不同粒径风化砂改良膨胀土的特性试验

杨 俊，黎新春，张国栋，唐云伟，陈红萍

（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，土木与建筑学院，湖北 宜昌443002；2.宜昌市交通运输局，湖北 宜昌443002；3.宜昌市公路管理局，湖北 宜昌443002）

膨胀土是一种颗粒高度分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土，而且具有多裂隙性、胀缩性、反复变形性等特点［1］。膨胀土的这些工程特性常常造成路基的破坏，产生路面纵向开裂、松散脱落、路基沉陷、边坡溜塌、滑坡、翻浆冒泥等不良现象，造成经济和财产损失。因此膨胀土不能直接作为路基填料，必须经过改良之后才能作为路基的填料。

目前工程实践中常用石灰、水泥或粉煤灰来改善膨胀土的工程性质。大量的试验研究和实践经验证明：掺石灰［2］、水泥［3］或粉煤灰［4］能够在一定的程度上改善膨胀土的工程性质，使其达到路基填料的标准；但是由于这3种材料均为粉末状，使得现场拌合及施工控制过程相对复杂，并且对环境污染比较大［5，6］。针对化学改良方法的不足，本文提出了利用宜昌地区的风化砂进行改良膨胀土的方法。

风化砂改良膨胀土以物理改良为主，并且风化砂具有一定的矿物成分和粒径组成，掺入到膨胀土中之后，会改变土的粒度成分，从而使得膨胀土的性质发生改变。本文为了研究不同粒径风化砂改良膨胀土的特性，分别对粒径（d）为＜0.5 mm、0.5mm≤d＜1mm及1mm≤d＜2mm的风化砂改良膨胀土进行了击实、无荷膨胀率、收缩和直剪试验，得到了不同粒径、不同掺砂比例改良膨胀土的击实、强度和胀缩指标，为风化砂改良膨胀土提供了理论依据。

1 试验材料

试验用膨胀土取自湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路K25＋500段，土样颜色为灰白色，有滑感，肉眼可看到少量的白色钙质结核；试验用膨胀土基本物理性质指标见表1。

试验用风化砂（图1）取自湖北省宜昌市夷陵区太平溪镇的百岁溪。该风化砂由花岗岩风化而成，主要要由砾粒和砂粒组成，属砾类土；矿物组成以斜长石、石英、黑云母为主，化学成分以二氧化硅和氧化铝为主；外观呈黄褐色砂砾状，风化程度随埋藏深度增加而减弱。试验用风化砂的基本物理性质指标见表2。

表1 膨胀土基本性质指标Table 1 The basic properties of expansive soils

表2 风化砂基本性质指标Table 2 The basic properties of weathered sands

图1 筛分后的风化砂Fig.1 Screened weathered sands

2 试验方案

根据试验目标，试验方案的设计考虑风化砂粒径区间的划分以及掺砂比例的设计两方面因素。

a.粒径区间的划分。将风化砂晾干至表面干燥，清理土样中的杂物，然后将晾干的风化砂依次过孔径为2mm、1mm、0.5mm的标准筛，将级配良好的风化砂划分成3个粒径区间：1mm≤d＜2mm，0.5mm≤d＜1mm和d＜0.5mm。

b.掺砂比例的设计。将不同粒径的风化砂按照不同的比例掺入到膨胀土中进行对比试验，不掺砂的膨胀土称为纯膨胀土，掺入风化砂之后的膨胀土称为掺砂膨胀土（图2）。对比实验的掺砂比例（质量比）采用6种情况：①土∶砂＝100∶0；②土∶砂＝90∶10；③土∶砂＝80∶20；④土∶砂＝70∶30；⑤土∶砂＝60∶40；⑥土∶砂＝50∶50。

3 风化砂改良膨胀土的击实试验

图2 拌合前的膨胀土和风化砂Fig.2 Expansive soils and weathered sands before mixing

参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），分别将膨胀土和风化砂在105℃下烘干，然后根据试验方案配制不同粒径、不同掺砂比例的试样，焖料24h后进行室内重型击实试验（图3）。采用DJ-Q型电动击实仪，击实桶的直径为15.2cm，分3层进行击实，每层98击，单位体积的击实功为2 677.2kJ/m3。不同粒径风化砂膨胀土的击实试验结果见表3。

根据击实试验结果，以掺砂比例为横坐标，分别以最佳含水量和最大干密度为纵坐标，绘制最佳含水率及最大干密度与掺砂比例关系图（图4、图5）。

试验结果表明：

a.掺砂改善了膨胀土的压实特性。掺入风化砂之后，膨胀土的最佳含水率降低，最大干密度增大。

b.同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的最佳含水率随着风化砂粒径的增大而减小，最大干密度随着风化砂粒径的增大而增大。这是因为粒径越大，砂粒的吸水性越小，多余水分被膨胀土吸收，从而导致混合料的整体最佳含水率降低；同时，粒径越大，单位体积内砂粒的质量越大，从而导致最大干密度增大。

