风化砂改良膨胀土力学指标试验研究

杨 俊，童 磊，张国栋，唐云伟，梁 勇

(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 443002；4.小鸦一级公路改建工程项目部，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

膨胀土主要由亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成，是一种在自然地质过程中形成的具有多裂隙性、快速崩解性以及显著地膨胀性与收缩性的特殊区域性土。由于膨胀土遇水膨胀，失水收缩，故其强度特性对含水率的变化极为敏感，因而其工程性质很不稳定。在膨胀土分布区域修筑的公路极易出现路面沉陷、边坡滑塌、路堤失稳等工程问题。究其原因，往往都是由于土的抗剪强度不够，以及承载能力不足所造成的[1]。

我国膨胀土分布十分广泛，在修筑公路、铁路时不可避免的要穿越膨胀土地区。目前，在实际工程中，大多数情况下是在膨胀土中掺入石灰、水泥、粉煤灰等外加剂，使之与土体发生一定的化学反应，通过化学改良来提高土体的承载能力以及抗剪强度。掺入后，土体的强度特性有明显的改善。但是，石灰、水泥、粉煤灰与膨胀土的反应速度较慢，导致改良后土体强度提高较为缓慢，且施工工程中需要对其进行养护处理，养护条件不易控制。同时化学改良往往具有一定的时效性[2]，随着时间的推移，所生成水化物的强度会逐渐降低，最终导致路基强度不够，从而严重危害公路的正常运行。再者掺入的石灰、水泥、粉煤灰由于粒径较小，现场施工时难以充分拌和均匀。

笔者结合湖北宜昌小溪塔至鸦雀岭一级公路改建工程，拟将沿线广泛分布的风化砂作为外加剂来改良膨胀土强度特性，使之达到路基填料标准。在室内对掺砂改良膨胀土进行了不同掺砂比、不同初始含水率下的承载比(CBR)试验、回弹模量试验以及直剪试验，深入分析了掺砂比、初始含水率对改良膨胀土强度的影响，同时也验证了掺砂改良膨胀土这一物理改良方法的可行性。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

1.1.1 膨胀土

试验所用膨胀土取自湖北省宜昌市夷陵区小溪塔至鸦雀岭一级公路改建工程项目K 24 + 000 ～ 25 +000路段。膨胀土颜色以棕黄色、灰白色为主，中间夹杂灰绿色。土块可层层分割成规则的几何形体，断面光滑，土质滑感较强，结构致密，含有少量钙质与铁锰质结核。膨胀土的基本性质指标见表1。

表1 膨胀土的基本性质指标

Table 1 Basic physical property indexes of expansive soil

从表1可以看出，膨胀土的液限为70.53%，属于高液限土；塑性指数为46.44，属于极高塑性黏土；自由膨胀率为43%，属于弱膨胀性。

1.1.2 风化砂

试验所用的风化砂取自该项目K22 +000～K23 +000路段，风化砂颜色呈黄色，粒径较小，颗粒呈棱角状，强度较高，并含有一定量的细粒土。由图1可以看出试验所用风化砂粒径大部分都集中在0.25 mm以下，属于级配不良砂。风化砂的基本物理性质指标见表2。

图1 风化砂颗粒级配曲线Fig.1 Weathered sand-based particle size distribution curve表2 风化砂基本物理性质指标 Table 2 Physical property indexes of the weathered sand

1.2 试验方案

试验均按照JTG E 40—2007《公路土工试验规程》的规定进行。

掺砂比是指所掺风化砂质量与总质量之比，采用5种掺砂比：10%，20%，30%，40%，50%。根据室内重型击实试验，得到每种掺砂比下膨胀土的最佳含水率和最大干密度。

