膨胀性混合土路用性能试验研究

李佑珍， 康 杰， 邵昀泓

(1.浙江交通职业技术学院， 杭州 311112； 2.浙江工业大学 土木工程学院， 杭州 310023)

在公路或铁路路桥过渡段，地基及路基易发生显著工后沉降，而结构物(如桥台)因基础及其自身刚度大而无明显沉降，由此形成了路桥过渡段不均匀沉降[1-2]。若不均匀沉降超出容许范围，将诱发“桥头跳车”及其他次生病害，严重威胁行车安全和公路正常运营。

长久以来，工程技术人员开展了广泛而深入的研究，研发出了多种多样的“桥台跳车”处治技术，如表面加铺[3-4]、土工加筋[5-7]、顶管渐变置换法[8]、桥头搭板[9-10]、轻质回填[11-12]、压力注浆[13]等，并用于不同工况下路桥过渡段不均匀沉降防治或病害修复，取得了一定效果，但均未能较好地解决“桥头跳车”问题。为此，基于在役期间填料膨胀补偿地基及路基工后沉降的原理，荆学松和周世松[14-15]提出在路桥过渡段回填膨胀填料，以减小不均匀沉降并防治“桥头跳车”。

本文采用这一思路，研究膨胀性混合土是否能用于路桥过渡段病害修复。通过无侧限抗压强度、CBR、直剪、渗透和膨胀试验，研究最佳配合比条件下的膨胀填料掺入工程废弃土组成的膨胀性混合土试样的路用性能，分析给出膨胀填料掺量、龄期和含水量对膨胀性混合土无侧限抗压强度的影响规律及一定配合比下CBR、抗剪强度(直剪)、渗透系数和膨胀率的变化规律，为路桥过渡段台背回填膨胀性混合土提供设计依据。

1 试验简介

1.1 试验材料

1) 膨胀填料

选取P·O 42.5的硅酸盐水泥、生石灰和火电厂脱硫石膏作为原材料，粉碎研磨成细小颗粒。硅酸盐水泥、脱硫石膏的化学成分组成如表1、表2所示。在法向应力100 kPa～1 000 kPa条件下，对不同配合比的膨胀填料进行膨胀试验，测得不同配合比膨胀填料膨胀率，如表3所示。

由表3可知，在水泥∶生石灰∶脱硫石膏配合比为1∶2∶5时，膨胀填料法向压力σn由100 kPa增至1 000 kPa，其膨胀率由1.27减小至1.09，在此配合比条件下，膨胀填料的膨胀性能较优，且膨胀性能受压力的增加影响较小，故选此配合比为最佳配合比。

2) 工程弃土

选用某地铁隧道开挖工程中的弃置土(以粉砂土为主)作为原材料，其级配曲线如图1所示，弃置土级配良好，相关物理指标如表4所示。

表1 硅酸盐水泥P·O 42.5化学组成 %

表2 脱硫石膏化学组成 %

表3 膨胀填料的膨胀率

图1 工程废弃土(粉砂土)级配曲线

表4 工程废弃土(粉砂土)物理指标

以一定的体积百分比将膨胀填料掺入到工程废弃土(粉砂土)中，组成不同配比的膨胀性混合土。通过室内击实试验测得膨胀性混合土的最佳含水率为8%，最大干密度为1.75 g/cm3。

1.2 试验方案

采用单因素控制法开展膨胀性混合土的基本路用性能试验，试验方案如表5所示。

1) 无侧限抗压强度试验：考虑膨胀填料掺量、龄期和含水率3个影响因素，研究混合土无侧限抗压强度变化规律。

2) CBR试验：测定膨胀填料掺量对含水率8%、龄期7 d的膨胀性混合土CBR值的影响，用来评估混合土回填路基的承载力。

3) 直剪试验：测定膨胀填料掺量20%、含水率8%、龄期7 d的混合土在不同法向压力(100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa)下的抗剪强度参数(内聚力c和内摩擦角φ)，为路桥过渡段回填设计提供参考。

