楊 俊，童 磊，張國棟，唐云偉，梁 勇

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北 宜昌 443002；4.小鴉一級(jí)公路改建工程項(xiàng)目部，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

膨脹土主要由親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，是一種在自然地質(zhì)過程中形成的具有多裂隙性、快速崩解性以及顯著地膨脹性與收縮性的特殊區(qū)域性土。由于膨脹土遇水膨脹，失水收縮，故其強(qiáng)度特性對(duì)含水率的變化極為敏感，因而其工程性質(zhì)很不穩(wěn)定。在膨脹土分布區(qū)域修筑的公路極易出現(xiàn)路面沉陷、邊坡滑塌、路堤失穩(wěn)等工程問題。究其原因，往往都是由于土的抗剪強(qiáng)度不夠，以及承載能力不足所造成的[1]。

我國膨脹土分布十分廣泛，在修筑公路、鐵路時(shí)不可避免的要穿越膨脹土地區(qū)。目前，在實(shí)際工程中，大多數(shù)情況下是在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等外加劑，使之與土體發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)改良來提高土體的承載能力以及抗剪強(qiáng)度。摻入后，土體的強(qiáng)度特性有明顯的改善。但是，石灰、水泥、粉煤灰與膨脹土的反應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致改良后土體強(qiáng)度提高較為緩慢，且施工工程中需要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，養(yǎng)護(hù)條件不易控制。同時(shí)化學(xué)改良往往具有一定的時(shí)效性[2]，隨著時(shí)間的推移，所生成水化物的強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，最終導(dǎo)致路基強(qiáng)度不夠，從而嚴(yán)重危害公路的正常運(yùn)行。再者摻入的石灰、水泥、粉煤灰由于粒徑較小，現(xiàn)場施工時(shí)難以充分拌和均勻。

筆者結(jié)合湖北宜昌小溪塔至鴉雀嶺一級(jí)公路改建工程，擬將沿線廣泛分布的風(fēng)化砂作為外加劑來改良膨脹土強(qiáng)度特性，使之達(dá)到路基填料標(biāo)準(zhǔn)。在室內(nèi)對(duì)摻砂改良膨脹土進(jìn)行了不同摻砂比、不同初始含水率下的承載比(CBR)試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn)，深入分析了摻砂比、初始含水率對(duì)改良膨脹土強(qiáng)度的影響，同時(shí)也驗(yàn)證了摻砂改良膨脹土這一物理改良方法的可行性。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 膨脹土

試驗(yàn)所用膨脹土取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)小溪塔至鴉雀嶺一級(jí)公路改建工程項(xiàng)目K 24 + 000 ～ 25 +000路段。膨脹土顏色以棕黃色、灰白色為主，中間夾雜灰綠色。土塊可層層分割成規(guī)則的幾何形體，斷面光滑，土質(zhì)滑感較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密，含有少量鈣質(zhì)與鐵錳質(zhì)結(jié)核。膨脹土的基本性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 膨脹土的基本性質(zhì)指標(biāo)

Table 1 Basic physical property indexes of expansive soil

從表1可以看出，膨脹土的液限為70.53%，屬于高液限土；塑性指數(shù)為46.44，屬于極高塑性黏土；自由膨脹率為43%，屬于弱膨脹性。

1.1.2 風(fēng)化砂

試驗(yàn)所用的風(fēng)化砂取自該項(xiàng)目K22 +000～K23 +000路段，風(fēng)化砂顏色呈黃色，粒徑較小，顆粒呈棱角狀，強(qiáng)度較高，并含有一定量的細(xì)粒土。由圖1可以看出試驗(yàn)所用風(fēng)化砂粒徑大部分都集中在0.25 mm以下，屬于級(jí)配不良砂。風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。

圖1 風(fēng)化砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Weathered sand-based particle size distribution curve表2 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)指標(biāo) Table 2 Physical property indexes of the weathered sand

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)均按照J(rèn)TG E 40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行。

摻砂比是指所摻風(fēng)化砂質(zhì)量與總質(zhì)量之比，采用5種摻砂比：10%，20%，30%，40%，50%。根據(jù)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到每種摻砂比下膨脹土的最佳含水率和最大干密度。

進(jìn)行承載比、回彈試驗(yàn)時(shí)，每種摻砂比下，制備5種初始含水率：8%，10%，12%，14%，16%。

進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，考慮到改良后土體的實(shí)際情況，每種摻砂比下，土樣的初始含水率分別按6%，8%，10%，12%，14%進(jìn)行配制。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

