石灰改良膨胀土试验研究

摘 要：膨胀土是一种对含水率变化特别敏感的特殊性粘土，在世界范围内都有广泛分布。如何使膨胀土成为一种有用的建筑材料，已经有多人进行了研究，并且获得了一系列富有实践指导意义的成果。采用石灰改良膨胀土是目前运用较多的的一种方法，首先结合实际工程，通过击实试验、自由膨胀率试验、界限含水率、膨胀率试验选出所需的最小灰剂量，再从强度、变形、水稳定性等方面的性状分析这个灰剂量条件下改良土的使用效果，得知此灰剂量的可行性。

关键词：石灰改良土 最小灰剂量 强度 变形 水理特性

1.研究目的和意义

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种高塑性粘土，具有显著的胀缩性、多裂隙性和超固结性，粘粒成分主要是由强亲水性的蒙脱石和伊利石组成。膨胀土的这种遇水膨胀、失水收缩的特性，以及由于这种干湿循环产生的裂隙，对其上的建筑物特别是轻型建筑物、道路、堤防等都有严重的破坏作用，其对建筑物产生的长期破坏作用很容易被忽视，导致工程事故的发生。目前，膨胀土的处理大致有以下几种方法：换土法、湿度控制法、化学固化法、加筋法、桩基法等。

膨胀土问题已是我国工程地质学、土质学、土力学及基础工程等学界所关注的一大问题。我国跨流域调水项目—南水北调工程的启动，使膨胀土成为中线和东线的主要问题之一。

2.工程背景介绍

南水北调东线工程地形以黄河为脊背向南北倾斜，引水口比黄河处地面低40余米。从长江调水到黄河南岸需设13个梯级抽水泵站，总扬程65m，穿过黄河可自流到天津。在这些泵站中，有三处泵站地处江苏段膨胀土地区，需要对当地的膨胀土进行处理后才能使用。

试验用土取自当地施工现场，天然土体中混有坚硬的礓石，试验时将其从土中挑拣出来。按照水利部《土工试验规程》[1]测定土样的基本物理力学性状，土体的天然含水率为25～32%。

3.最小灰剂量选择

用石灰改良膨胀土，要做到既消除或减小膨胀土的一些不良特性，又不造成浪费，就存在一个最小灰剂量。本文通过分别向素膨胀土中掺质量比为2%、3%、5%的石灰，模拟现场条件，通过自由膨胀率、界限含水率和膨胀率来确定最小灰剂量。

3.1 不同灰剂量掺灰土的击实特性

图1为不同灰剂量改良土的轻型击实曲线，由图中可见：随着灰剂量的增加，石灰改良土的最大干密度逐渐减小，最优含水率逐渐增大。且石灰改良土的击实曲线明显比素土的即击实曲线平缓，即石灰改良土的含水率在较大范围内可以压实到工程需要的压实度。

3.2不同灰剂量掺灰土的稠度特性

本文取养护不同时间的试样进行稠度试验。试验结果见图2所示，在膨胀土中掺入石灰以后，可以有效地降低膨胀土的塑性指数。灰剂量变化时，改良膨胀土的液限不发生明显变化；随着灰剂量的增加，改良膨胀土的塑限增加、塑性指数减小，当灰剂量大于3%后，塑限也不再发生明显变化，塑性指数维持在26%左右。

3.3不同灰剂量掺灰土的自由膨胀率特性

取与3.2中相同的试样进行自由膨胀率试验，试验结果见图3所示，石灰改良土的自由膨胀率明显小于素土；石灰改良土的自由膨胀率随灰剂量的增加几乎呈直线减小；当灰剂量大于3%以后，随着灰剂量的增加，界限含水率已不再发生明显变化。3%灰剂量改良土的自由膨胀率约为34%，已低于《膨胀土地区建筑设计规范》[2]中弱膨胀土的下限40%，即已不属膨胀土范围，由此可以确定能够消除无结构力的松散膨胀土颗粒膨胀性的最小灰剂量为3%。

3.4 不同灰剂量改良土的线膨胀率

界限含水率和自由膨胀率两种试验都没有考虑土体结构性的影响，本文采用无荷膨胀率试验研究考虑土体结构性时，石灰的改良效果。

由表2中的试验数据可见，养护后的改良土线膨胀率明显低于素土，当灰剂量达到3%时，改良土在最优含水率条件下的的线膨胀率趋于零，几乎不发生膨胀变形，5%灰剂量改良土的初始含水率为20.5%时，浸水后线膨胀率仍为零，可见在膨胀土中加入石灰后可以有效地降低其线膨胀率，当灰剂量达3%时，在最优含水率条件下，其线膨胀率只有0.06%。