表3 不同粒径风化砂改良膨胀土的击实试验结果Table 3 Compaction test results of the expansive soil treated by mixing the weathered sands with different sizes

图3 击实试验照片Fig.3 Compaction test photos

图4 最佳含水率与掺砂比例关系曲线图Fig.4 The relation curve between the optimum specific moisture content and the sand proportion

c.掺入风化砂对最大干密度的影响大于对最佳含水率的影响，0.5mm≤d＜1mm和1mm≤d＜2mm的风化砂改良膨胀土的最佳含水率差别不大，而d＜0.5mm的风化砂对含水率的影响和其他两者差别较大，且变化趋势也不一样。这是由于d＜0.5mm的风化砂中含有黏粒，且0.5 mm≤d＜1mm和1mm≤d＜2mm两种粒径相差不大，性质差别不大，掺入膨胀土中之后，对膨胀土的含水率的影响及变化规律影响差别不大。

图5 最大干密度与掺砂比例关系曲线图Fig.5 The relation curve between the maximum dry density and the sand proportion

d.同一粒径下，随着掺砂比例的增大，风化砂改良膨胀土的最佳含水率减小，这是因为砂粒的吸水性较小引起的。最大干密度的变化趋势随着掺入粒径不同而不同，当1mm≤d＜2mm时，最大干密度随着掺砂比例的增加而增大；当0.5 mm≤d＜1mm时，最大干密度随着掺砂比例的增大先增大后逐渐减小，当掺砂30%时，最大干密度达到最大值；当d＜0.5mm时，最大干密度随着掺砂比例的增大先增大后减小，当掺砂20%时，最大干密度达到最大值。这是因为砂粒直径越小，砂粒形成的骨架之间的空隙越小，随着掺砂比例的增大，此时没有足够细粒土来填充空隙，导致土样的孔隙率增大，使得最大干密度降低。

4 改良膨胀土无荷膨胀试验

为研究不同粒径风化砂改良膨胀土的膨胀特性，对不同粒径风化砂改良膨胀土击实样进行了无荷膨胀率试验（图6），试样直径61.8mm、高20 mm，采用WZ-2型膨胀仪进行测试，结果见表4。

图6 无荷膨胀率试验Fig.6 Test photos of unload expansion rate

表4 不同粒径风化砂改良膨胀土的无荷膨胀率试验结果Table 4 Unload expansion rate test results of the expansive soil treated by mixing the weathered sands with different sizes

根据试验结果，以掺砂比例为横坐标，以无荷膨胀率为纵坐标，绘制不同粒径风化砂改良膨胀土的无荷膨胀率与掺砂比例之间的关系图，如图7所示。

试验结果表明：

a.掺砂能抑制膨胀土的膨胀，掺入风化砂之后，膨胀土的无荷膨胀率降低。

b.同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的无荷膨胀率随着掺入粒径的增大而减小。这是因为砂粒越大，膨胀土膨胀时所要克服的颗粒间摩擦阻力越大，抑制膨胀的效果越好。

图7 无荷膨胀率与掺砂比例关系图Fig.7 The relation curve between the unload expansion rate and the sand proportion

c.同一粒径区间下，风化砂改良膨胀土的无荷膨胀率随着掺砂比例的增大而减小。这是因为掺入的风化砂越多，膨胀土膨胀时颗粒间的摩擦阻力越大，导致膨胀量减小。

5 改良膨胀土的收缩试验

为研究不同粒径风化砂改良膨胀土的收缩特性，对不同粒径风化砂改良膨胀土击实样进行了收缩试验（图8），试样直径61.8mm、高20mm，采用SS-1型收缩仪进行测试。试验结果见表5。

图8 收缩试验Fig.8 Shrinkage test photos

表5 风化砂改良膨胀土的收缩试验结果Table 5 Shrinkage test results of the expansive soil treated by mixing the weathered sands

根据试验结果，以掺砂比例为横坐标，分别以线收缩、体收缩、缩限及收缩系数为纵坐标，绘制不同粒径风化砂改良膨胀土的线收缩、体收缩、缩限及收缩系数与掺砂比例之间的关系图，如图9～图12所示。

试验结果表明：

a.掺砂能够抑制膨胀土的收缩。掺入风化砂之后，膨胀土的线缩率、体缩率和收缩系数均减小，缩限增大。

图9 线收缩与掺砂比例之间关系图Fig.9 The relation curve between the linear shrinkage and the sand proportion

图10 体收缩率与掺砂比例之间关系Fig.10 The relation curve between the volume shrinkage and the sand proportion

图11 缩限与掺砂比例之间关系Fig.11 The relation curve between the shrinkage limit and the sand proportion

