初始含水率对风化砂改良膨胀土有荷膨胀率影响研究

杨 俊，刘世宜，张国栋，唐 云 伟，谢 支 钢

（1.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市交通运输局，湖北 宜昌 443000；4.小鸦一级公路改建工程项目部，湖北 宜昌 443100）

0 引 言

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种工程性质极差的特殊黏土，在我国分布十分广泛，主要由强亲水性矿物伊利石和蒙脱石组成，具有多裂隙性、超固结性、强度衰减性以及显著的胀缩特性，被誉为“工程中的癌症”.膨胀土对路基的危害主要体现在其强烈胀缩特性上：吸水时路基发生膨胀，体积增大，造成路面的隆起开裂；失水时，体积收缩的同时产生干缩裂缝，严重影响了路基及路面的整体稳定性.膨胀土的特殊组成，导致其膨胀特性对初始含水率的变化尤为敏感，随着初始含水率的变化，膨胀特性往往会发生较大的改变.关于膨胀土的膨胀变形随初始含水率的变化规律，国内外学者进行了大量的试验研究.章李坚等［1］通过对不同初始含水率下成都龙潭寺膨胀土胀缩特性的研究，发现随着初始含水率的增加，试样膨胀率呈非线性降低，当初始含水率达到其胀限，膨胀率降低幅度明显减小.代启亮等［2］研究了初始含水率对扰动土膨胀率的影响，发现有荷膨胀率及无荷膨胀率均随着初始含水率的增大而呈幂函数或指数函数减小且初始含水率越小，试样膨胀稳定时所需的时间越短.Lin等［3］发现膨胀土的有荷膨胀率与上覆荷载之间满足指数函数关系.通过这些研究可以发现，大多数研究只是针对原状土，对于改良膨胀土在不同初始含水率下的膨胀特性研究得较少.现行的路基规范明确规定，不得将膨胀土直接用作路基填料，只有进行改良处理才能使用［4］.在膨胀土众多膨胀指标之中，有荷膨胀率是最具有工程指导意义的一项，表征在一定的上覆荷载及侧限条件下，膨胀土吸水膨胀的强弱，能够较为真实地模拟路基实际受荷状态.因此研究不同初始含水率下改良膨胀土的有荷膨胀率具有十分重大的工程实际意义.

目前对膨胀土的处理多使用化学改良方法，例如在膨胀土中掺入石灰、水泥、粉煤灰等化学材料［5］.事实证明，化学改良后，膨胀土的膨胀特性有了显著的改善，效果较好.但是化学改良也有着诸多不足，例如化学改良一般都具有时效性，随着使用年限的增长，改良效果会逐渐降低，同时化学改良的工程投入费用也比较巨大［6－10］.针对化学改良方法的不足，本文采用掺风化砂这一物理手段对膨胀土进行改良处理，降低膨胀土的膨胀特性，着重探讨风化砂掺量及不同的初始含水率对改良膨胀土有荷膨胀率的影响规律，为采用风化砂来改良膨胀土提供室内试验依据.

1 试验原材料

1.1 试验用膨胀土

本次试验取用的膨胀土来自湖北省宜昌市小鸦一级公路改建工程的K25＋000 点附近取土坑，颜色以灰白色为主，夹杂灰绿色土团粒.天然状态下，含水量较高，黏性较大；干燥状态时，裂隙广泛发育.各项基本物理性质指标如表1所示.

表1 膨胀土的基本物理性质指标Tab.1 The basic physical property index of expansive soil

1.2 试验用风化砂

本试验所采用的风化砂（湖北省宜昌市小鸦一级公路改建工程K22＋000 点附近深度2～3 m），为浅黄色细砂，其基本物理性质指标及颗粒级配曲线分别见表2和图1.

表2 风化砂基本物理性质指标Tab.2 The basic physical property index of weathered sand

图1 风化砂颗粒级配曲线Fig.1 The grading curve of weathered sand particle

通过图1可以发现，0.500～0.075mm 的风化砂含量达到了88.5%，不均匀系数2.84＜5，级配不良.

