碎石改良膨胀土模型试验研究

2021-08-03许英姿黄政棋颜日葵刘德志

科学技术与工程 2021年19期

许英姿，黄政棋，颜日葵，刘德志

(1.广西大学土木建筑工程学院, 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 南宁 530004)

膨胀土因富含蒙脱石等强亲水性黏土矿物，具有典型的裂隙性和胀缩性等特征[1-2]，其吸水显著膨胀的特性是不能直接用膨胀土作路基或挡土墙填料的主要原因[3]。在膨胀土分布较为广泛的地区，置换膨胀土可能因当地无土可借或借土运距太远而成本较高，为了合理有效地利用膨胀土，通过各种方式改良膨胀土的膨胀性能很有必要，改良膨胀土的研究对保证工程质量、减少借弃土占地、降低工程造价具有重要的工程实际意义[4]。

改良膨胀土主要有化学改良和物理改良两类。化学改良膨胀土主要是通过处治剂与膨胀土发生化学反应来降低膨胀土的膨胀特性，最常用的化学处治剂包括石灰、水泥、粉煤灰等[5-8]。物理改良膨胀土主要是通过掺入非膨胀土材料，增加膨胀土与所添加材料间的嵌挤咬合作用以及颗粒间的摩擦作用，来改善其膨胀特性。物理改良对时间的敏感度低，改良效果也更具持久性，对环境和施工影响较小，有较好的应用前景。常用的物理改良材料有风化砂和碎石等。风化砂粒径小，掺入膨胀土中后可进行各类常规室内物理试验，目前风化砂改良膨胀土的研究较多。杨俊等[9-10]、庄心善等[11-12]等的研究表明，随着风化砂掺量的增加，膨胀土的膨胀力和膨胀变形逐渐减小，掺砂能一定程度地降低膨胀土的膨胀特性，但若要较好地改善膨胀性能需要掺砂量较大，随掺砂量增加其强度会受到较大影响。采用碎石改良膨胀土膨胀性能的实际工程较多，但由于碎石粒径较大，无法使用常规试验来研究膨胀土掺碎石后的工程性能，相关的机理研究比较少，易剑波[13]、罗斌等[14]将碎石改良红黏土应用到路基填筑施工中，结果表明碎石掺入红黏土中能够有效抑制红黏土吸水变形大的问题，并且能够在一定程度上提高路基的强度。董柏林等[15-16]采用自制固结仪进行试验研究掺碎石膨胀土特性，发现在碎石掺量为25%时对膨胀土的膨胀性能的改良效果最好。研究表明碎石的确能够降低膨胀土的膨胀性能，但其改良后的膨胀土能否作为挡土墙的填料还缺乏试验验证。

膨胀土作为挡土墙填料时，膨胀土吸水膨胀变形会被挡土墙所限制，从而会对挡土墙产生额外的侧向膨胀力，常造成膨胀土地区重力式挡墙滑移或者倾覆破坏[17]，严重影响挡墙的稳定性。作为挡土墙填料时，膨胀土需通过改良削弱其侧向膨胀力。对于膨胀土侧向膨胀力的研究，中外学者取得了不少的成果。王年香等[18]通过大型模型试验研究浸水条件下膨胀土对挡墙产生侧向膨胀压力，分析含水率与侧向膨胀压力之间的变化规律。张颖钧[19]研究发现，在膨胀土挡墙后设置砂石缓冲层能明显抑制挡墙侧向膨胀力。Mohamed等[20]长期监测重力式挡墙的侧向膨胀压力，发现在膨胀土含水率到达稳定后墙背的侧向膨胀力达到最大，之后随着挡墙的水平移动逐渐减小并最终稳定。Wang等[21]将袋装土放置于挡墙模型之后，通过监测不同深度的含水率、侧向膨胀力以及竖向变形，发现袋装土能够吸收一部分膨胀土吸水膨胀后的变形，从而使得膨胀土的侧向膨胀力得以降低。总而言之，目前关于膨胀土产生侧向膨胀力的研究主要采用模型试验或现场试验的方法，而且研究的都是纯膨胀土产生的侧向膨胀力，掺碎石膨胀土作为挡墙填料是否可以降低侧向膨胀压力还未见报道，值得深入研究。