进行承载比、回弹试验时，每种掺砂比下，制备5种初始含水率：8%，10%，12%，14%，16%。

进行直剪试验时，考虑到改良后土体的实际情况，每种掺砂比下，土样的初始含水率分别按6%，8%，10%，12%，14%进行配制。

2 试验结果及分析

2.1 重型击实试验

土采用干法制备试样，分3层进行击实，每层98击。重型击实试验结果见表3。

表3 改良膨胀土的击实试验结果

Table 3 Compaction test results of expansive soil improved by

weathered sand

土样编号掺砂比/%最佳含水率ωop/%最大干密度ρdmax/(g·cm-3)1012.821.89921012.491.91332012.261.96543012.051.94754011.491.93165011.071.918

由表3可以看出：

1)最佳含水率随着掺砂比的提高而逐渐减小。这是由于风化砂的掺入，整体的黏性降低，保水性下降，导致击实时所需要的含水量减小。当掺砂比由30%增至50%时，最佳含水率迅速下降，降低幅度约为50%。

2)掺入风化砂之后，击实膨胀土的最大干密度随之提高，当掺砂比为20%时，击实膨胀土的最大干密度达到最大，但当掺砂比进一步提高时，最大干密度逐渐下降。这是因为掺入风化砂之后，膨胀土颗粒填充在风化砂颗粒所形成的空隙之中，颗粒之间嵌挤更加紧密，单位体积内的颗粒增多。而下降的原因是试验所用的风化砂级配不良，过多地掺入会使混合土体的级配不良，难以压实。

2.2 改良膨胀土的CBR值

干土法备样，按照试验方案中所规定的初始含水率及掺砂比在试筒中采用重型击实的方法制备试件。为了模拟路基在使用过程中的最不利状态，在贯入试验前将试件进行泡水4 d处理。每组试样做3组平行试验，取平行试验差值满足精度要求的结果的平均值作为试件的最终CBR值。

2.2.1 初始含水率对改良膨胀土CBR值的影响(图2)

图2 含水率与CBR值的关Fig.2 The relationship between moisture content and CBR value

从图2以看出：

1)改良膨胀土CBR值随初始含水率的增加而提高，但是有一个极限值，超过这个极限含水率后，CBR值随着含水率的增加而迅速下降。产生这一现象的原因是：随着含水率的增加，击实后土样的干密度迅速上升，孔隙率减小，土颗粒之间的接触越来越紧密，况且随着土样初始含水率的增加，整个土样的膨胀潜势会越来越小，故在浸水4 d之后，试件结构的损坏程度也会逐渐减小。所以，随着初始含水率的增加，各掺砂比的膨胀土CBR值逐渐提高。当试件初始含水率超过一定的限度时，会导致击实后土样的密实度不够，土中空隙增多，浸水时会吸入过多的外界水，使改良膨胀土的内部结构发生了变化，影响了土颗粒之间的定向排列，导致试件本身产生了结构性的损伤，从而使土颗粒之间的相互作用力减弱，同时过多的自由水也阻碍了土颗粒之间的接触，影响了空间网架结构的生成[3]，从而使改良膨胀土承载力迅速降低。

2)各掺砂比膨胀土的CBR峰值含水率略大于各自对应的最优含水率1%～2%。这是由于虽然在最佳含水率状态下进行压实，会得到最大的干密度，但是浸水4 d之后，土体内部结构发生了变化，故当干密度最大时，并不能保证浸水后CBR值最大。浸水后土样的CBR值是多种因素耦合的结果，适当的提高土样的初始含水率，虽然减小了击实后的土样干密度，但是降低了土样的膨胀潜势，使浸水后土体结构性损伤程度降低，故当含水率稍大于最佳含水率时，改良膨胀土CBR值达到最大。

2.2.2 掺砂比对改良膨胀土CBR值的影响(图3)

由图3可知：

1)随着掺砂比的提高，膨胀土的CBR值逐渐增大。这是因为风化砂粒径较大，强度较高，且有一定的棱角，掺入之后，起到了骨架支撑作用，且颗粒与颗粒之间的相互作用越来越强烈，最终导致改良后膨胀土承载能力的提高。