4) 渗透试验：测定膨胀填料掺量对龄期7 d的饱和混合土渗透性的影响，以便评定路桥过渡段回填路基的渗透性能。

5) 膨胀试验：测定不同法向压力(100 kPa、200 kPa和400 kPa)下，膨胀填料掺量20%和含水率8%的混合土膨胀率随不同时间(龄期)的变化规律，用来评估其体积稳定性。

表5 膨胀性混合土路用性能试验方案

1.3 试验方法

采用《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[16](简称规程)方法对膨胀性混合土进行下列试验。

1.3.1 无侧限抗压强度

1) 试验仪器：应变控制式无侧限抗压强度仪。

2) 试样制备：按照规程中有关无侧限抗压试验的要求，将膨胀性混合土制备为40 mm×100 mm的土样，养护7 d、28 d、45 d和60 d以备测试。

3) 试验过程：在养护好的试样两端涂上凡士林，将制备好的试件放在应变控制式无侧限抗压强度仪下加压板上，以轴向应变1%/min～3%/min的速率转动手轮，当轴向应变<3%时，每隔0.5%记录百分表读数1次；当轴向应变>3%后，每隔1%记录百分表读数1次。当百分表达到峰值或读数稳定时，再继续试验3%～5%轴向应变值即可停止试验。如读数无稳定值，则轴向应变达20%时即可停止试验。

1.3.2 CBR试验

1) 试验仪器：路强仪。

2) 试样制备：按照规程中有关CBR试验的要求，筛除风干土样(必要时可在50 ℃烘箱内烘干)中粒径大于40 mm的部分土体，用木碾捣碎风干土样，使土样可通过5 mm的圆孔筛，测定试样的最大干密度和最佳含水率。

将试样分3层装入试筒并击实，每层击实数分别为30次、50次、98次。击实成型后，将试样与多孔板放入水槽，向水槽内放水至试件顶面以上25 mm，浸泡4昼夜。

3) 试验过程：取出浸泡后的试件，放到路面强度仪升降台上，将百分表调零，使贯入杆以1 mm/min～1.25 mm/min的速率压入试件，记录百分表读数。

1.3.3 直剪试验

1) 试验仪器：应变控制式直剪仪。

2) 试样制备：按照规程中有关直剪试验的要求，用切土刀将试件削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直向下压，边压边削，至土样伸出环刀上部为止，削平环刀两端，擦净环刀外壁。

3) 试验过程：将试样缓缓推入剪切盒内，移去环刀；在仪器内使试样浸水饱和，之后转动传动装置，使上盒的前端钢珠刚好与测力计接触，测力计读数调零；施加法向压力，拔去固定销，以0.8 mm/min～1.2 mm/min的速率对试样进行剪切；每0.2 mm～0.4 mm水平位移，记录测力计和位移计读数1次，直至试样剪坏结束试验。

1.3.4 渗透试验

1) 试验仪器：渗透仪。

2) 试样制备：按照规程中有关渗透试验的要求，取代表性土样3 kg～4 kg，测定含水率。将土样分层装入仪器，每层厚2 cm～3 cm，用木锤轻轻击实到一定厚度。每层试样装好后，慢慢开启止水夹，水由筒底向上渗入，使试样逐渐饱和。用吸水球进行调整使测压管与溢水孔齐平。

3) 试验过程：调整调节管，形成水位差，测压管水位稳定后，测记水位，计算水位差；使水渗透试样，并经调节管流出，用秒表计时，测定流量；继续调整调节管，进行多次测试。

1.3.5 膨胀试验

1) 试验仪器：固结仪。

2) 试样制备：按照规程中有关膨胀试验的要求，在环刀内壁均匀涂抹薄层凡士林，切取代表性原状土试样或所需状态的击实试样，修平两面，制成高度为20 mm的试样。

3) 试验过程：校准仪器，加好透水石和盖板，放入试样，变形稳定时即变形不超过0.01 mm/h时可认为变形稳定，可进行注水，加砝码；每2 h读一次百分表数据，差值小于0.01 mm 时即可停止。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 膨胀填料掺量的影响