在借鉴前人研究成果的基础上自制挡墙模型箱进行试验，研究掺碎石对膨胀土侧向膨胀力的影响，探讨碎石改良膨胀土作为挡土墙填料的可行性，为膨胀土地区的挡墙设计、施工提供借鉴和参考。

1 材料物理力学特性室内试验

1.1 膨胀土的基本物理性质

本次试验土样采集自南宁市兴宁区三塘镇某膨胀土分布区。所取的土样颜色为灰黄色，土体基本物理力学参数试验结果如表1所示。

表1 土的基本物理性质

由表1可知，本次试验用土的塑性指数IP=32.78>26，液限62.41%>50%,根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)可知土样为黏性土。该土样的胀缩总率为5.33%>4.5%，50 kPa膨胀率为0.52%，根据《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》(DB 45T396—2007)，本次试验用土为中等膨胀性膨胀土。

1.2 碎石的基本物理性质

试验用碎石为普通混凝土粗骨料，碎石粒径大于4.75 mm的颗粒含量超过95%。满足国家标准《建筑用卵石和碎石》(GB/T 14685—2011)的碎石要求。

1.3 确定掺碎石比

课题组前期研究成果表明[22]，本次研究用膨胀土在19%最优含水率时膨胀率最小，在最优含水率下，随掺碎石量增加，土的无荷膨胀率和膨胀力显著降低，掺碎石量超过25%后则变化不大。本次试验采用掺碎石比为25%。

2 挡墙模型试验方案

2.1 模型箱设计

模型箱按实际工程高度为6 m的挡土墙进行设计，取几何相似比1∶6，设计模型箱高度为1 m，宽度为2 m，模型箱的长度按2倍挡墙高度设计，长度为2 m，则模型箱的净空尺寸为长×宽×高=2 m×2 m×1 m，用钢板模拟刚性挡土墙，固定钢板位置以便获取侧向压力。

模型箱的设计如图 1所示。为了加快水流的入渗，在模型箱内竖向设置带孔的排水管，管内填砂模拟砂井作用。为方便注水后多余的水可以顺利排出，在模型箱四边的底部都设有排水管。在模型箱内距离墙边角1 000 mm处设置角钢槽方便插隔板，用以分别填筑纯膨胀土和掺碎石膨胀土。

图1 模型箱示意图

2.2 模型试验方案

通过模型试验研究掺碎石改良对膨胀土的渗透性、侧向压力的影响，来探讨掺碎石改良对膨胀土的改良效果。分别设计纯膨胀土和碎石改良膨胀土两个模型箱进行对比分析。通常实际工程中改良宽度等于挡墙高度，本次掺碎石改良的宽度定为1 m。

在模型箱25、50、75 cm深度处设置南通中天精密仪器有限公司生产的MP-406B土壤水分传感器和土压力计，定时采集相应位置的体积含水率和侧向压力。传感器布置如图 2所示。

图2 传感器布置

2.3 模型试验过程

第一步制备土样。首先将膨胀土铺开进行晾晒脱水，然后用重型压路机进行反复碾压，钩机翻土。反复翻晒、碾压，直到膨胀土碾碎碾压至最大颗粒不超过2 cm，达到试验要求，再按最优含水率焖土制样。掺碎石膨胀土制样则先将土与碎石搅拌均匀，然后再均匀洒水焖制。

第二步填筑土样和埋设仪器。土料分层填筑，每层填筑土层厚度约为20 cm，通过环刀法测量控制压实度为90%，按设计方案埋设土壤水分传感器、土压力计和砂井管。之后使用冲击夯土机对填土进行分层夯实，每层控制夯实后的厚度为20 cm。模型箱填筑埋设完成后，将土压力计归零，保证后续所测土压力为相对侧压力。

第三步注水。关闭排水管，每两天向模型箱内注水一次，每次注水量为100 kg，直到所测体积含水率变化达到相对稳定(相对饱和)停止注水，然后打开排水管进行排水。

第四步采集数据。土壤水分传感器、土压力计每30 min自动采集一次数据。

3 试验结果

3.1 体积含水率

纯膨胀土模型和掺碎石膨胀土模型在不同深度(25、50、75 cm)处的体积含水率随时间变化关系，如图3所示。由图 3可见，刚开始注水的一段时间内，不同深度的体积含水率均基本不变，之后开始快速增加，再经过一段时间之后体积含水率趋于稳定，最后排水时体积含水率逐渐下降。本次试验的注水方案是每2 d定量注水一次，刚开始一段时间体积含水率不变，是水入渗到达土壤水分传感器的时间，所需时间的长短可以反映土体渗透性。之后随着注水次数和试验时间的增加，体积含水率在波动中上升，当注水后体积含水率在2 d内都基本稳定时认为土体达到相对饱和，这一阶段为浸水阶段，停止注水，稳定一段时间后打开模型箱底部的排水阀排水，各深度的体积含水率逐渐降低。