2)随着风化砂掺入比例的增加，土体CBR值增长的速度是不断变化的。当掺砂比为<30%时，土体CBR值增长速度较慢，这是因为虽然掺入风化砂之后，颗粒之间的相互作用效果增强，但是由于此时掺入的风化砂较少，击实后的试件有着较高的膨胀潜势，浸水后试件结构发生破坏，强度衰减较大，故此时改良膨胀土CBR值增长较慢。当掺砂比由30%增长至40%时，土体CBR值增长速度最快。当土样含水率为14%时，CBR值增长幅度达到了3.15%。产生这一现象是因为，此时膨胀土所占比例较小，击实后试件的膨胀潜势较低，浸水后对试件强度影响较小，再者，由于风化砂掺量的增加，土体本身的孔隙率减小，颗粒之间的作用效果显著增强，同时风化砂颗粒在整个结构中起到了很好的支撑作用，从而改良膨胀土CBR值大幅提高。当掺砂比继续增长时，土体CBR值增长速度逐渐变慢，这是由于风化砂掺入过多，导致击实后土体干密度减小，孔隙率增多，整体结构趋于松散，浸水后过多的外界水通过空隙进入土体内部，影响了土颗粒之间的定向排列，使土体内部产生了结构性的损伤，故导致土体CBR值增长速度的减缓。

2.3 改良膨胀土的回弹模量

采用室内承载板法，逐级加载卸载法测定改良膨胀土每级荷载下回弹变形。土样采用干土法制备，按照试验方案中所规定的初始含水率及掺砂比，采用重型击实的方法制备试件。试件制备完毕后立即进行预压，并测定回弹变形量。

2.3.1 初始含水率对改良膨胀土回弹模量的影响

改良膨胀土的承载力与试件的干密度、掺砂比及含水率有关。因膨胀土具有吸水后软化，强度降低的特性，故在同一掺砂比下，其承载力大小主要受到含水率的影响。经过一系列的室内回弹模量试验，初始含水率与改良膨胀土回弹模量之间的关系见图4。

图4 回弹模量与初始含水率的关系Fig.4 Relationship of resilient modulus and the initial moisture content

由图4可以看出：在同一掺砂比下，随着初始含水率的增大，改良膨胀土的回弹模量逐渐增加，当初始含水率接近各掺砂比下的最佳含水率时，回弹模量达到最大值。产生这一现象的原因是，由于初始含水率的逐渐增大，击实后试件的干密度逐渐提高，孔隙率减小，土颗粒间的相互摩擦更加强烈，于是回弹模量随着初始含水率的提高而增大，但增长幅度较小，最大的增幅出现在掺砂比例为30%时，也仅为20.85 MPa。当初始含水率超过各掺砂比下的最佳含水率而继续增大至16%时，回弹模量迅速降低，其中掺砂比为30%的膨胀土回弹模量下降最快，下降幅度达到了41.3 MPa。这是由于初始含水率超过最佳含水率后，一方面导致击实后试件的干密度迅速降低，土颗粒之间的间距变大，相互作用力减弱，整体结构的稳定性降低；另一方面，土颗粒周围结合水膜中的水分子对土粒间的相互运动起到了一定的润滑作用[4]，所以导致由于初始含水率的继续增加，改良膨胀土回弹模量迅速降低。

2.3.2 掺砂比对改良膨胀土回弹模量的影响

掺砂比决定着击实后试件的干密度、颗粒的组成和受力状况，因此在同一初始含水率下，改良膨胀土承载力大小主要受到掺砂比的影响。室内回弹模量试验得到掺砂比与改良膨胀土回弹模量之间的关系，见图5。

图5 回弹模量与掺砂比例的关系Fig.5 Resilient relationship between resilient modulus doped sand radio relation ship