土采用干法制備試樣，分3層進(jìn)行擊實(shí)，每層98擊。重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Compaction test results of expansive soil improved by

weathered sand

土樣編號(hào)摻砂比/%最佳含水率ωop/%最大干密度ρdmax/(g·cm-3)1012.821.89921012.491.91332012.261.96543012.051.94754011.491.93165011.071.918

由表3可以看出：

1)最佳含水率隨著摻砂比的提高而逐漸減小。這是由于風(fēng)化砂的摻入，整體的黏性降低，保水性下降，導(dǎo)致?lián)魧?shí)時(shí)所需要的含水量減小。當(dāng)摻砂比由30%增至50%時(shí)，最佳含水率迅速下降，降低幅度約為50%。

2)摻入風(fēng)化砂之后，擊實(shí)膨脹土的最大干密度隨之提高，當(dāng)摻砂比為20%時(shí)，擊實(shí)膨脹土的最大干密度達(dá)到最大，但當(dāng)摻砂比進(jìn)一步提高時(shí)，最大干密度逐漸下降。這是因?yàn)閾饺腼L(fēng)化砂之后，膨脹土顆粒填充在風(fēng)化砂顆粒所形成的空隙之中，顆粒之間嵌擠更加緊密，單位體積內(nèi)的顆粒增多。而下降的原因是試驗(yàn)所用的風(fēng)化砂級(jí)配不良，過多地?fù)饺霑?huì)使混合土體的級(jí)配不良，難以壓實(shí)。

2.2 改良膨脹土的CBR值

干土法備樣，按照試驗(yàn)方案中所規(guī)定的初始含水率及摻砂比在試筒中采用重型擊實(shí)的方法制備試件。為了模擬路基在使用過程中的最不利狀態(tài)，在貫入試驗(yàn)前將試件進(jìn)行泡水4 d處理。每組試樣做3組平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)差值滿足精度要求的結(jié)果的平均值作為試件的最終CBR值。

2.2.1 初始含水率對(duì)改良膨脹土CBR值的影響(圖2)

圖2 含水率與CBR值的關(guān)Fig.2 The relationship between moisture content and CBR value

從圖2以看出：

1)改良膨脹土CBR值隨初始含水率的增加而提高，但是有一個(gè)極限值，超過這個(gè)極限含水率后，CBR值隨著含水率的增加而迅速下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：隨著含水率的增加，擊實(shí)后土樣的干密度迅速上升，孔隙率減小，土顆粒之間的接觸越來越緊密，況且隨著土樣初始含水率的增加，整個(gè)土樣的膨脹潛勢會(huì)越來越小，故在浸水4 d之后，試件結(jié)構(gòu)的損壞程度也會(huì)逐漸減小。所以，隨著初始含水率的增加，各摻砂比的膨脹土CBR值逐漸提高。當(dāng)試件初始含水率超過一定的限度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?lián)魧?shí)后土樣的密實(shí)度不夠，土中空隙增多，浸水時(shí)會(huì)吸入過多的外界水，使改良膨脹土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，影響了土顆粒之間的定向排列，導(dǎo)致試件本身產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的損傷，從而使土顆粒之間的相互作用力減弱，同時(shí)過多的自由水也阻礙了土顆粒之間的接觸，影響了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的生成[3]，從而使改良膨脹土承載力迅速降低。

2)各摻砂比膨脹土的CBR峰值含水率略大于各自對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率1%～2%。這是由于雖然在最佳含水率狀態(tài)下進(jìn)行壓實(shí)，會(huì)得到最大的干密度，但是浸水4 d之后，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，故當(dāng)干密度最大時(shí)，并不能保證浸水后CBR值最大。浸水后土樣的CBR值是多種因素耦合的結(jié)果，適當(dāng)?shù)奶岣咄翗拥某跏己剩m然減小了擊實(shí)后的土樣干密度，但是降低了土樣的膨脹潛勢，使浸水后土體結(jié)構(gòu)性損傷程度降低，故當(dāng)含水率稍大于最佳含水率時(shí)，改良膨脹土CBR值達(dá)到最大。

2.2.2 摻砂比對(duì)改良膨脹土CBR值的影響(圖3)

