽(yáng)段路邊斜坡，土層表層呈褐黃色，底部呈灰白色，土質(zhì)細(xì)膩有滑感。取樣過(guò)程中剝除表層帶植物根系土層，采取土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其基本性質(zhì)、膨脹性指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

由表1、表2可知，該膨脹土為高液限黏土，根據(jù)《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》（DB45/T-2007）規(guī)定，該膨脹土為高液限中等膨脹土。

對(duì)該土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)，得到該膨脹土主要是由粒徑<0.005 mm的粘粒組成，含量占到了70%（見(jiàn)圖1）。X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果表明，該膨脹土蒙脫石含量為10.83%。

2.2 風(fēng)化砂基本特性

粉砂巖取樣點(diǎn)與膨脹土一致。人工挖取粉砂巖后，為能夠盡可能模擬以后施工條件，采用18T震動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行了破碎。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，松鋪厚度為20～25 cm，碾壓3次后，粉砂巖基本破碎成礫砂及少量粒徑>10 mm的碎塊。通過(guò)對(duì)粉碎后樣品進(jìn)行顆分、膨脹性試驗(yàn)，其基本性質(zhì)見(jiàn)表3。

由圖2分析得出，粒徑<10 mm的顆粒達(dá)到73.7%。根據(jù)不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)共同判斷，該風(fēng)化砂級(jí)配較差。

2.3 試驗(yàn)參數(shù)選取

改良后膨脹土作為路基填料，需要符合路基填料要求，并滿足填土路基強(qiáng)度。根據(jù)路基填料要求以及路基強(qiáng)度檢測(cè)指標(biāo)，選用土的膨脹性、承載比（CBR）以及抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

此次試驗(yàn)采用平行對(duì)比試驗(yàn)方法，對(duì)所有土樣、風(fēng)化砂都進(jìn)行烘干稱重，按照砂：土為0：100、10：90、15：85、20：80、25：75、30：70、35：65的配比，混合均勻后進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 膨脹性變化

本次試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）指定步驟進(jìn)行。自由膨脹率測(cè)定時(shí)過(guò)0.5 mm篩，膨脹性試驗(yàn)時(shí)過(guò)2 mm篩，對(duì)經(jīng)過(guò)篩選后的材料采用四分法混合均勻后進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)楊俊[14-16]的研究成果，摻入風(fēng)化砂后，改變膨脹土原有結(jié)構(gòu)，降低膨脹土中的粘粒和粉粒含量，提高膨脹土中的粗粒含量，膨脹土的膨脹性得到顯著的抑制。

由圖3可知，風(fēng)化砂摻入后混合試樣自由膨脹率在風(fēng)化砂摻入量較低（10%）時(shí)有所上升，隨著風(fēng)化砂摻入量不斷增加，其膨脹性再次降低，并逐漸接近原膨脹土膨脹性;膨脹力、脹縮總率在風(fēng)化砂摻入比<10%時(shí)有所降低，但隨著風(fēng)化砂含量增加，膨脹力逐漸增加，超過(guò)25%后，逐漸趨于穩(wěn)定;縮限隨著風(fēng)化砂摻入量增加，逐漸增大;收縮系數(shù)隨著風(fēng)化砂摻入量增加，經(jīng)歷初期降低后逐漸增大。總體來(lái)看，風(fēng)化砂摻入對(duì)膨脹土的膨脹性改變不大，起不到應(yīng)有的效果。

分析導(dǎo)致該試驗(yàn)結(jié)果的原因在于：自由膨脹率測(cè)定需要過(guò)0.5 mm篩，其他膨脹性試驗(yàn)均需過(guò)2 mm篩，改變了原有風(fēng)化砂結(jié)構(gòu)。剔除對(duì)膨脹土改良最為關(guān)鍵的粗顆粒進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)，是不能真實(shí)反映風(fēng)化砂對(duì)膨脹土的改良效果的。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

常規(guī)試驗(yàn)條件苛刻，剔除>2 mm粒徑的礫砂，與實(shí)際情況相差太大，不能真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)施工中，礫砂在改良土中起到的骨架作用。重型擊實(shí)儀試驗(yàn)適用于粒徑≤40 mm的土，根據(jù)風(fēng)化砂顆分試驗(yàn)結(jié)果，該試驗(yàn)滿足試驗(yàn)要求。