从图5可以看出：

1)通过调整掺砂比可以有效的提高改良膨胀土的回弹模量。当掺砂比为10%，初始含水率为12%时回弹模量最大，为111.46 MPa。

2)当风化砂掺入比例由0增大至10%时，改良膨胀土回弹模量逐渐增大，通过前面的分析可知：一方面风化砂的掺入可以提高整体的摩阻力，使颗粒之间咬合更加紧密，增强了土体整体的稳定性；另一方面，掺入风化砂使得击实后试件的干密度增大，密实性增强，承载能力提高，故掺入风化砂之后，可以大幅提高改良膨胀土的回弹模量。分析数据可知，当试件初始含水率为10%时，回弹模量增幅最大，达到了24.35 MPa。当掺砂比由10%增大至50%时，改良膨胀土回弹模量迅速降低，其中当试件的初始含水率为12%时，回弹模量降低速度最快，降低幅度达到了65.62 MPa。产生这一现象的原因是，掺入过多的风化砂之后，土体整体的黏性迅速降低，土体逐渐由“弹塑性体”向“塑性体”过渡[5]，从而使得试件在试验荷载下恢复变形的能力减弱，回弹模量迅速降低

2.4 改良膨胀土的抗剪强度指标

采用静压法制样，使之达到预定的干密度。将制好的试样放在应变控制式直剪仪上进行不同垂直荷载下的直剪，控制剪切速度为0.8 mm/min。试验得到不同初始含水率及不同掺砂比改良膨胀土内摩擦角φ及黏聚力C，见表5。

表5 改良膨胀土的内摩擦角φ和黏聚力C Table 5 The interior friction angle φ & the sticky poly force C of the modified expansive soil

2.4.1 改良膨胀土的内摩擦角φ

1)通过调整初始含水率及掺砂比可以有效的提高膨胀土的内摩擦角，当掺砂比例为30%，初始含水率为8%时，内摩擦角达到最大值31.53°。

2)在同一初始含水率下，改良后膨胀土内摩擦角随着掺砂比的增加先逐渐增大，掺砂比例为30%时，达到最大；当掺砂比进一步增加时，内摩擦角迅速降低。这是由于风化砂颗粒具有一定的棱角和较大的摩阻力，掺入风化砂之后，风化砂颗粒包裹在膨胀土颗粒周围，使整个结构的摩阻力大幅提高。再者，由于风化砂的掺入，导致整个土体的干密度有所增加，孔隙率减小，颗粒之间接触更加紧密，作用效果更为强烈，故随着风化砂掺入比的增加，内摩擦角逐渐增大。然而试验过程中所掺入的风化砂黏性较低，掺砂超过一定比例之后，砂性颗粒增多，会造成整体的黏性下降，稳定性减弱，且掺入风化砂过多，会导致土体干密度下降，孔隙率增加，颗粒之间的间距变大，相互作用减弱，所以当掺砂比超过一定限度之后，内摩擦角迅速降低。

3)在同一掺砂比例下，改良后膨胀土内摩擦角随着掺砂比的增大，先迅速增大，且内摩擦角最大时所对应的初始含水率略小于各掺砂比下的最佳含水率。当超过这一极限初始含水率之后，内摩擦角迅速降低。原因是，由于初始含水率增加，造成土体的干密度逐渐变大，孔隙减小，最终导致颗粒间的相互作用增强，内摩擦角迅速增大。当初始含水率继续增加时，土体中过多的自由水一方面阻碍了土颗粒之间的接触，使土颗粒间的作用力减弱，有一方面自由水在剪切过程中充当了润滑剂的作用，再者当初始含水率继续增加时，会使土体本身的干密度下降，土颗粒间的摩擦减弱，从而使得内摩擦角迅速降低。

2.4.2 改良膨胀土的黏聚力C

1)初始含水率及掺砂比对改良后膨胀土黏聚力的影响较大。各掺砂比下的改良膨胀土在初始含水率接近各自最佳含水率时，黏聚力达到最大。这是因为当初始含水率接近最佳含水率时，改良膨胀土干密度达到最大，孔隙率最小，颗粒之间的距离较近，相互作用力较强，故此时的黏聚力最大。

