淮河临淮岗工程膨胀土物理力学性质试验研究

占世斌 张胜军 周蕙娴 刘章静 王波

摘要：为研究淮河临淮岗工程坝体裂缝成因，对坝体土进行了物理化学组分试验分析、不同压力下的力学性质试验分析、水力学试验及不同掺灰比情况下的改性土试验。试验结果表明：在用于坝体填土的黏土矿物中，蒙脱石和蒙脱石-伊利石混层含量高，具弱膨胀性和收缩特性，是坝体裂缝发育的根本原因;培厚的弱膨胀土在掺4%与8%的石灰时，工程性质无明显区别;考虑施工拌和与工程安全等因素，推荐6%石灰掺量的膨胀土改性方案。研究成果可为坝体填筑工程中的膨胀土应用提供参考。

关键词：膨胀土; 改性膨胀土; 物理力学性质; 加固处理; 淮河临淮岗工程

中图法分类号：TU452文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.016

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0089 - 05

0引 言

中国膨胀岩土分布广泛，主要分布在北纬22°～30°、东经100°～120°的范围内的630个县。为节约建设投资，膨胀土地区的工程建设常需利用膨胀土进行填筑。目前，膨胀土多用于公路、铁路路基及渠道渠坡填筑形成的膨胀土边坡，如襄荆高速公路荆门段路堤长约21 km的膨胀土边坡、南昆铁路在广西田东和百色盆地长约42 km的路堤膨胀土边坡、南水北调中线工程干渠长约387 km的膨胀岩土渠道。膨胀土作为一种典型的非饱和土，具有显著的吸水膨胀软化和失水收缩开裂特性，对水利、道路等工程建设的危害较大。由于膨胀土防治困难，其工程问题长期受国内外学术界和工程界的高度重视。如钮新强、蔡耀军等对膨胀土开挖边坡稳定性、膨胀土边坡变形破坏类型、破坏机理及工程处理措施做了相关研究[1-3]。工程中一般对膨胀土进行改良，如换土、化学固化等;其中，化学固化因具有较高的性价比而受到人们广泛重视：通过在膨胀土内掺入有效的固化剂，使其与膨胀土内部颗粒进行作用，降低膨胀土的膨胀性及吸水性，进而提高膨胀土的强度。化学固化的主要方法有掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠、氯化钙和磷酸等，其中，掺入石灰或水泥作为固化剂是改良膨胀土最普遍和实用的方法[4-8]。杨俊等[9]在膨胀土中掺入石灰、水泥、粉煤灰、风化砂改良土并进行了有荷膨胀率试验，结果表明：掺入石灰后有荷膨胀率减小量最大，其次是水泥。但是，将膨胀土应用于坝体填筑的工程较少，相应的研究也少。

安徽霍丘淮河临淮岗工程土坝为1962年建成的均质坝，是临淮岗大洪水控制工程;其主坝长7.7 km且最大坝高17 m，南副坝长10.3 km且最大坝高10 m，坝体有多处纵横裂缝，最宽可达6 cm。为探明裂缝形成原因，需对坝体填筑土的基本物理力学性质及胀缩性进行试验研究，并在此基础上对土体进行改良试验，进而为坝体稳定性分析及工程处理措施提供依据。

1 坝体填筑土物理力学性质

1.1物质成分

临淮岗工程筑坝坝体的土颗粒组成以细粒土为主，砂粒含量占5%，粉粒53%，黏粒42%，胶粒30%;矿物成分中，粒狀矿物石英占25%～30%、长石占5%～10%，黏土矿物中蒙脱石和蒙脱石-伊利石混层（以下简称“蒙伊混层”）含量为30%左右、伊利石15%～20%、高岭石5%～12%;化学成分主要是SiO2，Al2O3，Fe2O3三种氧化物，占化学成分总量的85%以上。阳离子交换量为24.36～32.40 cmol/kg，比表面积为208～312 m2/g，pH值为8.18～8.65，有机质含量为4.38～11.69 g/kg;胶结物中游离SiO2含量为3.03～4.47 g/kg，游离Al2O3为6.30～11.10 g/kg，游离Fe2O3为11.87～21.31 g/kg。

1.2胀缩特性

对筑坝的土料进行自由膨胀率试验，其膨胀率δef均值为53%，具弱膨胀性[10];轻型击实试验所得最优含水率wop=21.3%，最大干重度γdmax=16.5 kN/m3。根据SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》[11]及膨胀土施工情况，配制5种不同状态的击实样进行胀缩试验：① 最优含水率，最大干重度;② 最优含水率，最大干重度乘以0.97的压实系数;③ 最优含水率，最大干重度乘以0.94的压实系数;④ 较最优含水率高2%时的含水率及其相应干重度的0.94倍;⑤ 较最优含水率低2%时的含水率及其相应干重度的0.94倍。其中③号样是模拟施工压实不足时的情况，④和⑤号样是模拟现场施工时含水率有所变化的潜在情况。依次进行0，25，50，100，150，200， 250，300 kPa下的膨胀率试验，所得不同压力下击实膨胀土的膨胀率如图1所示，膨胀力及收缩试验成果如表1所示。