由表4可知，隨著風(fēng)化砂含量增高，最優(yōu)含水率、最大干密度變化不大，膨脹率隨著風(fēng)化砂摻入量增高而逐漸降低，在風(fēng)化砂摻入量>25%后，膨脹率變化較小;CBR值隨著風(fēng)化砂含量增加而提高，在風(fēng)化砂含量達(dá)到20%時(shí)，CBR值>4，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）表3.3.3規(guī)定，可以作為路堤填料使用;當(dāng)風(fēng)化砂含量達(dá)到30%時(shí)，根據(jù)表3.2.2規(guī)定，可用作下路床填料使用。

試驗(yàn)表明，通過(guò)在膨脹土中添加風(fēng)化砂可以提高地基承載力，CBR試驗(yàn)指出，風(fēng)化砂改良膨脹土作為路堤填料時(shí)，摻入量≥20%;作為下路床填料時(shí)，摻入量≥30%。

3.3 直剪試驗(yàn)

通過(guò)CBR試驗(yàn)獲取每一級(jí)摻砂率下最優(yōu)含水率，按照試驗(yàn)規(guī)程，配置最優(yōu)含水率試樣，經(jīng)過(guò)48 h密封燜料，把悶制好的試樣拌勻，使用CBR試驗(yàn)的專用擊實(shí)筒，用重型擊實(shí)錘分三層進(jìn)行擊實(shí)，第一層30下，第二層50下，第三層98下。將擊實(shí)的試樣通過(guò)推樣器取出，剝?nèi)ロ敳考暗撞坎痪鶆蛲翆樱x取靠近樣品中部1/3處的土樣進(jìn)行切樣。擊實(shí)后土樣非常堅(jiān)硬，局部存在較大顆粒，切樣時(shí)采用切土刀從外層逐層切削，遇到較大顆粒時(shí)，選用較為鋒利的刀具切削，每個(gè)擊實(shí)樣取樣2～3個(gè)。

擊實(shí)樣含砂量較小，滲透系數(shù)在6～10 cm/s，所以采用黏質(zhì)土快剪試驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。土樣中摻入風(fēng)化砂后，內(nèi)摩擦角逐漸增大，當(dāng)摻砂量達(dá)到25%時(shí)，內(nèi)摩擦角迅速降低;在風(fēng)化砂摻入量<15%時(shí)，內(nèi)聚力隨著風(fēng)化砂含量增加而增大;風(fēng)化砂含量>15%后，內(nèi)聚力逐漸降低，在風(fēng)化砂含量達(dá)到30%時(shí)，其內(nèi)聚力小于原膨脹土的。

分析產(chǎn)生這種變化的原因，主要是因?yàn)閾饺氲娘L(fēng)化砂粒徑較大，改變了原有顆粒級(jí)配。在風(fēng)化砂摻入量較小時(shí)，原有的粘粒包裹砂粒，形成較大顆粒，粒間內(nèi)摩擦角增大，內(nèi)聚力增高;當(dāng)風(fēng)化砂摻入量超過(guò)粘粒可包裹的砂粒后，會(huì)有部分砂粒剩余，使得土體被砂化，導(dǎo)致改良土樣內(nèi)聚力降低。

綜合分析內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角變化，對(duì)該膨脹土進(jìn)行摻砂改良時(shí)，最優(yōu)摻砂量為25%，有利于土樣砂化破碎，并且土體強(qiáng)度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）百色東殘積膨脹土具有中等膨脹性，顆粒組成主要為粒徑<0.005 mm的粘粒，中風(fēng)化粉砂巖經(jīng)機(jī)械碾壓后成礫砂狀，具有弱膨脹性。

（2）采用常規(guī)膨脹性試驗(yàn)，風(fēng)化砂摻入對(duì)膨脹土的膨脹性改變不大，起不到應(yīng)有的效果，主要原因是粒徑>2 mm的礫砂被剔除，顆粒骨架無(wú)法形成。

（3）承載比（CBR）試驗(yàn)和通過(guò)擊實(shí)儀制樣所做的直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)化砂摻入可以明顯提高土體的承載力。在風(fēng)化砂含量<15%時(shí)，內(nèi)聚力隨著摻砂量增加而增大;風(fēng)化砂含量>15%后，內(nèi)聚力逐漸降低;風(fēng)化砂含量<25%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨著摻砂量增加而增大;風(fēng)化砂含量>25%后，內(nèi)摩擦角迅速減小。

（4）采用粉砂巖碾壓后形成的礫砂對(duì)百色東膨脹土進(jìn)行改良，其最優(yōu)配合比為20%～25%。

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