公路工程中膨胀土判别试验研究

李承祥

摘要：膨胀土所具有的吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质，对路基的破坏作用不可低估，并且构成的破坏是不易修复的。为了保证道路在较长时间内路基的稳定和路面的平整度，达到安全舒适行车的目的，必须做好膨胀土的判别。 在本文中，将就公路工程中膨胀土判别试验进行一定的研究与分析。

Abstract： The expansive soil has the characteristics of water absorption expansion， water loss shrinkage and reciprocating deformation， which have the imponderable destructive effect on the subgrade and the damage is not easy to repair. In order to ensure the stability of the roadbed in a long period of time and the smoothness of the road surface， to achieve the purpose of safe and comfortable driving， we must do a good job of expansive soil. In this paper， the study of the expansive soil in highway engineering is studied and analyzed.

关键词：公路工程；膨胀土；判别试验

Key words： highway engineering；expansive soil；discrimination test

中图分类号：U412.22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0105-03

0 引言

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的膨胀土性质极不稳定。如果在建筑施工中用在了不适合的工况下，会造成建筑物开裂，地坪、公路路面则会出现纵向长条和网格状的裂缝。尤其对公路工程来说，膨胀土所具有的吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质，对路基的破坏作用不可低估，并且构成的破坏是不易修复的。为了保证道路在较长时间内路基的稳定和路面的平整度，达到安全、舒适行车的目的，必须做好膨胀土的判别。在本文中，将就公路工程中膨胀土判别试验进行一定的研究与分析。

1 膨胀土的特点及其对公路工程的影响

膨胀土是一种富含亲水性矿物，并且随含水量增减，体积发生显著胀缩变形的高塑性粘土。膨胀土一般承载力较高，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。

对公路工程来说，膨胀土吸水膨胀，失水收缩，属于容易变形软弱土。若用在路基施工中，必然不利于路基稳定，严重的情况下会对路基构成不可修复的破坏。为了保持路基稳定，确保行车安全、舒适，施工前应该采用正确的方法对膨胀土进行判别。另外，对已完工的公路工程，準确地了解膨胀土的特性及变化的条件，就能够获知地基变形趋势，进而采取有效的应对措施。

2 膨胀土判别试验——标准吸湿含水率的试验

2.1 标准吸湿含水率试验概念

标准吸湿含水率是指在标准相对湿度以及温度条件下，土样恒重后的含水率，该指标能够反映出土样在标准条件下所具有的最大持水能力。

在标准吸湿含水率试验，将膨胀土试样在经过处理之后放置在具有溴化钠溶液的容器当中，在固定温度下，该溶液能够以较为精确的形式实现干燥箱当中水蒸气分压的确定，之后，再将其放置在恒温试验室当中称重。

2.2 试验原理

2.2.1 BET方程

目前，BET方程被广泛的应用在不同土体类型当中。在BET当中，其假定在土粒表面具有第一层气体分子的吸附，同第二、第三层相比，具有更大的能量。在第一层气体吸附中，其能量具有一定的固体特性，且随后的吸附热同自身液相具有相适应的特征。对该吸附理论来说，其在以动力学原理为基础的情况下，通过应用重点研究了两条假设：一是在吸附平衡的工况下，第n层分子层上裸露的气体分子的吸附速度，与第n+1层分子的逃逸速度一致；二是除首层吸附分子以外的各层分子所具有的吸附热与气体液化热相等。在对不同气压状况下吸附气体的体积进行测定后，通过BET公式的应用即能够对每一克土壤之上形成分子层的气体数量需求进行求出，之后再根据气体分子大小做好土壤表面积的计算。对于该种方式来说，其在具体测定当中具有较为复杂的特征，且具有较高的条件要求，因气体无法进入晶层间，所测得的表面积只是外表面积，该特性的存在，则使其并不适用于膨胀性矿物。除了该方式之外，另一种方式即极性有机分子吸附，即先使极性有机分子成单分子或双分子层吸附于土壤颗粒表面，基于吸附的重量以及有机分子的大小，通过运算得到土壤的总表面积。

2.2.2 土粒表面水

在蛭石中，很多水化无机阳离子都具有较为稳定的晶层间距，其中镁离子就是一个比较特殊的例子。晶层间距产生过渡的温湿度即为阳离子的函数，这种现状可见于所有膨胀性硅晶层，且阳离子饱与晶层过渡阶段从1.2至1.5nm往往会在同一湿度情况下发生，而贝得石、钙饱和皂石等晶层也将在同样的相对湿度情况下使被置换蛭石晶层在间距方面发生变化，而对从八面体晶层置换的则不会发生变化。钠晶层即具有部分近似或者近似情况发生，而晶层间距同含水量间也不存在对应关系，即在1.2nm以上以及1.5nm以上这两个阶段，其具有较为稳定的含水量，且形成具有连续特征的系列。