由圖3可知：

1)隨著摻砂比的提高，膨脹土的CBR值逐漸增大。這是因?yàn)轱L(fēng)化砂粒徑較大，強(qiáng)度較高，且有一定的棱角，摻入之后，起到了骨架支撐作用，且顆粒與顆粒之間的相互作用越來越強(qiáng)烈，最終導(dǎo)致改良后膨脹土承載能力的提高。

2)隨著風(fēng)化砂摻入比例的增加，土體CBR值增長的速度是不斷變化的。當(dāng)摻砂比為<30%時(shí)，土體CBR值增長速度較慢，這是因?yàn)殡m然摻入風(fēng)化砂之后，顆粒之間的相互作用效果增強(qiáng)，但是由于此時(shí)摻入的風(fēng)化砂較少，擊實(shí)后的試件有著較高的膨脹潛勢，浸水后試件結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，強(qiáng)度衰減較大，故此時(shí)改良膨脹土CBR值增長較慢。當(dāng)摻砂比由30%增長至40%時(shí)，土體CBR值增長速度最快。當(dāng)土樣含水率為14%時(shí)，CBR值增長幅度達(dá)到了3.15%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)?，此時(shí)膨脹土所占比例較小，擊實(shí)后試件的膨脹潛勢較低，浸水后對(duì)試件強(qiáng)度影響較小，再者，由于風(fēng)化砂摻量的增加，土體本身的孔隙率減小，顆粒之間的作用效果顯著增強(qiáng)，同時(shí)風(fēng)化砂顆粒在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到了很好的支撐作用，從而改良膨脹土CBR值大幅提高。當(dāng)摻砂比繼續(xù)增長時(shí)，土體CBR值增長速度逐漸變慢，這是由于風(fēng)化砂摻入過多，導(dǎo)致?lián)魧?shí)后土體干密度減小，孔隙率增多，整體結(jié)構(gòu)趨于松散，浸水后過多的外界水通過空隙進(jìn)入土體內(nèi)部，影響了土顆粒之間的定向排列，使土體內(nèi)部產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的損傷，故導(dǎo)致土體CBR值增長速度的減緩。

2.3 改良膨脹土的回彈模量

采用室內(nèi)承載板法，逐級(jí)加載卸載法測定改良膨脹土每級(jí)荷載下回彈變形。土樣采用干土法制備，按照試驗(yàn)方案中所規(guī)定的初始含水率及摻砂比，采用重型擊實(shí)的方法制備試件。試件制備完畢后立即進(jìn)行預(yù)壓，并測定回彈變形量。

2.3.1 初始含水率對(duì)改良膨脹土回彈模量的影響

改良膨脹土的承載力與試件的干密度、摻砂比及含水率有關(guān)。因膨脹土具有吸水后軟化，強(qiáng)度降低的特性，故在同一摻砂比下，其承載力大小主要受到含水率的影響。經(jīng)過一系列的室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)，初始含水率與改良膨脹土回彈模量之間的關(guān)系見圖4。

圖4 回彈模量與初始含水率的關(guān)系Fig.4 Relationship of resilient modulus and the initial moisture content

由圖4可以看出：在同一摻砂比下，隨著初始含水率的增大，改良膨脹土的回彈模量逐漸增加，當(dāng)初始含水率接近各摻砂比下的最佳含水率時(shí)，回彈模量達(dá)到最大值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，由于初始含水率的逐漸增大，擊實(shí)后試件的干密度逐漸提高，孔隙率減小，土顆粒間的相互摩擦更加強(qiáng)烈，于是回彈模量隨著初始含水率的提高而增大，但增長幅度較小，最大的增幅出現(xiàn)在摻砂比例為30%時(shí)，也僅為20.85 MPa。當(dāng)初始含水率超過各摻砂比下的最佳含水率而繼續(xù)增大至16%時(shí)，回彈模量迅速降低，其中摻砂比為30%的膨脹土回彈模量下降最快，下降幅度達(dá)到了41.3 MPa。這是由于初始含水率超過最佳含水率后，一方面導(dǎo)致?lián)魧?shí)后試件的干密度迅速降低，土顆粒之間的間距變大，相互作用力減弱，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低；另一方面，土顆粒周圍結(jié)合水膜中的水分子對(duì)土粒間的相互運(yùn)動(dòng)起到了一定的潤滑作用[4]，所以導(dǎo)致由于初始含水率的繼續(xù)增加，改良膨脹土回彈模量迅速降低。

