膨胀土地基的综合改良法处理试验研究

益圣强

(中国海洋大学，山东青岛 266100)

膨胀土为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定，这为实际工程带来了巨大的危害。

为改善膨胀土的工程特性，人们开展了大量的研究:王小军等[1]从生石灰改良的角度，研究了用生石灰改良膨胀岩的工程性质;刘义虎等[2-6]从含水量的角度研究了干湿循环对膨胀土路基破坏的影响、弱膨胀土的压实特性、胀缩性状、力学特性、膨胀力的分析方法、膨胀土的动态水稳特性以及不饱和膨胀土与水的相互作用等。这些研究在土体膨胀性单一影响因素领域里取得了较好的成果，但对于多种改善措施同时施用的实际工程，仍然存在着一定的局限性。本文针对实际工程需要，开展了多种改善措施同时施用时土体膨胀率变化规律的试验研究，确定了各种改善措施参数的最佳组合，为实际工程提供了依据。

1 试验研究

1.1 试验装置

试验装置采用自行研发的大型土体膨胀试验系统，其组成如图1所示:水位模拟装置模拟天然水位，通过底板的补水通道采用定水头方式给试件补水;膨胀室由顶板、底板和试件容器组成，试件规格为φ150 mm×1 000 mm，底板刚性固定，顶板与位移传感器良好接触;数据采集仪采集位移变化数据并经数据线在电脑终端显示。

1.2 取样

试样于2013年8月取自山东青岛某办公楼施工现场。首先利用挖掘机挖至地表以下5 m处，然后呈阶梯状人工下挖1 m，在距基坑底部0.5 m阶梯处切取土样。所取土样颜色基本上呈黄褐色，无垂直节理但有水平节理。随深度的增加颜色逐渐过渡到灰褐色，颜色界线并不明显，颗粒粒度逐渐变细。取回后经室内土工试验测得土样物性指标见表1。

图1 试验系统组成

表1 天然膨胀土物性指标

1.3 试验过程

结合工程经常使用的膨胀土处理方法，试验中将起始含水率、掺入石灰率以及击实功三种因素相耦合，以探求综合应用三种措施时的参数最佳配比。首先将制备好的确定起始含水率和掺入石灰率的膨胀土按每层厚度200 mm分层击实(见表2)，击实参数采用锤重5 kg，自由落下高度1 m。然后将制备好的试件安装在大型土体膨胀试验机上，并模拟真实水位对试件通过无荷载侧限膨胀试验测得试件膨胀量曲线(由于篇幅所限，只列出一组试件图像如图2所示)及起始含水率、掺入石灰率以及击实功与膨胀率变化关系曲线(见图3～图5)。

表2 试验参数

图2 膨胀量曲线

2 试验结果分析

2.1 膨胀量曲线分析

岩土体的膨胀性源于含水率的增加，膨胀过程会经历等速膨胀、减速膨胀和缓慢膨胀的三个阶段，这一点在试验中得到了很好的证明(见图2)。但通过对试验数据的分析可以发现一个特殊的现象，即从开始试验20 h之后土体才开始出现明显膨胀，整个膨胀过程持续约21 h才趋于稳定，这一方面证明了膨胀土透水性微弱的公认结论，另一方面也说明了土体发生膨胀存在含水率阈值，该值以及膨胀过程持续时间均与土体的击实功有关。由于试验装置无法中途停止来测定土体刚发生膨胀时的含水率，所以在这里只对其进行定性分析:在自重的作用下，当土体吸水产生的膨胀量等于土体孔隙的减小量时，膨胀力小于上覆土层的自重，土体对外不显现体积增大;当膨胀量大于孔隙减小量时，膨胀力将大于上覆土层的自重，土体则对外显现出体积增大。击实作用一方面使土体密实度增大，渗流减小，另一方面由于试件体积一定而导致土体自重增大，进而使得土体产生膨胀和膨胀持续时间均得以延长。

2.2 因素耦合影响曲线分析

通过试验数据结果整理和对比分析，得到膨胀率与起始含水率、掺入石灰率和击实功的关系曲线，如图3～图5所示。

图3 膨胀率与起始含水率关系曲线

图4 膨胀率与掺灰率关系曲线

图5 膨胀率与击实功关系曲线

图3反映出两个不同于单一因素影响规律的现象:

第一，在各因素共同作用的情况下，改良土的膨胀率与起始含水率不再满足只受起始含水率影响的线性关系(如图3中虚线所示)，而满足式(1):

