广西古近系风化砂岩改良膨胀土试验研究

2020-01-26薛秀王金鹏

西部交通科技 2020年12期

薛秀王金鹏

摘要：百色东膨胀土具有中等膨胀性，主要由粘粒构成，蒙脱石含量为10.83%，具有明显的收缩变形特性。为了能利用膨胀土进行路基填料，采用古近系风化砂岩作为骨料进行试验。膨胀性试验结果表明：通过添加风化砂改良效果不明显，主要是由于按照试验标准，2 mm以上砂砾均被剔除，无法真实反映改良效果。击实结果表明：随着风化砂含量增加，承载比逐渐提高，在掺砂量超过20%时，改良膨胀土可满足路基填料要求。直剪试验结果表明：风化砂含量<15%时，内聚力随风化砂含量增加而增大;风化砂含量>15%时，内聚力逐渐降低;风化砂含量<25%时，内摩擦角随风化砂含量增加而增大;风化砂含量>25%时，内聚力逐渐降低。综合考虑，膨胀土改良最优掺砂量为20%～25%。

关键词：膨胀土;第三系风化砂岩;膨胀特性;击实试验

0 引言

膨脹土因其具有吸水膨胀、失水开裂的特性，使得其在工程修建中，不能直接作为路基填料使用，通常需要经过改良后才能使用，采用的方法主要有掺石灰[1-4]、水泥[5-8]、粉煤灰[9-10]、固废[11-13]等，这些改良方法都需要从外部借调大量的工程材料，需要较高的处理费用。

已有试验研究表明，膨胀土改良可通过掺入粗砂降低膨胀性，粗砂掺入量一般在25%～40%，这种改良方法需要大量的粗砂，造价昂贵。根据在现场调查发现，古近系粉砂岩在广西区内分布较广，且在公路修建过程中，有大量的粉砂岩挖方。粉砂岩具有易破碎、储量大、开采容易等特点，如果能够用来改良膨胀土，将减少弃方，节约成本，具有很好的经济价值及环保意义。

1 工程概况

百色至田阳段，广泛分布古近系、新近系地层的残积土及半成岩。根据已有工程试验结果，残积土及半成岩均具有弱～中等膨胀性。该路段分布许多小型滑塌或变形边坡，均是由膨胀土变形造成。且地表可用的二至三级阶地黏土、圆砾等非膨胀土，已经接近枯竭，现阶段面临着无土可用或高额的远距离调土问题，膨胀土已经严重制约着当地的建设发展。

2 试验内容及方法

2.1 膨胀土特性研究

试验用膨胀土取自百色至田阳段路边斜坡，土层表层呈褐黄色，底部呈灰白色，土质细腻有滑感。取样过程中剥除表层带植物根系土层，采取土样进行室内试验，其基本性质、膨胀性指标见表1、表2。

由表1、表2可知，该膨胀土为高液限黏土，根据《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》（DB45/T-2007）规定，该膨胀土为高液限中等膨胀土。

对该土样进行颗分试验，得到该膨胀土主要是由粒径<0.005 mm的粘粒组成，含量占到了70%（见图1）。X射线衍射试验结果表明，该膨胀土蒙脱石含量为10.83%。

2.2 风化砂基本特性

粉砂岩取样点与膨胀土一致。人工挖取粉砂岩后，为能够尽可能模拟以后施工条件，采用18T震动压路机进行了破碎。现场试验表明，松铺厚度为20～25 cm，碾压3次后，粉砂岩基本破碎成砾砂及少量粒径>10 mm的碎块。通过对粉碎后样品进行颗分、膨胀性试验，其基本性质见表3。

由图2分析得出，粒径<10 mm的颗粒达到73.7%。根据不均匀系数及曲率系数共同判断，该风化砂级配较差。

2.3 试验参数选取

改良后膨胀土作为路基填料，需要符合路基填料要求，并满足填土路基强度。根据路基填料要求以及路基强度检测指标，选用土的膨胀性、承载比（CBR）以及抗剪强度进行试验对比。

3 试验结果分析

此次试验采用平行对比试验方法，对所有土样、风化砂都进行烘干称重，按照砂：土为0：100、10：90、15：85、20：80、25：75、30：70、35：65的配比，混合均匀后进行试验。

3.1 膨胀性变化

本次试验按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）指定步骤进行。自由膨胀率测定时过0.5 mm筛，膨胀性试验时过2 mm筛，对经过筛选后的材料采用四分法混合均匀后进行试验。