2.3.2 摻砂比對(duì)改良膨脹土回彈模量的影響

摻砂比決定著擊實(shí)后試件的干密度、顆粒的組成和受力狀況，因此在同一初始含水率下，改良膨脹土承載力大小主要受到摻砂比的影響。室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)得到摻砂比與改良膨脹土回彈模量之間的關(guān)系，見圖5。

圖5 回彈模量與摻砂比例的關(guān)系Fig.5 Resilient relationship between resilient modulus doped sand radio relation ship

從圖5可以看出：

1)通過調(diào)整摻砂比可以有效的提高改良膨脹土的回彈模量。當(dāng)摻砂比為10%，初始含水率為12%時(shí)回彈模量最大，為111.46 MPa。

2)當(dāng)風(fēng)化砂摻入比例由0增大至10%時(shí)，改良膨脹土回彈模量逐漸增大，通過前面的分析可知：一方面風(fēng)化砂的摻入可以提高整體的摩阻力，使顆粒之間咬合更加緊密，增強(qiáng)了土體整體的穩(wěn)定性；另一方面，摻入風(fēng)化砂使得擊實(shí)后試件的干密度增大，密實(shí)性增強(qiáng)，承載能力提高，故摻入風(fēng)化砂之后，可以大幅提高改良膨脹土的回彈模量。分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)試件初始含水率為10%時(shí)，回彈模量增幅最大，達(dá)到了24.35 MPa。當(dāng)摻砂比由10%增大至50%時(shí)，改良膨脹土回彈模量迅速降低，其中當(dāng)試件的初始含水率為12%時(shí)，回彈模量降低速度最快，降低幅度達(dá)到了65.62 MPa。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，摻入過多的風(fēng)化砂之后，土體整體的黏性迅速降低，土體逐漸由“彈塑性體”向“塑性體”過渡[5]，從而使得試件在試驗(yàn)荷載下恢復(fù)變形的能力減弱，回彈模量迅速降低

2.4 改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

采用靜壓法制樣，使之達(dá)到預(yù)定的干密度。將制好的試樣放在應(yīng)變控制式直剪儀上進(jìn)行不同垂直荷載下的直剪，控制剪切速度為0.8 mm/min。試驗(yàn)得到不同初始含水率及不同摻砂比改良膨脹土內(nèi)摩擦角φ及黏聚力C，見表5。

表5 改良膨脹土的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C Table 5 The interior friction angle φ & the sticky poly force C of the modified expansive soil

2.4.1 改良膨脹土的內(nèi)摩擦角φ

1)通過調(diào)整初始含水率及摻砂比可以有效的提高膨脹土的內(nèi)摩擦角，當(dāng)摻砂比例為30%，初始含水率為8%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值31.53°。

2)在同一初始含水率下，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角隨著摻砂比的增加先逐漸增大，摻砂比例為30%時(shí)，達(dá)到最大；當(dāng)摻砂比進(jìn)一步增加時(shí)，內(nèi)摩擦角迅速降低。這是由于風(fēng)化砂顆粒具有一定的棱角和較大的摩阻力，摻入風(fēng)化砂之后，風(fēng)化砂顆粒包裹在膨脹土顆粒周圍，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的摩阻力大幅提高。再者，由于風(fēng)化砂的摻入，導(dǎo)致整個(gè)土體的干密度有所增加，孔隙率減小，顆粒之間接觸更加緊密，作用效果更為強(qiáng)烈，故隨著風(fēng)化砂摻入比的增加，內(nèi)摩擦角逐漸增大。然而試驗(yàn)過程中所摻入的風(fēng)化砂黏性較低，摻砂超過一定比例之后，砂性顆粒增多，會(huì)造成整體的黏性下降，穩(wěn)定性減弱，且摻入風(fēng)化砂過多，會(huì)導(dǎo)致土體干密度下降，孔隙率增加，顆粒之間的間距變大，相互作用減弱，所以當(dāng)摻砂比超過一定限度之后，內(nèi)摩擦角迅速降低。

3)在同一摻砂比例下，改良后膨脹土內(nèi)摩擦角隨著摻砂比的增大，先迅速增大，且內(nèi)摩擦角最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的初始含水率略小于各摻砂比下的最佳含水率。當(dāng)超過這一極限初始含水率之后，內(nèi)摩擦角迅速降低。原因是，由于初始含水率增加，造成土體的干密度逐漸變大，孔隙減小，最終導(dǎo)致顆粒間的相互作用增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角迅速增大。當(dāng)初始含水率繼續(xù)增加時(shí)，土體中過多的自由水一方面阻礙了土顆粒之間的接觸，使土顆粒間的作用力減弱，有一方面自由水在剪切過程中充當(dāng)了潤滑劑的作用，再者當(dāng)初始含水率繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)使土體本身的干密度下降，土顆粒間的摩擦減弱，從而使得內(nèi)摩擦角迅速降低。