试验结果表明：击实膨胀土的有荷载膨胀率随压力增大而减小，当压力增大到50 kPa后，膨胀率显著减小至1%以下;膨胀力随压实系数增大而增大。收缩试验结果表明该类土具有收缩特性。

1.3抗剪强度

1.3.1 直剪试验

（1） 膨胀土原状样在低压力（25， 50， 75， 100 kPa）及常规压力（100， 200， 300， 400 kPa）下进行的饱和固结快剪试验成果如表2所示。

试验结果得到：在含水率为21.0%～24.4%、 干重度为15.5～15.7 kN/m3的状态时，低压力下的强度参数平均值c=29 kPa，φ=20.1°;常规压力下c=37 kPa，φ=18.5°。可以看出，低压力下的φ角高于常规压力下的φ角，而c值则相反，即低压力下的抗剪强度相对较小。

（2） 为了探讨土坝在浸润曲线上下的强度变化趋势，对3种不同状态的击实样各进行压力为100， 200， 300， 400 kPa的饱和固结快剪与非饱和固结快剪的对比试验。试验成果见表3。

试验成果表明：在初始含水率相近的条件下，饱和后固结快剪强度低于非饱和固结快剪强度;压实系数越低，饱和后的强度降幅越大。

（3） 为研究膨胀土膨胀作用对强度的影响，对不同状态的同一击实土样进行两种类型的试验对比：① 直接进行非饱和快剪试验;② 使土样充分吸水膨胀后再进行快剪试验。试验压力为25，50，75，100 kPa，试验成果见表4。

试验成果表明：在低压力下，膨胀后的快剪强度低于非饱和快剪强度;不同状态的试样，其强度受膨胀作用的影响不同;在w=19.3%的较低含水率条件下，膨胀作用对强度的影响最大。

1.3.2 三轴试验

为了取得邓肯-张模型、沈珠江模型的有限元计算参数，采用应变控制式三轴仪对3种不同状态的试样分别进行三轴固结不排水剪（CU）、固结排水剪（CD）试验，试样直径为6.18 cm，高12.5 cm，采用真空抽气法饱和。三轴试验成果见表5。

通过绘制σ3=100 kPa条件下的应力应变关系曲线、轴向应变与侧向应变关系曲线、卸荷试验相关曲线等求得邓肯-张模型8个参数的试验值，如表6所示，求得沈珠江模型9个参数试验值如表7所示。

1.4 先期固结压力

进行先期固结压力试验确定坝基土的围压σ3。取原状样进行垂直加压，压力依次为12.5，25.0，50.0， 100.0，200.0，300.0，400.0，600.0，800.0 kPa，试验结果如图2所示。可选取Pc=100 kPa作为数值分析所用围压。

1.5 渗透变形

为研究坝体干裂后的渗透变形情况，制备含水率21.3%、干重度16.5 kN/m3、直径15.2 cm、高5.0 cm的击实样2组，将其风干形成表面裂缝后，进行垂直渗透变形试验。在试样下游不加水的条件下，试样经过以下4个渗流阶段：① 起始坡降i=0.1并持续24 h，此时试样下游面保持干燥状态，说明试样干燥时裂缝没贯通;② 坡降i=0.3并持续12 h后，在试样下游面有零星潮湿点;③ 坡降i=0.5并持续12 h后，试样下游面个别裂缝闭合;④ 坡降i=0.8并持续2 h后，试样下游面潮湿、裂缝闭合，此时试样已饱和;给下游加水，保持坡降i=0.8，经12 h后，渗透流量趋于稳定，此时两组试样的渗透系数分别为4.45×10-5  cm/s和5.46×10-5  cm/s;继续提升水头，直至破坏。两组试验结果分别为：① 渗透破坏坡降Ip=6.84，破坏后渗透系数k=0.87 cm/s;② 渗透破坏坡降Ip=7.08，k=2.0 cm/s。两组试样的破坏类型均为管涌-流土型。

2 坝体培厚土料试验

2.1 填筑标准试验

该工程区为膨胀土地区，外购天然建材费用昂贵，因此需论证膨胀土的改良改性问题。试验中，根据不同状态下填土的膨胀性和强度特性，分析确定坝体培厚的填筑土含水率宜为21%～22%，干重度宜取最大干重度的0.97倍，即16.0 kN/m3。

2.2膨胀土掺石灰

将分解破碎的石灰按石灰与土的质量比为4∶100， 6∶100， 8∶100加入过5 mm筛的风干土中，搅拌均匀，然后配至21.3%的含水率并夯实到干重度16.5， 16.0， 15.5 kN/m3，进行无荷载膨胀率、膨胀力、饱和固结快剪试验。试验成果如表8～9所示。