图12 收缩系数与掺砂比例之间关系图Fig.12 The relation curve between the contraction coefficient and the sand proportion

b.同一掺砂比例下，随着掺入风化砂粒径的增大，膨胀土的线缩率、体缩率和收缩系数均逐渐减小，缩限逐渐增大。线缩率和体缩率的减小是因为风化砂的粒径越大，膨胀土在失水收缩的时候所要克服的颗粒的摩擦阻力越大；收缩系数的减小和缩限的增大是因为风化砂的粒径越大，改良膨胀土最大干密度越大，颗粒间压实较紧密，水分不容易散失。

c.同一粒径区间下，随着掺砂比例的增大，风化砂改良膨胀土的线缩率、体缩率和收缩系数均减小，缩限反而增大。这是因为随着掺砂比例的增大，土样中砂粒的增加，颗粒间的摩擦力有效地抑制了膨胀土的收缩，从而导致收缩裂缝的减小，土样中心部分的水分不易挥发出来。

6 改良膨胀土的直剪试验

为研究不同粒径风化砂改良膨胀土的抗剪强度特性，对不同粒径风化砂改良膨胀土击实样进行了直剪试验（图13）。试样直径61.8mm、高20 mm，采用四联应变控制式直剪仪进行试验，试验施加垂直荷载分别为100kPa，200kPa，300 kPa，400kPa，试验结果见表6。

根据试验结果，以掺砂比例为横坐标，分别以内摩擦角和黏聚力为纵坐标，绘制不同粒径风化砂改良膨胀土的内摩擦角、黏聚力与掺砂比例之间的关系图（图14、图15）。

试验结果表明：

a.掺砂改善了膨胀土抗剪强度特性，掺入风化砂之后，膨胀土的内摩擦角增大，黏聚力先增大后减小。

b.同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的内摩擦角随着掺入风化砂粒径的增大而增大，黏聚力也随着掺入粒径的增大而增大。这是因为砂粒直径越大，在剪切时克服颗粒间换位、移动和翻滚时的摩擦阻力越大，从而导致抗剪强度增大，具体表现为内摩擦角和黏聚力的增大。

表6 不同粒径风化砂改良膨胀土的直剪试验结果Table 6 Direct shear test results of the expansive soil treated by mixing the weathered sands with different sizes

图13 直剪试验Fig.13 Direct shear test photos

图14 内摩擦角与掺砂比例之间的关系Fig.14 The relation curve between the internal friction angle and the sand proportion

图15 黏聚力与掺砂比例之间的关系Fig.15 The relation curve between the cohesive force and the sand proportion

c.同一掺砂粒径下，风化砂改良膨胀土的内摩擦角随着掺砂比例的增大而增大，而黏聚力随着掺砂比例增大先增大后逐渐减小，且粒径越小，减小的趋势越快。当掺入粒径为1mm≤d＜2 mm和0.5mm≤d＜1mm时，掺砂20%时黏聚力达到最大值；当掺入粒径＜0.5mm时，掺砂10%时黏聚力达到最大值。这是因为掺入的风化砂越多，在剪切时克服颗粒间的摩擦力越大，从而导致内摩擦角增大；在掺砂比例较小时，黏聚力主要由土颗粒间的黏聚力、砂颗粒间咬合力及颗粒间摩擦阻力组成，当掺入比例增大到一定程度时，土颗粒含量的减少，导致土样中的黏聚力主要由砂颗粒间的咬合力和摩擦阻力组成，所以随着掺入比例的增大，黏聚力随着掺砂比例的增大先增大后减小。

7 结论

a.掺入风化砂能够有效地抑制膨胀土的胀缩特性，掺入风化砂之后，膨胀土的无荷膨胀率、线收缩率、体积收缩率均减小，说明掺砂改良膨胀土是可行的。

b.掺入风化砂能够改善膨胀土的压实特性，提高膨胀土的强度。掺入风化砂之后，膨胀土的最大干密度增大，内摩擦角增大，黏聚力先增大后减小。

c.同一掺砂比例下，掺入风化砂的粒径越大，改善膨胀土的特性效果越好。随着掺砂粒径的增大，膨胀土的无荷膨胀率、线收缩率和体收缩率均减小；内摩擦角、黏聚力、最大干密度及缩限均增大。

d.同一掺砂粒径下，随着掺砂比例的增大，膨胀土的最佳含水率、无荷膨胀率、线缩率和体缩率均降低；缩限和内摩擦角均增大；黏聚力随着掺砂比例的增大先增大后减小。当粒径为1mm≤d＜2mm和0.5mm≤d＜1mm时，掺砂20%时黏聚力达到最大值；当粒径＜0.5mm时，掺砂10%时黏聚力达到最大值。

e.最大干密度的变化趋势随着风化砂粒径的改变而改变，当粒径为1≤d＜2mm时，最大干密度随着掺砂比例的增加而增大；当粒径为0.5 mm≤d＜1mm时，最大干密度随着掺砂比例的增大先增大后逐渐减小，掺砂30%时，最大干密度达到最大值；当粒径＜0.5mm时，最大干密度随着掺砂比例的增大先增大后减小，掺砂20%时，最大干密度达到最大值。

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