善溪冲水库引水渠虾子包旱渡槽膨胀土改良试验研究

熊 进，田 婧

(宜昌市水利水电勘察设计院，湖北 宜昌 443001)

1 概 述

虾子包旱渡槽所在的善溪冲水库引水渠，位于湖北省宜昌市东南部，东邻沮漳河，西连黄柏河，南抵长江，北靠荆山山脉。善溪冲水库引水渠整个灌区范围包括宜昌市夷陵区、猇亭区、枝江市和当阳市的22个乡镇，总面积2 437 km2，人口总数63.85万人，耕地面积1.232×104hm2，占总土地面积的32%，目前善溪冲水库引水渠有效灌溉面积0.72×104hm2。

膨胀土是一种含有多种与水较易混合的、具有较强塑性的黏土，在善溪冲水库引水渠虾子包旱渡槽中就有大量的膨胀土。膨胀土破坏性极强，对建筑物破坏类型也极为广泛，危害性较大[1]。而通常出现在工程中的膨胀土能够较为敏锐地感知其内部含水多少的变化，这会导致膨胀土体积大小与强度大小的变化，属于非饱和状态，通常会损坏建筑物，进而影响工程项目的进行[2]。膨胀土的膨胀性较为明显，体积会随着含水率的升高而明显地变大。而影响膨胀性的原因除了膨胀土含水率与干密度的变化外，还包括膨胀土中矿物质的含量与成分。而膨胀土的含水率是影响膨胀性的主要因素。有关膨胀土的项目工程也是属于目前世界上的技术难题[3]。在本文所述项目工程中，利用将膨胀土改良作为回填土，以弥补优质土不足的情况，从而解决回填土无法满足工程用量的问题。

2 膨胀土的物理指标

本文以善溪冲水库引水渠虾子包旱渡槽的膨胀土为研究样本，以3种类型的膨胀土为研究对象，进行基本的物理方面相关指标的分析。其中，黄色黏土的类型为强性，红色黏土的类型为中性，白色泥灰的类型为弱性，3种类型的膨胀土的物理指标对比见表1。

表1 3种类型膨胀土的物理指标

3 改良试验

3.1 试验分组

本研究选用石灰加固与离子固化剂(ISS)进行试验来改良膨胀土的膨胀性[4]。由于膨胀土所处区域不同，所呈现出的物理特性、化学特性等均有差别，因此石灰与ISS的添加量也要根据实际情况有所调整。本文研究地区的膨胀土与ISS的添加比是250∶1[5]，水与ISS的比例为250∶1；然后分别添加占整个样本总量6%的生石灰与石灰成样[6-7]，分别设置改良的黄色黏土、改良的红色黏土、改良的白色泥灰。为分析不同的添加剂对膨胀土的影响，在每种类型的土样中加入6种不同的添加剂，形成6个样品，则试验总共设置成18个样品，编号见表2。

表2 试验编号

3.2 改良试验前后物理指标与规律对比

3.2.1 黄色黏土改良试验物理指标对比

黄色黏土改良试验物理指标对比见表3。

表3 黄色黏土改良物理指标对比

分析表3可以看出，添加ISS的改良土干密度较原土样重塑土的干密度上升；添加ISS后的改良土的含水率较重塑土的含水率均上升，而添加石灰的改良土的含水率较重塑土降低。而添加石灰的改良土的聚集颗粒的能力较强，生石灰尤其明显，这是由于石灰的“砂化”作用。在添加生石灰的改良土中，99%的颗粒大于0.005 mm，13.3%的颗粒大于0.05 mm。重塑土中77.8%的颗粒大于0.005 mm，9.3%的颗粒大于0.05 mm。在仅添加ISS时，改良土中有92.6%的颗粒大于0.005 mm，9.3%的颗粒大于0.05 mm。通过以上比较可以得出，改良后的膨胀土的聚集能力增强。

3.2.2 红色黏土改良试验物理指标对比

红色黏土改良试验物理指标对比见表4。

表4 红色黏土改良试验物理指标对比

分析表4可以看出，添加石灰的改良土的干密度较重塑土而言有所下降，这是因为添加石灰会引起膨胀土的“砂化”；改良土的含水率较重塑土上升，而石灰与ISS会对水与膨胀土相结合造成不同的影响，ISS改良土的含水率较添加石灰的改良土的含水率上升较显著。而添加石灰的改良土的聚集颗粒的能力较强，生石灰尤其明显。在添加生石灰的改良土中，97.9%的颗粒大于0.005 mm，9.5%的颗粒大于0.05 mm。重塑土中92%的颗粒大于0.005 mm，8.4%的颗粒大于0.05 mm。在仅添加ISS时，改良土中有95.9%的颗粒大于0.005 mm，11.3%的颗粒大于0.05 mm。通过以上比较可以得出，改良后的膨胀土的聚集能力增强。