2)在同一初始含水率下，随着掺砂比的增加，改良后膨胀土黏聚力逐渐减小，掺砂比<40%时，黏聚力减小速度较慢，减小幅度约为25 kPa。但当掺砂比>40%之后，黏聚力迅速减小，其中初始含水率为14%的土样黏聚力减小幅度达30.57 kPa。这是因为，掺入风化砂之后，会导致土体整体的黏性降低，颗粒之间的相互作用减弱，结构稳定性降低，故黏聚力逐渐减小；另外，由于风化砂掺入一定比例之后，土体干密度减小，孔隙增多，颗粒之间的作用力减弱，所以当掺砂比>40%之后，土体黏聚力减小速度加快。

3)在同一掺砂比下，黏聚力随初始含水率的增加先逐渐增大，且黏聚力最大时所对应的含水率接近各掺砂比下的最佳含水率。这是因为初始含水率逐渐增加时，土体干密度逐渐增大，孔隙率逐渐减小，颗粒间的嵌挤作用愈来愈强烈，故随着初始含水率的增加，黏聚力逐渐增大。当初始含水率继续增大时，黏聚力迅速减小，且减小幅度在12 kPa左右。这是由于当初始含水率过大时，土体中自由水增多，超孔隙水压力增大，使土颗粒之间的吸引力减弱，公共水膜黏结力减小，另外界多的自由水在土样剪切过程中起到了一定的润滑作用，所以当初始含水率继续增加时，黏聚力会急剧下降。

3 结 论

由于风化砂粒径较小，在膨胀土粗颗粒形成骨架之中可以起到很好的填充作用，有助于提高改良后土体的承载能力，加之风化砂颗粒之间的摩阻力较大，掺入后对土体的抗剪强度也有一定程度的提高。研究得出以如下结论：

1)在同一含水率下，改良膨胀土CBR值随着掺砂比例的增大而逐渐增大，当掺砂比由30%提高至40%时，CBR值增幅最大。在同一掺砂比下，改良膨胀土CBR值随着初始含水率的增大而逐渐增加，当初始含水率大于最佳含水率1%～2%时，CBR值达到最大，当初始含水率超过这一极限含水率后，CBR值迅速减小。

2)掺入风化砂之后，可以有效提高膨胀土的回弹模量，但是掺砂比不宜过大，掺砂比超过10%后回弹模量迅速降低。随着初始含水率的增加，改良膨胀土回弹模量先增加，后急剧减小，当初始含水率接近最佳含水率时，回弹模量达到最大。

3)初始含水率及掺砂比对膨胀土抗剪强度指标有显著响。黏聚力随着掺砂比的增加而逐渐减小，同一掺砂比下的黏聚力随着含水率的增加而先增大后减小；内摩擦角随着掺砂比的增加而先增大后减小，同一掺砂比下的内摩擦角随着含水率的增加而先增大后减小。

4)掺入风化砂可以有效的提高膨胀土的CBR值、回弹模量以及抗剪强度指标。经过风化砂改良后的膨胀土的各项强度指标均能规范对路基强度的要求值，且风化砂改良膨胀土具有较好的经济性和可操作性。

[1] 汪东林,栾茂田,杨庆.重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究[J].岩土力学,2009,30(3):751-756.Wang Donglin,Luan Maotian,Yang Qing.Experimental study of soil-water characteristic curve of remolded unsaturated clay [J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(3):751-756.

[2] 王明甫,程钰.石灰改性膨胀土强度的室内试验研究[J].人民长江,2010,41(6):71-77.Wang Mingfu,Cheng Yu.Laboratory study on strength of expansive soil improved with lime [J].Yangtze River,2010,41(6):71-77.