图3 体积含水率随时间变化关系曲线

图 3(a)为纯膨胀土模型箱中不同深度体积含水率的变化情况，随深度增加，纯膨胀土初始体积含水率保持不变的时间明显增长，25 cm处需要10 d，50 cm处需要18 d，75 cm处要26 d。虽然设置了砂井增加水平排水通道，但效果不显著，说明纯膨胀土且以竖向排水为主。不同深度达到稳定体积含水率的数值相差不大，说明注水后土体都达到了相对饱和。在排水阶段，随时间增加，深度25 cm处的体积含水率缓慢降低，而深度50 cm和75 cm处的体积含水率变化不大，说明深部排水需要更长的时间，纯膨胀土渗透性差，排水比较困难。

图 3(b)为掺碎石膨胀土模型箱中不同深度体积含水率的变化情况，注水后不同深度的体积含水率在较短时间内便迅速增加，经过多次间歇性波动上升后达到稳定峰值，且不同深度的体积含水率稳定值接近，与深度无关。在排水阶段，深度25 cm处的体积含水率先陡降，之后趋于稳定，说明浅层的透水性明显改善，50 cm处体积含水率也有较明显降低，75 cm处体积含水率下降不明显，说明深部排水也需要更长的时间，掺碎石膨胀土的排水比注水更困难。

对比图3(a)和图3(b)的初始入渗时间，纯膨胀土从25 cm处体积含水率开始变化到深度75 cm处突变经过了16 d，而掺碎石膨胀土仅需要3 d，可见掺碎石后膨胀土的渗透性得到明显改善。

3.2 侧向压力

模型试验箱在完成土的填筑后将各土压力计置零，故试验采集得到的压力值为消除初始土压力的相对侧向压力。分别测得两个模型箱不同深度(25、50、75 cm)的相对侧向压力随时间的变化关系如图4所示。

图4 侧向压力随时间变化关系曲线

由图 4可见，侧向压力随时间的变化可大致分为3个阶段。第一阶段是波动阶段，按一定间隔时间从模型箱顶部注水，刚注水时水没有完全入渗，有一定的水头，通过砂井向四周渗入后土产生吸力，使侧向压力出现波动；第二阶段是停止注水后到排水前，曲线基本平稳且略有上升；第三阶段是排水时侧向压力缓慢下降的过程，在重力作用下水从表层往深处入渗最后从箱底的排水口排出，这个过程引起侧向压力下降，同时膨胀土不断失水收缩膨胀压力减小也造成侧向压力减小。本次试验中的侧向压力包括水压力和膨胀压力，二者很难严格划分开。第二阶段体积含水率基本不变，经过一段时间，侧向压力仍有所增加，增加的侧向压力为这段时间产生的膨胀压力，图 4(a)中显示深度越大，相应产生的膨胀压力越大。

不同深度进行对比，越深侧向压力越大，这说明土的侧向压力跟深度有关。两种模型的侧向压力在不同深度随时间的变化趋势大致相同，故分析时可取同一深度处进行深入分析。对比侧向压力的峰值，掺碎石膨胀土在各深度所达到的峰值均小于纯膨胀土的。在注水阶段纯膨胀土侧向压力的波动幅度大于掺碎石膨胀土的变化幅度。

4 对比分析

4.1 体积含水率与侧向压力的关系

为了探究体积含水率与侧向压力之间的关系，将两模型箱随时间变化的体积含水率和侧向压力绘制在同一个图中进行分析。考虑到深度对体积含水率和侧向压力的规律影响不大，25 cm深度处的各指标变化速度较快，现象比较明显，选取深度为25 cm处监测指标进行对比。观测时间范围为从第一次注水开始算起的60 d，对比关系曲线如图 5所示。