其中，δh为线膨胀率;ω0为起始含水率。

膨胀率随着起始含水率的增加而呈明显的三阶段变化规律，即首先膨胀率随起始含水率的增加减小的非常明显，随后变化相对比较缓慢，最后有接近平稳的趋势;

第二，同一起始含水率条件下，各因素共同作用时的膨胀率大于仅考虑起始含水率时的膨胀率。前者主要原因为:首先，掺入石灰会使粘粒周围的一部分弱结合水与粘粒脱离，从而使掺石灰膨胀土的密度减小[7]，以致使得土体前期孔隙体积减小较快，所以前期膨胀量的相对减小速率较大;其次，由于不同土料与石灰发生化学反应的程度和速度各不相同[8]，掺入石灰的膨胀土会趋于稳定，所以会出现变化渐缓，最后趋于平稳的现象。后者主要原因为击实作用使得土体密度增大，原始试件体积一定时，相同条件下增大质量会使土体膨胀率增大。

从图4可以看出，各因素共同作用时，膨胀率的最小值(如图4实线所示)比仅考虑掺入石灰率时(如图4虚线所示)降低了3%左右，对应的掺入石灰率也相应的减小了8%左右，其关系曲线满足方程:

其中，i为掺入石灰率。

当只考虑膨胀土的击实特性时，随着击数增加，膨胀土的最大干密度和最优含水量会分别呈直线增大和减小，当击数超过50次时，最大干密度和最优含水量趋于定值，击实后的膨胀土的胀缩性并没有受到抑制(如图5虚线所示)。但各因素综合作用时，膨胀率与击实作用则表现为(如图5实线所示):

其中，n为击实次数。

这表明膨胀土的击实作用受到起始含水率、掺入石灰率的影响，曲线上存在明显的极值(此次试验中该值为200击):n＜200时，膨胀率随击实次数的增加而降低;n＞200时，膨胀率随击实次数的增加而升高。

3 结语

建筑部门目前在采用膨胀土处理措施时，甚至在采用综合改良措施时，一般只考虑单一因素的最优值，这种确定膨胀土地基处理方法存在明显的不足，即没有考虑掺灰土料的结构会因含水率、击实作用的不同而有很大的差异，从而忽略了各因素之间的耦合作用。通过试验研究发现，在起始含水率、掺入石灰率以及击实功的强烈耦合作用下，同一土体最小膨胀率对应的各因素值发生明显变化，各因素的影响规律也发生了明显的改变。试验用膨胀土最小膨胀率对应的起始含水率、掺入石灰率以及击实次数分别为:21.6%，12.3%和 200 次。膨胀土与石灰的物理、化学反应过程都需要水的参与，含水率的变化会使这些过程发生明显变化，而击实度直接影响水的获取量，各因素共同作用时会影响击实功和掺灰量的最佳值，进而影响掺灰膨胀土的最终强度，若仍按一般方法来确定膨胀土的处理措施显然不妥。所以，建议采用综合改良法处理膨胀土地基时应首先开展模拟真实地下水位的大试件膨胀性试验。

[1] 赵中秀.用生石灰改良膨胀岩基床的室内试验研究[J].岩土工程学报，1998，20(1):39-44.

[2] 刘义虎，杨果林，黄向京.干湿循环作用下水对膨胀土路基破坏机理的试验研究[J].中外公路，2006，26(3):30-36.

[3] 陈善雄，李伏保，孔令伟.弱膨胀土工程特性及其路基处治对策[J].岩土力学，2006，27(3):353-360.

[4] FAN Zhen-hui，WANG Yonghe，XIAO Hong-bin.Analytical method of load-transfer of single pile under expansive soil swelling[J].J.Cent.South Univ.Technol，2007，4(5):575-580.

[5] SHEN Nan.Dynamic Study on Water Stability of Soil Structure and Soil Characteristics of Several Types of Soils in Southwest China，2008，13(3):336-342.

[6] ZHAN Liangtong.Effect of suction change on water content and total volume of an expansive clay[J].Journal of Zhejiang University SCIENCE AISSN，2007，8(5):699-707.

[7] 张能义，邓鹏飞.公路路基膨胀土石灰改性试验研究[J].武汉工业学院学报，2008，27(4):70-72.

[8] 郭爱国，孔令伟，胡明鉴，等.石灰改性膨胀土施工最佳含水率确定方法探讨[J].岩土力学，2007，28(3):517-522.