[3] 殷琦,陈佳,朱心潇,等.石灰改良膨胀土的强度特性试验研究[J].城市道桥与防洪,2008,8(8):352-354.Yin Qi,Chen Jia,Zhu Xinxiao,et al.Experimental study on strength characteristic of lime modified expansive soil [J].Urban Roads Bridges and Flood Control,2008,8(8):352-354.

[4] 陈开圣,沙爱民.压实黄土回弹模量试验研究[J].岩土力学,2010,31(3):748-759.Chen Kaisheng,Sha Aimin.Research on resilient modulus test of compacted loess [J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(3):748-759.

[5] 陈文杰,梁乃兴.砂砾石材料回弹模量试验方法研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2007,26(6):115-118.Chen Wenjie,Liang Naixing.Test method research on elastic modulus of sand-gravel material [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2007,26(6):115-118.

[6] 胡梦玲,姚海林,刘杰,等.干密度对路基性能的影响研究[J].岩土工程, 2012,33(增刊2):91-97.Hu Mengling,Yao Hailin,Liu Jie,et al.Research on influence of dry density on subgrade performance [J].Journal of Rock and Geotechnical Engineering,2012,33(S2):91-97.

[7] 陈开圣.高液限红黏土CBR试验[J].公路,2010,2(2):148-151.Chen Kaisheng.CBR test of high liquid red clay [J].Highway, 2010,2(2):148-151.

[8] 陈声凯,凌建明,罗志刚.路基回弹模量应力依赖性分析及预估模型[J].土木工程学报,2007,40(6):95-99.Chen Shengkai,Ling Jianming,Luo Zhigang.Stress-dependent characteristics and prediction model of the resilient modulus of subgrade soils [J].China Civil Engineering Journal,2007,40(6):95-99.

[9] 李振,刑义川,周俊.膨胀土两种不同条件下抗剪强度比较[J].水力发电学报,2009,28(1):165-170.Li Zhen,Xing Yichuan,Zhou Jun.Comparison with shear strength of the expansive soil under two different conditions [J].Journal of Hydroelectric Engineering,2009,28(1):165-170.

[10] 黄世武,刘明维,尹健.膨胀土地基路基填方失稳破坏模式分析[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2009,28(2):250-254.Huang Shiwu,Liu Mingwei,Yin Jian.Analysis on failure modes of expansive soil subgrade embankment [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2009,28(2):250-254.

[11] 杨树荣,拱祥生,黄伟庆,等.非饱和黏性路基土回弹模量之研究[J].岩土工程学报,2006,28(2):225-229.Yang Shurong,Kung Johnson,Huang Qingwei,et al.Resilient modulus of unsaturated cohesive subgrade soils [J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2006,28(2):225-229.

[12] 凌建明,苏华才,谢华昌,等.路基土动态回弹模量的试验研究[J].地下空间与工程学报,2010,6(5):919-925.Ling Jianming,Su Huacai,Xie Huachang,et al.Laboratory research on dynamic resilient modulus of subgrade soil [J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010,6(5):919-925.

[13] 黄芳,吴国雄,王燕,等.半柔性路面复合材料抗压回弹模量研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(1):65-68.Huang Fang,Wu Guoxiong,Wang Yan,et al.Study on compacted rebound modulus of semi-flexible pavement compound material [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(1):65-68.

[14] 王雁然,曹定胜.改性膨胀土CBR值的试验研究[J].岩土力学与工程学报,2004,23(增刊1):4397-4399.Wang Yanran,Cao Dingsheng.Testing study on CBR value of improved expansive soils [J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2004,23(S1):4397-4399.

[15] 魏永耀,孙树林,郑华章.膨胀土-胶粉(ESR)强度特性室内试验研究[J].工程地质学报,2010,18(4):543-547.Wei Yongyao,Sun Shulin,Zheng Huazhang.Laboratory tests on uni-axial compressive strength of expansive soil-rubber (ESR) [J].Journal of Engineering Geology,2010,18(4):543-547.