风化砂改良膨胀土机理及边坡稳定性分析

杨 俊，黎新春，张国栋，唐云伟，梁 勇

(1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002;2.湖北省宜昌市交通运输局，湖北宜昌443002;3.湖北省宜昌市夷陵区小鸦一级公路改建项目部，湖北宜昌443002)

膨胀土是一种以蒙脱石、伊利石为主要矿物成分的高液限黏性土，具有吸水膨胀、失水收缩的特征，是一种特殊土质，不能直接用作路基填料.目前，工程上常用石灰、水泥或粉煤灰来改良膨胀土.王新征［1］研究发现:改良后膨胀土的强度指标及胀缩指标均有不同程度的改善，其中CBR值和无侧限抗压强度并不是随着石灰掺量的提高而无限制的增大，而是存在一个最佳掺量的问题.刘军等［2］研究发现:掺水泥改良对抗剪强度指标的提高尤为显著，但进行无侧限抗压、CBR等试验时，数据的变异系数较大，表明掺水泥改良均匀性较差.查甫生等［3］研究发现:掺入二灰后，试样的强度特性及水泥稳定性均大幅提高，且试样的膨胀量随着养护龄期的增加而逐渐减小.但大量实践经验证明，采用石灰、水泥或粉煤灰改良膨胀土，存在拌合困难、现场控制难度大、污染环境以及具有时效性等缺陷.

由于风化砂富含二氧化硅和氧化铝，而膨胀土中含有大量的钙质元素，二者可以通过化学反应，形成具有一定强度的硅酸钙和铝酸钙，可降低膨胀土的活性，从而抑制膨胀土的胀缩特性;再者可通过风化砂颗粒间摩阻力来抵消膨胀土的胀缩力，提高改良土的强度，达到路基填料的标准.由于风化砂具有一定的粒径，与石灰、水泥、粉煤灰等粉末状物体比较起来，现场拌合相对容易，还具有就地取材，节约成本等优点.

为此，本研究拟结合湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程实际情况，通过一系列的室内试验，分析试验现象，揭示风化砂改良膨胀土的机理，并应用条分法，对不同掺砂比例改良膨胀土填筑的路基进行整体稳定性分析评价，以进一步验证风化砂改良膨胀土的可行性，同时为确定最佳掺砂比例提供理论依据.

1 试验

1.1 试验材料

试验用膨胀土(见图1)，取自湖北省宜昌市鸦鹊岭，膨胀土土样颜色为灰白色，有滑感，肉眼可看到少量的白色钙质结核;经过化学成分分析，该膨胀土主要成分有蒙脱石、伊利石和高岭石，占82%，含有大量的钙质元素.液限WL=36.1%(小于50.0%)，塑限为 18.9%，塑性指数Ip=17.2(大于17.0)，该膨胀土为低液限黏土;自由膨胀率为δef=53%(大于40%且小于60%)，膨胀等级初步判定为弱膨胀土.

图1 试验用膨胀土

试验用风化砂(见图2)，取自小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建项目沿线K22+000～K23+000段附近.风化砂颜色为土黄色，颗粒较细，稍有滑腻感;经过化学成分分析，矿物组成主要是斜长石、石英、绢云母，化学成为以二氧化硅和氧化铝为主.其中粗粒组(粒径大于0.500 mm)的质量分数为0.65%，中粒组(粒径介于0.075～0.500 mm间)的质量分数为72.70%，细粒组(粒径小于0.075 mm)的质量分数为26.65%，不均匀性系数51.61(大于5)，曲率系数13.16(大于3)，为级配不良砂.

图2 试验用风化砂

1.2 胀缩特性室内试验

试验采用的掺砂比例(质量分数)分别为0，10%，20%，30%，40%和50%，分别对应编号为1#，2#，3#，4#，5#和 6#.风化砂改良膨胀土的膨胀特性见表 1.其中，δef为自有膨胀率，δe为无荷膨胀率，δep为有荷膨胀率，b为膨胀力，p为有荷膨胀率试验的上覆荷载.风化砂改良膨胀土的收缩特性见表2.

表1 风化砂改良膨胀土的膨胀特性 %

表2 风化砂改良膨胀土的收缩特性 %

试验结果表明:掺入风化砂之后，膨胀土的自由膨胀率比未掺砂前显著降低，且随着掺砂比例的增大，膨胀土的自由膨胀率逐渐降低，说明掺砂能够有效抑制膨胀土的膨胀性;膨胀土的胀缩总率比掺入风化砂之前明显减小，且随着掺砂比例增大，改良膨胀土的胀缩总率逐渐减小，说明掺砂能够有效抑制膨胀土的胀缩特性;膨胀土的膨胀力比掺入风化砂之前明显减小，随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的膨胀力逐渐减小，说明掺砂对于抑制膨胀土的膨胀起到了一定的效果.改良膨胀土的自由膨胀率小于40%，胀缩总率小于0.7%，均满足 JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》对路基填料的变形要求.

1.3 力学特性室内试验

分别对原状膨胀土及不同掺砂比例改良的膨胀土进行了直剪试验、回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、CBR试验，得到了改良膨胀土的力学特性指标［4-6］.试验采用的掺砂比例仍然同胀缩性试验，结果见表3.其中，pwk为无侧限抗压强度，φ为内摩擦角，c为黏聚力，E为回弹模量.

表3 风化砂改良膨胀土的力学特性

由表3可知:掺入风化砂之后，膨胀土无侧限抗压强度随着掺砂比例的增加，先增大后减小，当掺砂比例为20%时，土样的无侧限抗压强度最大;掺入风化砂之后，膨胀土的CBR值比未掺砂之前明显增大，随着掺砂比例的加大，CBR值也随着增加，且浸水CBR值大于3%;随着掺砂比例的增加，回弹模量的值逐渐减小［7-11］.