由试验结果可以看出：掺石灰膨胀土（以下简称“灰土”）的膨胀势大为降低，在无荷载条件下，膨胀率δe<0.1%，膨胀力平均值Pe=8.4 kPa;抗剪强度明显提高，强度参数平均值为c=182 kPa，φ=41.3°;与同状态下膨胀土饱和固结快剪试验结果相比，c提高4.6倍，φ提高3.1倍;4%与8%石灰掺量的灰土相比较，其工程性质无明显区别，考虑施工拌和不确定因素影响与工程安全问题，建议进行膨胀土性质改良时可掺6%的石灰。

3结 论

临淮岗工程筑坝坝体土细颗粒含量大，黏土矿物中蒙脱石和蒙伊混层含量高，具弱膨胀性和收缩特性，是坝体裂缝发育的根本原因。不同情况下的力学试验表明：不同状态的试样，其强度受膨胀作用的影响不同;渗透变形试验表明其破坏类型为管涌-流土型;并通过三轴试验获取了邓肯-张和沈珠江模型的有限元计算参数。用于培厚填筑的膨胀土经石灰改良后，其膨胀势大为降低，抗剪强度明显提高，与同状态下膨胀土饱和固结快剪相比，c提高4.6倍，φ提高3.1倍;4%与8%的石灰掺量相比较，所制灰土的工程性质无明显区别。考虑施工拌和与工程安全问题，建议膨胀土改良时可掺6%的石灰。

参考文献：

[1] 钮新强，蔡耀军，谢向荣，等. 南水北调中线膨胀土边坡变形破坏类型及处理[J]. 人民长江，2015，45（3）：1-4，26.

[2] 蔡耀军，阳云华，张良平，等. 南水北调中线工程膨胀土工程地质[M]. 武汉：长江出版社，2016.

[3] 蔡耀军，阳云华，赵旻，等. 膨胀土边坡工程地质[M]. 武汉：长江出版社，2013.

[4] 邹祎. 膨胀土地区高速公路路基石灰改良的胀缩性研究[J]. 科技創新与应用，2019 （22）：57-58.

[5] 李东森，夏熙临，陈丛丛，等. 石灰、水泥及砂改性膨胀土工程特性的试验研究[J]. 南水北调与水利科技，2011，9（4）：25-27，46.

[6] 边加敏. 石灰改良膨胀土重塑后的工程特性研究[J]. 四川建筑科学研究，2021，47（4）：62-70.

[7] 王小芳，程谦恭，李俊，等. 石灰改良膨胀土工程主要特性试验研究[J]. 四川理工学院学报，2018，31（5）：81-87.

[8] 刘军，黄斌，龚壁卫，等. 膨胀土水泥改性均匀性及长期效果试验研究[J]. 西北地震学报，2011，33（增1）：204-208.

[9] 杨俊，许威，张国栋，等.不同材料对宜昌弱膨胀土膨胀性的改良效果研究[J]. 信阳师范学院学报，2014，27（1）：149-152.

[10] GB 50112-2013  膨胀土地区建筑技术规范[S].

[11] SL 274-2020  碾压式土石坝设计规范[S].

（编辑：高小雲）

Experimental study on physical and mechanical properties of expansive soil at Linhuaigang project in Huaihe River area

ZHAN Shibin1， ZHANG Shengjun2， ZHOU Huixian2，LIU Zhangjing2，WANG Bo3

（1. Yangtze River Engineering Construction Bureau， Changjiang Water Resources Commission ，Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Institute of Survey Technical Research of Ministry of Water Resources， Wuhan 430011， China; 3. Changjiang River& Lake Dredging Company， Wuhan 430010， China）

Abstract： In order to study the causes of cracks in the dam body of Linhuaigang project in the Huaihe River， the physical and chemical composition test， mechanical properties test under different pressures， hydraulic tests and modified soil test under different gray-doped ratios were carried out. The test and analysis results showed that： the high content of montmorillonite and montmorillonite-Illite mixed layer in the clay minerals of the dam filling had the characteristics of weak expansion and shrinkage， which was the fundamental cause for the development of dam cracks. The engineering properties of weak expansive soil with 4% and 8% lime had no obvious difference. Considering the factors of construction mixing and engineering safety， mixing 6% lime into expansive soil should be recommended for modified expansive soils. These research results could be a reference for application of expansive soils in dam filling.

Key words： expansive soil; modified expansive soils; physical and mechanical properties; reinforcement treatment; Linhuaigang project in Huaihe River area

收稿日期：2021-11-18

作者簡介：占世斌，男，高级工程师，硕士，主要从事岩土工程及水利工程建设管理工作。E-mail： 360300682@qq.com