在最佳含水率8%、养护龄期7 d条件下，对不同膨胀填料掺量的试样进行试验，并对含脱硫石膏与不含脱硫石膏的膨胀填料试样进行对比分析，试验结果如图2所示。

图2 养护龄期7 d膨胀性混合土的无侧限抗压强度与膨胀填料掺量关系

鉴于不同龄期下膨胀填料的无侧限抗压强度变化规律相似，现以7 d龄期测试结果为例进行分析。由图2可知：

1) 对于不含脱硫石膏试样，混合土的无侧限抗压强度随膨胀填料掺量增加而增加，当掺量为20%时达到峰值，当掺量为25%时略有下降，无侧限抗压强度仅为0.63 MPa，原因是膨胀填料中生石灰水化产物Ca(OH)2增至一定含量后，Ca(OH)2的胶结作用有所衰减。

2) 对于含脱硫石膏试样，混合土的无侧限抗压强度随膨胀填料掺量的增加显著增加，原因是水泥水化产物产生的骨架作用和脱硫石膏与Ca(OH)2反应产物产生的凝结硬化作用，均使混合土的强度增加。掺量20%的试样7 d无侧限抗压强度达到0.96 MPa，掺量25%时可达1.07 MPa。

依据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[17]，石灰类稳定土底基层无侧限抗压强度大于0.8 MPa即可满足要求。因此，膨胀填料(硅酸盐水泥∶生石灰∶脱硫石膏=1∶2∶5)掺量20%的膨胀性混合土可满足路桥过渡段路基填料的技术要求。

2.1.2 龄期的影响

在最佳含水率8%条件下，对不同膨胀填料掺量、不同龄期的试样进行试验，并对试样无侧限抗压强度测试结果进行对比分析，试验结果如图3所示。

图3 膨胀性混合土无侧限抗压强度与龄期关系

由图3可知：1) 膨胀填料掺量越高，混合土的无侧限抗压强度越大；2) 龄期越长，混合土的无侧限抗压强度越大；3) 掺量小于10%时，龄期越长，土的强度变化(增加)越小；掺量大于15%以后，龄期越长，混合土的强度变化(增加)相对越大；4) 当龄期大于等于45 d时，混合土的无侧限抗压强度增长缓慢。

依据上述变化规律，在掺量20%条件下且45 d龄期后，混合土的强度增长较为缓慢，原因是膨胀填料中的水泥、活性CaO已大部分发生反应，混合土的强度增长趋于稳定，而膨胀填料中后续分解出的CaO或CaSO4的水化反应又可使混合土后期强度缓慢增长。

2.1.3 含水率的影响

在养护龄期7 d条件下，对不同含水率、不同膨胀填料掺量的试样进行无侧限抗压强度试验，结果如图4所示。

图4 不同填料掺量下的膨胀性混合土无侧限抗压强度与含水率关系

由图4可知：1) 对于不同膨胀填料掺量的混合土，其无侧限抗压强度随含水率的增大而增大；2) 对比含水率为8%与5%的混合土，前者强度较后者增长10%及以上；而对比含水率为12%与8%的混合土，其强度增长不太明显。

含水率过高(大于20%)，试样难以成型，不能承受外部荷载作用。含水率过低(低于5%)，试样强度较低，亦不能满足路基设计要求。上述试验再次表明：8%含水率为最佳含水率。在该条件下，膨胀填料可发生充分水化反应，从而获得足够稳定的强度。

2.2 CBR试验

对最佳含水率为8%、龄期为7 d及不同膨胀填料掺量的混合土进行CBR试验，结果如图5、图6所示。由图5、图6可知：随膨胀填料掺量增加，混合土的干密度减小，而CBR值则增加，但20%掺量与25%掺量CBR值差异不大，20%掺量的CBR值已达约40%。

《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)[18]中，路基填料最小CBR值要求如表6所示。

图5 膨胀性混合土的干密度与膨胀填料掺量关系

图6 膨胀性混合土的CBR与膨胀填料掺量关系

由表6可知，对于不同膨胀填料掺量的膨胀性混合土，其CBR值均可满足规范要求的高等级公路不同层位路基CBR设计要求。

表6 路基填料最小CBR值要求[18]