试验结果表明:掺砂能够提高膨胀土的强度，满足JTG F10—2006对路基填料的强度要求.

2 风化砂改良膨胀土机理分析

从室内试验结果来看，采用风化砂来改良膨胀土，具有较好的效果.风化砂能有效抑制膨胀土的膨胀，是因为风化砂的主要成分是二氧化硅和氧化铝，而膨胀土的主要成分是蒙脱石、伊利石和高岭石，含有大量的钙质元素，二者之间发生离子交换等化学反应，生成胶凝性的硅酸钙和铝酸钙，产生胶结作用，降低了膨胀土的活性，从而有效地遏制膨胀土的一部分胀缩力;再者在膨胀土中掺入风化砂之后，由于风化砂有一定的硬度，呈颗粒状，有棱有角，能与膨胀土胀缩时产生摩阻力，再抵消一部分胀缩力.正是因为上述原因，在进行胀缩性试验时，得出的结果是，膨胀指标和收缩指标均能随着掺砂比例的增加而减小.

对于抗剪强度的黏聚力指标，随着掺砂比例的增加，黏聚力在逐渐增大.这是由于化学反应生成胶凝性物质的所致，使得黏聚性越来越强，当掺砂比例超过20%时，继续增大掺砂量，由于化学反应已经完成，再加大掺砂量会出现过剩，所以掺砂比例超过20%后，风化砂所占的量越来越大，风化砂基本没有黏结力，从而降低了风化砂改良膨胀土的黏聚力［12］.对于内摩擦角，随着掺砂比例的增加，不断增加，这主要是因为掺砂之后，化学反应产生的胶凝性物质有一定的硬度，砂粒间的摩阻力在不断增大，从而使得内摩擦角不断增大.无侧限抗压强度的变化规律也与黏聚力的变化规律一致，原因也是由于膨胀土和风化砂的物理作用和化学作用综合所致.

3 稳定性分析

3.1 计算断面及参数的选取

宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路起点位于宜昌市夷陵区小溪塔夷陵经济技术开发区，路基宽度为24.5 m，双向四车道.根据现场路段实际情况，选择较高填方路段K26+780断面作边坡稳定性分析.已知路基高度为10 m，堤边坡坡度为1∶1.5，验算荷载为公路一级(车辆重力标准为550 kN).横断面如图3所示.

图3 计算横断面

根据上述室内直剪试验结果，同时结合压实度要求及重型击实试验，可知填土的重度，计算参数见表4.

表4 路基边坡稳定性计算参数

3.2 改良膨胀土填筑路基的稳定性分析

行车荷载是路基边坡稳定性分析的主要作用力之一.计算时，将车载换算成相当于路基填土厚度，计入滑动土体重力.高速双向四车道，单幅横向可布2辆标准车，分别对原状膨胀土和掺砂膨胀土的换算填土高度计算，6种土样的换算高度分别为0.77，0.74，0.72，0.73，0.74 和 0.75 m.

采用4.5H法确定滑动圆心辅助线EF，确定滑动圆弧中心，在圆心辅助线EF上先定出圆心O1，圆心距离F点为0.3H，过坡脚，作圆弧得到1个滑动面半径，按填土的断面形状把整个路堤大致分为0.1R宽土条，根据毕肖普法计算K，检验其稳定性.另外，在辅助线上另找O2，O3，O4和O5等4个圆心，按同样方法计算K.毕肖普法稳定性分析具体计算图式见图4，5.

采用上述试算方法，分别对原状土及不同比例掺砂膨胀土路基进行计算，得O1，O2，O3，O4和O5等5个圆心所对应的K(见表5).

图4 4.5H法确定圆心

图5 条分法的计算图式

表5 路基边坡稳定性计算结果

比较5个K值作出轨迹线找出最小值Kmin，与规范进行比较，验算断面的稳定性.通过表5可知，原状膨胀土及不同比例掺砂膨胀土分别填筑的路基安全系数分别为1.09，1.35，1.50，1.43，1.36 和 1.27.

根据得到的试验结果，得到掺砂比例与安全系数关系曲线，如图6所示.

图6 安全系数与掺砂比例关系

通过安全系数的计算可知:掺入风化砂改善了膨胀土的工程特性，提高了路基的整体稳定性.未改良的膨胀土填筑的路基安全系数较低，Kmin=1.09，小于1.25，不满足规范要求;采用风化砂改良的膨胀土填筑的路基安全系数明显增大，Kmin均大于1.25，满足规范要求;随着掺砂比例不同，风化砂改良膨胀土填筑路基的安全系数发生了改变，随着掺砂比例增大，安全系数先增大后减小，当掺砂20%时，安全系数达到最大.

4 结论

1)风化砂能明显抑制膨胀土的胀缩特性，掺入风化砂改良的膨胀土，胀缩总率小于0.7%，自由膨胀率小于40%，达到了路用材料的标准.

2)风化砂能显著改善膨胀土的力学强度特性，掺入风化砂后，膨胀土的强度得到了有效的提高，且浸水CBR值大于3%，满足JTG F10—2006对路基填料强度要求.

3)由风化砂改良膨胀土的胀缩指标和力学指标可知:风化砂改良膨胀土的机理在于同时发生了物理反应和化学反应，使得其改良效果更突出.

4)由对公路路基边坡稳定性的计算结果可知:原状膨胀土填筑的路基安全系数小于1.25，不能满足规范要求;采用风化砂改良膨胀土填筑的路基安全系数均大于1.25，且当掺砂比例达到20%，改良膨胀土路基安全系数达到最大.上述不同比例风化砂改良后的路基安全系数均能达到规范要求，进一步证明了风化砂改良膨胀土的可行性.

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