根据杨俊[14-16]的研究成果，掺入风化砂后，改变膨胀土原有结构，降低膨胀土中的粘粒和粉粒含量，提高膨胀土中的粗粒含量，膨胀土的膨胀性得到显著的抑制。

由图3可知，风化砂掺入后混合试样自由膨胀率在风化砂掺入量较低（10%）时有所上升，随着风化砂掺入量不断增加，其膨胀性再次降低，并逐渐接近原膨胀土膨胀性;膨胀力、胀缩总率在风化砂掺入比<10%时有所降低，但随着风化砂含量增加，膨胀力逐渐增加，超过25%后，逐渐趋于稳定;缩限随着风化砂掺入量增加，逐渐增大;收缩系数随着风化砂掺入量增加，经历初期降低后逐渐增大。总体来看，风化砂掺入对膨胀土的膨胀性改变不大，起不到应有的效果。

分析导致该试验结果的原因在于：自由膨胀率测定需要过0.5 mm筛，其他膨胀性试验均需过2 mm筛，改变了原有风化砂结构。剔除对膨胀土改良最为关键的粗颗粒进行常规试验，是不能真实反映风化砂对膨胀土的改良效果的。

3.2 击实试验

常规试验条件苛刻，剔除>2 mm粒径的砾砂，与实际情况相差太大，不能真实反映现实施工中，砾砂在改良土中起到的骨架作用。重型击实仪试验适用于粒径≤40 mm的土，根据风化砂颗分试验结果，该试验满足试验要求。

由表4可知，随着风化砂含量增高，最优含水率、最大干密度变化不大，膨胀率随着风化砂掺入量增高而逐渐降低，在风化砂掺入量>25%后，膨胀率变化较小;CBR值随着风化砂含量增加而提高，在风化砂含量达到20%时，CBR值>4，满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）表3.3.3规定，可以作为路堤填料使用;当风化砂含量达到30%时，根据表3.2.2规定，可用作下路床填料使用。

试验表明，通过在膨胀土中添加风化砂可以提高地基承载力，CBR试验指出，风化砂改良膨胀土作为路堤填料时，掺入量≥20%;作为下路床填料时，掺入量≥30%。

3.3 直剪试验

通过CBR试验获取每一级掺砂率下最优含水率，按照试验规程，配置最优含水率试样，经过48 h密封焖料，把闷制好的试样拌匀，使用CBR试验的专用击实筒，用重型击实锤分三层进行击实，第一层30下，第二层50下，第三层98下。将击实的试样通过推样器取出，剥去顶部及底部不均匀土层，选取靠近样品中部1/3处的土样进行切样。击实后土样非常坚硬，局部存在较大颗粒，切样时采用切土刀从外层逐层切削，遇到较大颗粒时，选用较为锋利的刀具切削，每个击实样取样2～3个。

击实样含砂量较小，渗透系数在6～10 cm/s，所以采用黏质土快剪试验操作规程进行，试验结果如图4所示。土样中掺入风化砂后，内摩擦角逐渐增大，当掺砂量达到25%时，内摩擦角迅速降低;在风化砂掺入量<15%时，内聚力随着风化砂含量增加而增大;风化砂含量>15%后，内聚力逐渐降低，在风化砂含量达到30%时，其内聚力小于原膨胀土的。

分析产生这种变化的原因，主要是因为掺入的风化砂粒径较大，改变了原有颗粒级配。在风化砂掺入量较小时，原有的粘粒包裹砂粒，形成较大颗粒，粒间内摩擦角增大，内聚力增高;当风化砂掺入量超过粘粒可包裹的砂粒后，会有部分砂粒剩余，使得土体被砂化，导致改良土样内聚力降低。

综合分析内聚力及内摩擦角变化，对该膨胀土进行掺砂改良时，最优掺砂量为25%，有利于土样砂化破碎，并且土体强度较高。

4 结语

（1）百色东残积膨胀土具有中等膨胀性，颗粒组成主要为粒径<0.005 mm的粘粒，中风化粉砂岩经机械碾压后成砾砂状，具有弱膨胀性。

（2）采用常规膨胀性试验，风化砂掺入对膨胀土的膨胀性改变不大，起不到应有的效果，主要原因是粒径>2 mm的砾砂被剔除，颗粒骨架无法形成。

（3）承载比（CBR）试验和通过击实仪制样所做的直剪试验结果表明，风化砂掺入可以明显提高土体的承载力。在风化砂含量<15%时，内聚力随着掺砂量增加而增大;风化砂含量>15%后，内聚力逐渐降低;风化砂含量<25%时，内摩擦角随着掺砂量增加而增大;风化砂含量>25%后，内摩擦角迅速减小。

（4）采用粉砂岩碾压后形成的砾砂对百色东膨胀土进行改良，其最优配合比为20%～25%。

参考文献：

[1]郝文世.膨胀土改良试验研究[J].交通世界，2017（15）：29-31.

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[4]陈雷，张福海，范云中，等.石灰改良膨胀土击实样膨胀特性和力学性质试验研究[J].科学技术与工程，2014（4）：269-272.