2.3 直剪试验

对最佳含水率为8%、养护龄期为7 d及膨胀填料掺量为20%的混合土进行直剪试验，结果如图7、图8所示。

由图7可知：1) 在某一法向压力σn下，剪切位移随剪应力增加而增加；2) 除σn=200 kPa外，曲线皆有软化；3) 峰值剪应力(直剪强度τf)随法向压力增加而增加，对应的剪切位移随法向应力增加呈先增后减变化。

图7 膨胀性混合土剪应力与剪切位移关系

图8 膨胀性混合土抗剪强度包线

由图8可知：1) 混合土的直剪强度随法向压力增加而增加，在100 kPa～400 kPa范围内，抗剪强度由73.6 kPa增至268.4 kPa；2) 强度包线为一不通过原点的直线，内摩擦角φ=32.8°，粘聚力c=5.4 kPa；3) 混合土内聚力近于0，原因是混合土中粉砂所占百分含量较大，而膨胀填料水化产生产物具有一定的胶结作用，从而使混合土表现出较小内聚力。

2.4 渗透试验

对7 d龄期不同膨胀填料掺量的饱和膨胀性混合土进行渗透试验，结果如图9所示。

图9 膨胀性混合土渗透系数与水力梯度关系

由图9可知：1) 不掺膨胀填料的混合土渗透系数约为 5×10-4cm/s；2) 随着水力梯度的增加，混合土的渗透系数先明显减小而后略有增加；3) 随着膨胀填料掺量的增加，混合土的渗透系数显著减小，在最佳掺量20%时渗透系数接近1×10-4cm/s。由此表明：膨胀填料的掺入对台背回填路基的渗透性影响较大，但仍有较好的渗透性能，不会影响雨季台背路基的渗透排水效果。

2.5 膨胀试验

在法向压力100 kPa、200 kPa和400 kPa条件下，对最佳含水率8%和膨胀填料掺量20%的膨胀性混合土进行膨胀试验，结果如图10所示。

图10 不同法向压力下膨胀性混合土膨胀率与时间的关系

由图10可知：在最初3 d内，混合土膨胀率的增速很快，法向压力分别为100 kPa、200 kPa和400 kPa时，膨胀率分别为28%、22%和14%；自第5 d开始，膨胀率的增速变小，而自第10 d开始膨胀率的增速趋于0，即时间超过10 d后，混合土的膨胀率趋于常数，其体积保持稳定，不再发生体积膨胀或收缩。

上述膨胀试验表明：在路桥过渡段回填施工期(通常大于10 d)内，膨胀性混合土就可达到膨胀稳定，不会对桥台或其他结构造成损害。

3 结束语

为了采用膨胀填料补偿地基/路基工后沉降以防治“桥头跳车”，本文对膨胀性混合土的路用性能开展了相关试验研究，结论如下：

1) 随着膨胀填料掺量的增加，膨胀性混合土无侧限抗压强度随膨胀填料掺量、龄期和含水率的增加而增大。掺量20%、龄期28 d和最佳含水率8%条件下，膨胀性混合土的无侧限抗压强度达到0.80 MPa及以上。

2) CBR试验表明：最佳含水率为8%、龄期为7 d及不同膨胀填料掺量的膨胀性混合土的CBR均达到20%以上，可满足相关设计规范中不同层位路基的承载力要求。

3) 直剪试验表明：最佳含水率为8%、龄期为7 d及膨胀填料掺量为20%的膨胀性混合土的强度特性类似于弱胶结粉砂土，直剪强度随法向压力增加而线性增加，内摩擦角φ=32.8°，内聚力c=5.4 kPa。

4) 渗透试验表明：7 d龄期不同膨胀填料掺量的饱和膨胀性混合土的渗透系数随水力梯度和膨胀填料掺量的增加而显著减小，在最佳掺量20%时渗透系数接近1×10-4cm/s，仍可保持较好的渗透性能。

5) 膨胀试验表明：含水率8%和膨胀填料掺量20%的膨胀性混合土在3 d内快速膨胀，自第5 d膨胀变缓，第10 d时趋于膨胀稳定，之后体积保持不变，不会损坏工程结构。