2.4.2 改良膨脹土的黏聚力C

1)初始含水率及摻砂比對(duì)改良后膨脹土黏聚力的影響較大。各摻砂比下的改良膨脹土在初始含水率接近各自最佳含水率時(shí)，黏聚力達(dá)到最大。這是因?yàn)楫?dāng)初始含水率接近最佳含水率時(shí)，改良膨脹土干密度達(dá)到最大，孔隙率最小，顆粒之間的距離較近，相互作用力較強(qiáng)，故此時(shí)的黏聚力最大。

2)在同一初始含水率下，隨著摻砂比的增加，改良后膨脹土黏聚力逐漸減小，摻砂比<40%時(shí)，黏聚力減小速度較慢，減小幅度約為25 kPa。但當(dāng)摻砂比>40%之后，黏聚力迅速減小，其中初始含水率為14%的土樣黏聚力減小幅度達(dá)30.57 kPa。這是因?yàn)?，摻入風(fēng)化砂之后，會(huì)導(dǎo)致土體整體的黏性降低，顆粒之間的相互作用減弱，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，故黏聚力逐漸減?。涣硗?，由于風(fēng)化砂摻入一定比例之后，土體干密度減小，孔隙增多，顆粒之間的作用力減弱，所以當(dāng)摻砂比>40%之后，土體黏聚力減小速度加快。

3)在同一摻砂比下，黏聚力隨初始含水率的增加先逐漸增大，且黏聚力最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水率接近各摻砂比下的最佳含水率。這是因?yàn)槌跏己手饾u增加時(shí)，土體干密度逐漸增大，孔隙率逐漸減小，顆粒間的嵌擠作用愈來愈強(qiáng)烈，故隨著初始含水率的增加，黏聚力逐漸增大。當(dāng)初始含水率繼續(xù)增大時(shí)，黏聚力迅速減小，且減小幅度在12 kPa左右。這是由于當(dāng)初始含水率過大時(shí)，土體中自由水增多，超孔隙水壓力增大，使土顆粒之間的吸引力減弱，公共水膜黏結(jié)力減小，另外界多的自由水在土樣剪切過程中起到了一定的潤滑作用，所以當(dāng)初始含水率繼續(xù)增加時(shí)，黏聚力會(huì)急劇下降。

3 結(jié) 論

由于風(fēng)化砂粒徑較小，在膨脹土粗顆粒形成骨架之中可以起到很好的填充作用，有助于提高改良后土體的承載能力，加之風(fēng)化砂顆粒之間的摩阻力較大，摻入后對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度也有一定程度的提高。研究得出以如下結(jié)論：

1)在同一含水率下，改良膨脹土CBR值隨著摻砂比例的增大而逐漸增大，當(dāng)摻砂比由30%提高至40%時(shí)，CBR值增幅最大。在同一摻砂比下，改良膨脹土CBR值隨著初始含水率的增大而逐漸增加，當(dāng)初始含水率大于最佳含水率1%～2%時(shí)，CBR值達(dá)到最大，當(dāng)初始含水率超過這一極限含水率后，CBR值迅速減小。

2)摻入風(fēng)化砂之后，可以有效提高膨脹土的回彈模量，但是摻砂比不宜過大，摻砂比超過10%后回彈模量迅速降低。隨著初始含水率的增加，改良膨脹土回彈模量先增加，后急劇減小，當(dāng)初始含水率接近最佳含水率時(shí)，回彈模量達(dá)到最大。

3)初始含水率及摻砂比對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有顯著響。黏聚力隨著摻砂比的增加而逐漸減小，同一摻砂比下的黏聚力隨著含水率的增加而先增大后減小；內(nèi)摩擦角隨著摻砂比的增加而先增大后減小，同一摻砂比下的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而先增大后減小。

4)摻入風(fēng)化砂可以有效的提高膨脹土的CBR值、回彈模量以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。經(jīng)過風(fēng)化砂改良后的膨脹土的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均能規(guī)范對(duì)路基強(qiáng)度的要求值，且風(fēng)化砂改良膨脹土具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可操作性。

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