2 试验方案

本试验依照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）的有关规定步骤来进行，重型标准击实试验采用干土法，测定有荷膨胀率时采用双联固结仪进行.文中风化砂的掺量指的是风化砂的质量占膨胀土与风化砂总质量的百分比.本次试验将风化砂按质量比由0以10%的间隔增加到50%.按照规范的有关规定，依照室内重型标准击实试验得出最佳含水率，依次进行不同掺砂比例下的各个膨胀性指标试验，探讨风化砂掺量对改良膨胀土膨胀性指标的影响.在进行不同初始含水率下改良膨胀土的有荷膨胀率试验研究时，不同比例风化砂改良膨胀土的混合料的初始含水率依次按照8%、10%、12%、14%、16%来 配 料［11－13］.试 验开始之前，将风干的膨胀土与风化砂分别碾碎过2mm 标准筛，按照预定的风化砂掺入比例和上述初始含水率进行试样制作，在塑料袋中密封24 h后，采用千斤顶进行静压制作试样.制样完毕后将样品置于双联固结仪中，结合规范要求以及实际工程总路基土所受的上覆荷载，按照规范要求分别施加25.0kPa和50.0kPa上覆荷载，分析初始含水率对有荷膨胀率的影响规律.然后进行37.5kPa和75.0kPa下的有荷膨胀率试验，对所得规律进行验证.试验时待试样每h变形不超过0.01mm 时，向容器中注入蒸馏水，并始终保持水面超过土顶面约5mm，浸水后每隔2h测记百分表读数一次，直至两次差值不超过0.01mm 为止.本试验分两组进行平行试验，对试验结果进行分析，取合格的数据，计算其算术平均值，以此作为试验的最终结果.

3 结果与分析

3.1 风化砂改良膨胀土标准击实及膨胀率试验

参考《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中的要求，进行不同风化砂掺量下的重型击实、自由膨胀率、无荷膨胀率、有荷膨胀率及膨胀力试验，试验结果见表3.

表3 风化砂改良膨胀土击实指标及膨胀指标Tab.3 The compaction index and inflation index of weathered sand improved expansive soil

由表3中的数据可以看出：未经改良的膨胀土各项膨胀指标均较大，超过了规范中对路基填料的要求［14］.掺风化砂改良后膨胀指标均显著降低，这说明掺风化砂可以有效抑制膨胀土的膨胀，且效果较好.其中风化砂掺量由0 增长至10%时，自由膨胀率、无荷膨胀率及膨胀力降低幅度最大；继续加大风化砂的掺入比例，所有膨胀性参数的减小幅值均逐渐下降.膨胀土中掺入风化砂进行改良后，膨胀土击实指标有较大的变化，其中最佳含水率随着风化砂掺量的增加而逐渐减小，且降低幅度较为明显，这是由于掺入风化砂后，土体内部孔隙增加导致保水性降低所致.

3.2 初始含水率对风化砂改良膨胀土有荷膨胀率影响

依据试验得出的风化砂掺量及初始含水率制样后，将试件置于双联固结仪中，进行上覆荷载25.0kPa和50.0kPa下的有荷膨胀率试验，通过一系列的室内试验研究，得到了不同初始含水率及不同风化砂掺量下膨胀土的有荷膨胀率，见表4和5.

表4 不同初始含水率及不同风化砂掺量下的有荷膨胀率（25.0kPa）Tab.4 The loaded expansion ratio under different initial water contents and weathered sand contents（25.0kPa）

表5 不同初始含水率及不同风化砂掺量下的有荷膨胀率（50.0kPa）Tab.5 The loaded expansion ratio under different initial water contents and weathered sand contents（50.0kPa）

有荷膨胀率α按下式计算：

式中：Rt为上覆荷载作用下试件膨胀稳定时的百分表读数，mm；Rp为上覆荷载作用下仪器的变形量，mm；R0为施加上覆荷载前百分表读数，mm；H0为试件初始高度，mm.

由表4、5可知：

（1）初始含水率显著地影响了经风化砂改良后的膨胀土，其有荷膨胀率表现出明显的改变.当增大混合料的初始含水率时，有荷膨胀率逐渐减小，这是由于初始含水率增加，土颗粒表面吸附的水膜变厚，导致的膨胀潜势降低所致.

（2）初始含水率较低时所对应的有荷膨胀率远大于最佳含水率状态下所对应的值，这是因为初始含水率较低时，土颗粒处于较为干燥的状态且周围吸附的水膜较少，因而具有较大的膨胀潜势.初始含水率由8%增长至最佳含水率时，有荷膨胀率降低幅度较大，其中当风化砂掺量为0、上覆荷载为25.0kPa时，有荷膨胀率降低最为显著，达3.60%.由此可知，风化砂改良膨胀土路基压实时，应严格控制压实含水量.如果初始含水率大于最佳含水率，继续增大初始含水率时，有荷膨胀率下降幅度逐渐减小，这是因为随着含水率的增大，土颗粒逐渐吸水膨胀且表面的水膜厚度增加，致使膨胀潜势不断释放，导致下降的幅度不断减小.若持续增加初始含水率，有荷膨胀率已基本趋于稳定，产生这一现象的原因是：当初始含水率到达16%时，公共水膜较厚，土颗粒已处于基本饱和的状态，在进行膨胀试验前就已经充分吸水膨胀，因此本身所具有的膨胀潜势很小［15－16］.

（3）从表中可以发现，随着掺砂比例的增大，有荷膨胀率随初始含水率的变化逐渐趋于平缓，这是因为掺入风化砂之后，土体的孔隙比增加，保水性降低，使得土颗粒周围的水膜厚度变化幅度不大，膨胀潜势受初始含水率变化的影响较小.