3.2.3 白色泥灰改良试验物理指标对比

白色泥灰改良试验物理指标对比见表5。

表5 白色泥灰改良试验物理指标对比

分析表5可以看出，只添加ISS的改良土的干密度较重塑土的干密度上升，而因为石灰会导致“砂化”，故而添加石灰的改良土的干密度会有所下降；改良土的含水率较重塑土有所上升，上升幅度最小的是仅添加ISS的改良土为15%，而添加石灰的改良土为17%，上升幅度最大的是添加石灰与ISS为18%。由于石灰的“砂化”，导致改良土的颗粒聚集能力增强，尤其是生石灰。在添加生石灰的改良土中，98.8%的颗粒大于0.005 mm，13.8%的颗粒大于0.05 mm。重塑土中62.8%的颗粒大于0.005 mm，10.2%的颗粒大于0.05 mm。在仅添加ISS时，改良土中有91.4%的颗粒大于0.005 mm，14.1%的颗粒大于0.05 mm。通过以上比较可以得出，改良后的膨胀土的聚集能力增强。

试验样本中，黄色黏土的类型为强性，红色黏土的类型为中性，白色泥灰的类型为弱性。通过试验研究发现，不同的添加剂对不同类型的膨胀土的影响是不同的：石灰会使白色泥灰干密度下降明显，使红色黏土的干密度上升，对黄色黏土的干密度没有太大的影响；ISS会降低红色黏土的干密度，使白色泥灰与红色黏土的干密度上升。石灰使黄色黏土的含水率降低，使红色黏土与白色泥灰的含水率上升；ISS能够使膨胀土的含水率增加，其中对于红色黏土的影响最为明显，上升最快。其中原因可能是石灰与ISS会对水与膨胀土相结合的原理不同所致。添加石灰改良后的膨胀土出现颗粒大于0.005 mm的显著增加，颗粒聚集能力增强。所以，添加剂并不能完全消除膨胀土的安全隐患，仅仅可以起到抑制作用，其中对于类型为中性的膨胀土的效果会更好。

3.3 膨胀土改良前后的规律

3种类型的膨胀土改良前后的膨胀率见表6及图1。

分析表6及图1可以看出，ISS、生石灰与消石灰3种添加剂都能够控制膨胀土的膨胀性，其中添加石灰的膨胀土的膨胀率相较于只添加ISS的膨胀土的膨胀率会更低，抑制效果会更明显；而添加生石灰与ISS想结合的方式会使改良土的膨胀率降到最低，效果也最为明显，最为理想。试验样本中，膨胀率最高的是黄色黏土，膨胀率中等的是红色黏土，膨胀率最低的是白色泥灰。在添加生石灰后，红色黏土与白色泥灰的膨胀率达到一致，膨胀率最低的是黄色黏土；只添加ISS后，膨胀率最高的是黄色黏土，膨胀率中等的是红色黏土，膨胀率最低的是白色泥灰。因此，生石灰对黄色黏土的改良效果最为显著，而生石灰与ISS相结合对膨胀土进行改良的效果最好。

表6 3种类型的膨胀土改良前后的膨胀率 /%

1水；2消石灰+水；3生石灰+水；4 ISS；5消石灰+ISS；6生石灰+ISS图1 3种膨胀土改良前后的膨胀

4 不同添加剂改良土的机理

4.1 石灰改良土的机理

黏土中矿物质的羟基与消石灰中的羟基发生反应，生成稳定的M-O-与H2O，生成的水进入膨胀土内部，能够降低膨胀土的膨胀率。水与生石灰发生反应会生成消石灰与水，而消石灰中的羟基可以与黏土中矿物质的羟基反应生成水与稳定的M-O-与H2O，抑制膨胀土的膨胀性。

4.2 ISS改良土的机理

ISS的自身结构使其可以跟岩土颗粒的金属离子结合在一起，在黏土的矿物质的表面吸附，阻止了水与金属离子的化学反应的发生。而膨胀土的颗粒会有油层形成，这样就可以阻止水分随意的进入膨胀土内部，减弱膨胀土的膨胀性。

ISS本身呈酸性，能够与岩土发生化学反应，形成亚甲基，并且阻止水进入膨胀土内部，降低了膨胀性。

5 结 语

本文通过对善溪冲水库引水渠虾子包旱渡槽的3种类型的膨胀土进行分组试验研究，分别设置18组对比试验。试验结果表明，不同种类的添加剂对不同类型的膨胀土的影响不同，但都使膨胀土的膨胀性有所降低，效果显著；3种添加剂对降低膨胀土的膨胀率中，生石灰与ISS结合会使得膨胀率下降最为明显，改良效果最好。因此，在实际应用中，同时加入生石灰与ISS会使膨胀土的改良效果最佳，可以解决膨胀土在工程中的膨胀问题。