土质改良法改性膨胀土试验研究

□李晓红□张 华□孟 玥

（1河南省水利科学研究院；2河南省河口村水库管理局；3河南科源水利建设工程检测有限公司）

土质改良法改性膨胀土试验研究

□李晓红1□张 华2□孟 玥3

（1河南省水利科学研究院；2河南省河口村水库管理局；3河南科源水利建设工程检测有限公司）

膨胀土作为一种区域性特殊土，它含有大量的亲水矿物，在湿度变化时发生较大体积变化，当其变形受到约束时可产生较大的内应力，土的不良工程性质会对路基和边坡造成严重破坏，目前国内外对膨胀上作过很多处治方法的研究，文章采用土质改良法，即向膨胀土中掺入不同比例的非膨胀土，并对混掺后的改良土进行了一系列的室内试验研究，得到不同配合比改良土的物理、力学指标，通过对其数据的比较与分析，找到符合工程技术要求且经济的改良方案和掺量。

膨胀土；土质改良法；颗粒级配曲线；液塑限；自由膨胀率

1 引言

膨胀土指土中含有大量亲水性粘土矿物成分（主要有蒙脱石和伊利石），在环境湿度和温度变化影响下，可产生强烈涨缩变形的高塑性粘土。膨胀土在我国多个省份广泛分布，它经常会给人类工程活动造成麻烦，尤其是对轻型房屋和构筑物、道路、机场跑道等危害更大，膨胀土边坡常常会发生失稳事故。针对这种不良土质进行研究和探讨，了解膨胀土的特征和特性，从而采取切实可行的工程技术处治措施，确保与膨胀土有关工程的安全、提高建设的质量，是值得深入研究和探讨具有重要意义的课题。

许多的工程师、建筑师、结构师们都在寻求减少膨胀土危害的有效方法和途径。他们的方法大部分来自于反复试验。想通过机械稳定的方法来达到效果，可是最终发现要彻底使之稳定，必须要改变膨胀粘土的物理化学性质。于是，岩土工程师们就寻求土壤科学家和地质学家们的知识去寻求提高粘土性能的方法。McCallister and Perty（1990）[1]的研究表明为了提高改良土的耐久力，土中必须加入足够的生石灰使之能够进行一定的凝硬反应。Al-Mhaidib（1996）等[2]的研究表明，固化膨胀土的石灰掺量有一个最佳范围，应针对不同膨胀土参数得出石灰的最佳掺量不同。Little（1999，2000）[3，4，5]已经在室内实验及现场测试中得出了决定灰土混合物的工程性质的物力基础。张涌[6]在宁夏古王公路膨胀土路基处理中使用改性处理方法，利用NCS固化剂及消石灰分别对古王公路沿线几种典型的膨胀土进行改性处理，并在室内进行了外掺混合料的液限和塑限试验、自由膨胀率试验及CBR试验。西安地质学院的肖荣久、邓媛华等[7]对陕南膨胀土的3种典型土样进行了石灰改良性能分析得到很好的效果。

文章采用土质改良法，向膨胀土中掺入不同比例的非膨胀土，并对混掺后的改良土进行一系列的室内试验，得到不同配合比的改良土的物理、力学指标，通过对其数据的比较与分析，找到符合工程技术要求且经济的改良方案和掺量。

2 试验材料及方案

2.1 原材料

南水北调中线工程总干渠沿线涉及的膨胀土地区范围广、工程地质条件复杂，任何局部的边坡失稳、衬砌结构的破坏都可能影响渠道的正常输水。南水北调中线工程总干渠明渠段渠坡或渠底涉及到膨胀土的长度约340 km，主要分布在河南南阳一带。试验用土选择的膨胀土取土区为南水北调南阳段。为方便运输与试验研究，非膨胀土取土区位于膨胀土取土区周边。膨胀土的自由膨胀率为80%，按膨胀土涨缩等级的划分，60≤δef＜90为中等膨胀土。非膨胀土的自由膨胀率为19%。膨胀土最大干密度为1.59 g/cm3，对应的最优含水率为24%。颗粒分析结果见表1。粘粒含量为42.30%，按照中膨胀土粘粒含量介于35%～50%，试验土料为中膨胀土。通过液塑限试验得出，膨胀土的液限ωL10=52.90%,塑限ωP10=25.60%,塑性指数ωL10=27.20。非膨胀土的液限ωP10=30.90%，塑限ωP10=16.80%,指数Ip10=14.10。根据膨胀土的分类标准，塑性指数IP10介于25～35为中膨胀土，＜18为非膨胀土。

2.2 试验方案

向膨胀土中掺入不同比例的非膨胀土会产生不同的力学性质，其中定会产生一个最佳的配合比，使膨胀土的“失水收缩，遇水膨胀”的性质最接近工程要求。

本试验采用了以下比例对膨胀土与非膨胀土混掺，膨胀土︰非膨胀土分别为9︰1；4︰1；7︰3；3︰2；1︰1。并对混掺后的改良土的颗粒级配、自由率、及液、塑限等指标进行室内试验研究。

3 结果与分析

3.1 改良土的颗粒分析试验结果

改良土的颗粒分析实验结果如表1所示。

表1 颗粒分析表

由试验结果，结合膨胀潜势的划分可得出：

一是，由于＜0.005的黏粒含量为42.30，在35～50范围之内，可以得出该膨胀土为中膨胀土。

二是，随着掺入非膨胀土的增加，土中黏粒含量降低，该膨胀土逐渐由中膨胀土转变为弱膨胀土，膨胀性能减弱。

3.2 改良土的液限和塑限指标

表2 不同配合比改良土的液限与塑限表

由试验结果表2可得：随着非膨胀土掺入比例的增加，新土样的液限和塑限都在下降，塑性指数也随之下降，膨胀土由原来的中膨胀土变为弱膨胀土，膨胀性能减弱。

3.3 改良土的自由膨胀率

由试验结果可知：随着掺入非膨胀土比例的增加，膨胀土自由率呈降低的趋势，原因是掺入了非膨胀土后，黏粒含量的比例降低，膨胀潜势降低了。采用回归分析，非膨胀土掺量和自由膨胀率之间存在线性的递减关系，拟合公式为δef=-0.61x+80.14。其中，δef为自由膨胀率，单位%，x为非膨胀土掺量，单位%。

表3 混掺后的自由膨胀率表

4 结论

膨胀土的改良是膨胀土工程地基处理研究领域中的重要课题之一。结合南水北调渠道工程，参照相关规范，对南水北调南阳段进行了室内改良试验，得到了以下结论：第一，由颗粒分析试验可知原膨胀土为中膨胀土。随着掺入非膨胀土的增加，该膨胀土逐渐由中膨胀土转变为弱膨胀土，膨胀性减弱。第二，随着非膨胀土掺入比例的增加，新土样的液限和塑限指数都在下降，塑性指数也随之下降，膨胀土由原来的中膨胀土变为弱膨胀土，膨胀性能减弱。第三，膨胀土、非膨胀土以及它们混掺后的自由膨胀率由试验结果可以看出：膨胀土的自由膨胀率较高（80），为中膨胀土。非膨胀土的自由膨胀率较低（19），它们混掺后随着非膨胀土比例增加自由膨胀率逐渐下降，由原来的中膨胀土变为了弱膨胀土。且随着掺入量增加而自由膨胀率变得越小。第四，根据工程实际要求，结合当地经济因素，参考该方案的一系列的室内试验结果，可知，膨胀土︰非膨胀土为2：3时，为该改良土的最佳配合比。

（责任编辑：刘 青）

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2016-08-19