从表中还可以看出，风化砂掺量一定时，有荷膨胀率α与初始含水率wi呈指数函数关系，回归方程为

式中：A、B为拟合参数，具体见表6.

表6 不同风化砂掺量下有荷膨胀率与初始含水率指数关系的回归参数A、B 及R2Tab.6 The regression parameters A，Band R2 between loaded expansion ratio and initial water content under different weathered sand contents

当初始含水率一定时，有荷膨胀率α随风化砂掺量S的变化曲线如图2所示.

图2 有荷膨胀率随风化砂掺量的变化曲线Fig.2 The relation curve between loaded expansion ratio and weathered sand content

由图2可知：

（1）在相同的初始含水率状态下，增加风化砂的掺量可以使有荷膨胀率不断减小，且减小的幅度通常也比较大.这是因为风化砂掺入后，增大了颗粒间的嵌挤咬合力，抑制了膨胀的发生，同时土体孔隙率增加，减小了土颗粒表面的水膜厚度，膨胀潜势降低，故有荷膨胀率大幅下降［5］，这说明掺风化砂可以有效抑制膨胀土的吸水膨胀.当风化砂掺量由0增长至10%时，有荷膨胀率降低幅度最大，其中在上覆荷载为50.0kPa，掺砂比例为10%时，降低幅度达到了1.88%.同时可以发现，50.0kPa下有荷膨胀率的降低幅度均大于25.0 kPa下的降低幅度.当风化砂掺量继续增加时，有荷膨胀率降低幅度逐渐减小.

（2）若初始含水率较大，随着掺入的风化砂含量的增大，混合料的有荷膨胀率渐渐趋于稳定，达到某一基本固定的值.产生这种变化的原因是，初始含水率过大，使得土颗粒已处于准饱和状态，膨胀潜势基本上都已释放完全，此时土体本身的膨胀率就较低，风化砂掺量对其影响不大.

在非标准上覆荷载（37.5kPa和75.0kPa）作用下，对混合料的有荷膨胀率展开试验，结果如表7、8所示.

表7 改变初始含水率下的有荷膨胀率（37.5kPa）Tab.7 The loaded expansion ratio under different initial water contents（37.5kPa）

表8 改变初始含水率下的有荷膨胀率（75.0kPa）Tab.8 The loaded expansion ratio under different initial water contents（75.0kPa）

从表7和8中的试验数据可以看出，在非标准上覆荷载（37.5kPa和75.0kPa）作用下，风化砂改良膨胀土的有荷膨胀率随初始含水率及风化砂掺量的变化规律与上文中所得出的结论相似：在同一风化砂掺量下，当初始含水率由8%增长至12%时，有荷膨胀率降低幅度最大，且有荷膨胀率与初始含水率仍表现出指数函数的关系；当初始含水率相同时，有荷膨胀率在风化砂掺入比例从0增加到10%时，降低幅度最大.

定义ξ为有荷膨胀率降低幅度：

式中：α0为某一初始含水率下，原状土的有荷膨胀率，%；α50%为某一初始含水率下，风化砂掺量为50%时的有荷膨胀率，%.

比较不同上覆荷载下的有荷膨胀率变化情况（图3）可以发现，增大风化砂改良膨胀土的初始含水率时，混合料的有荷膨胀率下降的幅值先增大后减小.当混合料的初始含水率大于最佳含水率时，有荷膨胀率下降的幅度又逐渐增大.当风化砂掺量一定时，随着上覆荷载的提高，有荷膨胀率的降低幅度逐渐增大，这说明在较大的上覆荷载作用下，风化砂对膨胀性的抑制效果较好.

图3 不同初始含水率下有荷膨胀率降低幅度Fig.3 The reduction magnitude of loaded expansion ratio under different initial water contents

4 结 论

（1）风化砂掺入膨胀土中，能显著抑制膨胀土的吸水膨胀，掺风化砂改良后膨胀指标均显著降低，达到了规范中对路基填料的要求.

（2）在同一风化砂掺量下，增大混合料的初始含水率，其有荷膨胀率逐渐减小，且二者满足很好的指数函数关系.当初始含水率低于最佳含水率时，增大初始含水率，有荷膨胀率会出现较大幅度降低；当初始含水率超过最佳含水率时，有荷膨胀率降低不明显.因此，从减小膨胀的角度出发，建议在进行风化砂改良膨胀土路基压实时，应控制土体含水率等于或略大于（1%～2%）最佳含水率.

（3）在同一初始含水率下，有荷膨胀率随着风化砂掺量的增加而逐渐下降，且当风化砂掺量由0增长至10%时，有荷膨胀率降低幅度最大.当初始含水率过大时，风化砂掺量对有荷膨胀率的影响较小.

（4）随着初始含水率的增大，有荷膨胀率降低幅度呈现先增大后减小再继续增大的过程，在较大的上覆荷载作用下，风化砂对膨胀性的抑制效果较好.

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