图5 体积含水率与侧向压力随时间变化关系

对比图5中的体积含水率和侧向压力曲线，两个模型从体积含水率变化之后，侧向压力均随体积含水率而变化，且略有滞后。

比较图 5(a)纯膨胀土模型25 cm深度处的2条曲线可以发现，刚开始注水的前10 d体积含水率基本不变，侧向压力随间歇地注水波动变化，这一阶段侧向压力的变化主要是水自重的变化。当体积含水率陡增时，说明水已经入渗到25 cm处，之后随着水继续向下渗透，体积含水率又略有下降，侧向压力滞后一定时间也跟随波动，随着体积含水率增加到稳定，侧向压力中水分自重的影响不断减弱，甚至可忽略不计，故此后测出的侧向压力变化可等效为膨胀压力。从第一次注水开始算起38 d后开始排水，体积含水率逐渐减小，约3 d后侧向压力也开始减小，侧向压力与体积含水率变化的相关性较好，并存在一定的滞后。

图 5(b)掺碎石膨胀土模型箱25 cm处的体积含水率和侧向压力曲线在开始注水后变化就十分明显，在开始注水后约3 d，体积含水率骤升，再经过约1 d的时间，此处的侧向压力也有了较大幅度的上升。体积含水率稳定后侧向压力变化幅度较小，说明浸水后掺碎石膨胀土浅层的膨胀压力小，排水阀开启后浅层的体积含水率开始降低很快，之后缓慢降低，侧向压力与体积含水率有很好的一致性。由于掺入的碎石的粒径较大，掺碎石膨胀土存在较大的孔隙，便于水分入渗，掺碎石膨胀土的渗透性得到改善，侧向压力的滞后于体积含水率的时间缩短。

4.2 掺碎石对膨胀土改良效果分析

为对比分析掺碎石改良的效果，选取两模型箱25 cm深度处的体积含水率和侧向压力两个参数分别进行对比，两模型箱的体积含水率随时间变化关系如图6所示。

图6 体积含水率随时间变化关系

对比图6中两个模型箱25 cm处体积含水率的变化曲线，注水后两种模型箱的体积含水率均有明显的上升。掺碎石膨胀土体积含水率的变化幅度为58%，远大于纯膨胀土的41%。掺碎石膨胀土在开始注水后约3 d体积含水率便开始快速上升，而纯膨胀土模型经过约10 d才开始变化。随后间断注水到相对饱和的时间以及排水过程，掺碎石膨胀土的体积含水率变化速度都比纯膨胀土的快得多。主要是因为纯膨胀土中黏粒含量高，土中的黏滞阻力较大，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了孔隙中的气泡阻力和土中的黏滞阻力后才发生渗透，透水性差，而在土中掺入碎石后增大颗粒间的孔隙，能有效降低土中的黏滞阻力，明显提高土的渗透性，故在膨胀土中掺入一定比例的碎石能对土的渗透性有很大的改善，能加快水分的渗入和排出。

两模型箱深度25 cm处的侧向压力随时间的变化曲线如图 7所示。体积含水率相对稳定的阶段为浸水阶段，纯膨胀土的浸水阶段为注水后开始算第27天至第38天，掺碎石膨胀土为第16天至第27天。

图7 侧向压力随时间变化关系

刚开始注水阶段前两模型箱的侧向压力变化十分明显，间断注水使得采集到的侧向压力包含水的自重压力以及膨胀土吸水产生的侧向膨胀压力，二者很难区分开来。进入浸水阶段后，水的自重对侧向压力变化的影响很小，可忽略不计，采集到的侧向压力变化量为浸水阶段膨胀土产生的侧向膨胀力。对比图7中的浸水阶段，纯膨胀土的侧向压力有明显上升过程，侧向膨胀力的增幅0.98 kPa，说明中浸水过程中纯膨胀土仍在吸水膨胀，而掺碎石膨胀土的侧向膨胀压力基本不变，说明在浸水阶段掺碎石膨胀土已经不再产生膨胀力，可见掺碎石能有效降低膨胀土中的侧向膨胀压力。碎石掺在膨胀土中与膨胀土嵌挤咬合，增大颗粒间的摩擦力，约束部分膨胀土的膨胀变形能较明显地降低膨胀土中的侧向膨胀压力。建议在路基等挡墙工程中可以考虑掺碎石改良膨胀土作为挡墙填料，降低侧向膨胀力对挡墙的影响。