2.3 试验目的

在《公路土工试验规程》JTG E40-2007中，已经介绍了两种对土的标准吸湿含水率的试验方法，一种是干燥缸法，一种是恒温恒湿箱法。这两种方法中，干燥缸法可以准确的控制湿度，但是要想控制温度需要在室内配置两台冷暖空调以保证温度；而恒温恒湿箱法虽然可以准确地控制试验需要的温湿度，但是需要重新配置一台新的恒温恒湿箱用于试验，这既提高了费用，同时又增加了试验室建设成本。这两种试验方法的成本都很高，为了节约成本，提高检测方法的适应性，本文在两种试验方法的基础上进行了改良，具体如下。

2.3.1 试验装置

试验装置分为两个部分，一是温度控制部分，由水泥胶砂恒温恒湿养护箱（温度控制范围20±2℃），另一部分是湿度控制组件，由干燥缸配套溴化钠饱和溶液控制湿度。在具体操作中，其将通过布朗运动实现土粒在水方面吸附的平衡性，对此整个试验具有较长的平衡时间。

在试验中，所使用的其他设备有：

①烘箱：使用电热烘箱保持温度，也可以基于现实需要选择红外线烘箱；

②电子天平：感量为0.001g；

③铝盒：直径与土壤水分蒸发速度间具有正比关系的铝制称量盒，其高度需要控制在1.5cm以内，直径在6cm以内；

④干燥器：需要盛有氯化钙或其他干燥剂。

2.3.2 试验试剂

采用蒸馏水配置1000mL溴化钠溶液，溶液中可以有结晶，以确保配置好的盐溶液为饱和溶液。

2.3.3 试验步骤

①将洁净的铝盒放置在恒温状态下烘3-4h，在取出后在干燥器当中冷却到室温状态，并使用天平进行称量m0，具体操作时即可以按照此方式反复操作，直至恒重为止；

②择取典型天然土体试样，用小刀将土样切削成薄片状，将其放置在已知重量小铝盒当中，并在盒底为止做好土样的平铺，之后计量好湿土以及盒子的总重m1；

③将完成配置后的溴化钠溶液放置在干燥缸底部；

④将盒盖打开，直接将装有土样的小铝盒放置在干燥缸的多孔板上，盖上干燥缸的盖板，使用甘油在接口位置做好密封处理；

⑤将密封好的干燥缸放入水泥胶砂恒温恒湿养护箱中，调节温度控制器，使其温度控制在20±2℃范围内；

⑥试验期间，每天取出土样进行读数的测度，对湿土与盒进行称重，直至试样达到恒重；

⑦将完成恒定的土样放置到烘箱中，在105-110℃环境下烘焙12h；

⑧将铝盒打开，将其放置到氯化钙干燥器中放置到室温称量；

⑨将铝盒再次放入到烘箱当中，在恒温下烘焙3-4h，将铝盒打开后盖好盒盖，将其放入到盛有氯化钙干燥器后放置称量，直至恒重m2。

2.3.4 计算

按照下面公式计算土的标准吸湿含水率：

■×100%

3 验证试验方法可靠性

3.1 试验方法

为了比较本试验方法对土的标准吸湿含水率检测结果的准确程度，在本试验中，选择中铁十七局集团第三工程有限公司在利淮高速公路第三合同段的膨胀土。对配置好的土样进行分组，第一组按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007中的干燥缸法进行试验，第二组按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007中的恒温恒湿箱法进行试验，第三组按照本文中设计的试验方法进行试验。

3.2 试验结果

在对土样进行标准吸湿含水率试验后得到表1所示试验结果。

■

4 结论及建议

在该公司利淮高速公路三合同段施工中，遇到了部分土质为膨胀土的施工段，由于该试验室在建设之初未考虑膨胀土的相关试验，为了节约成本，通过对试验方法、试验装置的具体研究，在不增加设备和增盖试验室用房的前提下，利用现有仪器（水泥试验用恒温恒湿养护箱），完成了膨胀土辨别工作，为后续工程建设提供指导，具有积极的研究意义。另外，虽然本文的研究重点是“膨胀土判别试验”，但仍有必要简要介绍几种膨胀土地基的处理方法，以作补充完善。一般来说，膨胀土地基常用的处理方法有五种：

①采用非膨胀性材料/灰土做换土，根据变形计算结果控制换土厚度。

采用砂、碎石处理平坦场地上I、II级膨胀土地基，垫层宽于基底宽度，厚度至少为300mm，同样采用与垫层相同的材料填筑基底两侧，并做好基底防水。换土后，基底承载力会大大提升，能够彻底改善地基土性质，并且能缩短工期。

②改良土质。

采用化学剂或具有非膨胀特性的水泥、石灰掺入膨胀土中，能够大幅度降低膨胀土的塑性指数及膨胀潜势，进而可降低或消除其膨胀特性。

③采用桩基。

如果膨胀土层过厚，需要使用桩基，桩尖支承在非膨胀土层上，或支承在大气影响层以下的稳定层上。

④预湿膨胀。

工前对土掺水使其吸水膨胀，并维持其高含水率，这样以来，土的体积将将基本不会发生变化，就不会造成结构破坏。

⑤隔水法。

膨胀土吸水膨胀后含水率的变化是其对地基造成危害的根源所在，可通过技术措施彻底隔断基底下的渗水，以确保膨胀土无水可吸，这样也能确保地基稳定。目前有多种处理措施，要根据不同的工况确定单独使用还是综合采用。

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