结合石灰改良土的自由膨胀率试验、界限含水试验以及线膨胀率试验成果，可以得出如下结论：消除南水北调东线工程江苏段膨胀土膨胀性最小灰剂量为3%。

因为现场大面积填土粉碎掺灰施工过程中，石灰改良膨胀土拌合的均匀程度达不到在试验室内对少量试验用土中掺灰的均匀程度。江苏省交通工程建设中建议，实际工程灰剂量需要在室内试验得到的最小灰剂量基础上增加1%，即至少达到4%。在现场检测石灰改良膨胀土灰剂量时，规范规定：检测到的灰剂量达到设计灰剂量±1%以内就算合格。因此，为了确保运行期改良土填料不会产生危及挡土结构物安全的胀缩变形，建议石灰改良膨胀土的设计灰剂量采用5%，这样，土体中实际灰剂量高于4%。为了检测灰剂量为5%的石灰改良膨胀土能否满足实际工程的需要，本文在实验室内对灰剂量为5%的石灰改良土的变形特性、强度特性、水稳定性以及渗透性进行了试验研究。

4.石灰改良土的水理特性

本文的依托工程处于江苏境内，这里的气候条件是夏季多雨，地下水位较高，冬季少雨，地下水位明显降低。对于实际工程来说，就相当于靠近地表那部分在大气影响深度范围以内的土体每年都要经历一次水分变化明显的干湿循环过程。有必要研究石灰改良土在干湿循环过程中的性状变化，以确定5%灰剂量的改良土的水稳定性如何。试验采用环刀试样和CBR试样分别进行干湿循环试验。通过环刀试样测定石灰改良土线膨胀率在干湿循环过程中的变化，通过CBR试样测定石灰改良土强度在干湿循环过程中的变化。

4.1 试样的变形特性及崩解特性

试样制备方法同3.1.3中试样的制备。制备试样的初始含水率为25%，将试样安装到固结仪的水槽中，不加上覆荷载，安装好百分表，向容器中加水，待试样膨胀至稳定后，小心连同环刀一起将试样取出，放在通风处，晾干至初始质量，量取试样的高度，此为一次干湿循环。将试样密闭一昼夜后，再安装到固结仪的水槽中，进行第二次浸水试验。试验结果见图4所示：

5.2 试样的强度特性

承载比试验的干湿循环试样采用3.2.2中做改良土强度特性的试样，第一次承载比试验完成以后，将试样放在通风处，晾干至初始含水率25%，此为经历了1次干湿循环，然后再按照3.2.2中的步骤做承载比试验，考虑到以后做试样经历多次干湿循环以后的承载比试验，仍采用偏心贯入。试验结果如下图所示：

由图7可见，随着干湿循环次数的增加，土体的承载比出现先增大后减小的现象，表现为在经历前面5次干湿循环过程中，石灰改良土的CBR2.5逐渐增大。当试样经历11次干湿循环以后，试样的承载比有明显降低，观察试样后发现，主要原因在于每次干湿循环过程中，试样晾干至初始质量时，试样表面的含水率下降比较大，导致试样表面土体疏松，承载比降低。

综合环刀样和承载比试样的干湿循环试验结果，说明5%灰剂量的改良土有很好的水稳定性，可以满足堤防填土的需要。

5.3 试样的渗透性

石灰改良土的强度和变形特性是影响堤防工程能否正常使用的重要因素，同时渗透特性也是一个不可忽视的因素。堤防筑于河道两侧河漫滩上，作为长期的挡水设备，经常会处于两侧水位差的条件下，需要考虑双向渗流的情况，当堤防填料的透水性较强时，必须采取一定的工程措施，减小其渗透系数，保证工程安全和能够长期使用，但是要建造这些专门的防渗措施势必要耗费大量的财力、物力，最理想的条件是堤防填料本身就能满足防渗要求。压实膨胀土的渗透性很弱，能够满足要求，但是加入石灰后，随着石灰和土之间发生一系列作用，石灰改良土的最大干密度减小，渗透性势必要发生改变，必须通过试验测定石灰改良土的渗透系数，以确定是否满足防渗要求，决定是否需要采取一定的防渗措施。此处采用三轴仪模拟不同深度的应力情况进行渗透系数测定，具体试验结果见表5。

由试验结果可知，随着有效应力的增大，改良土的渗透系数逐渐减小。采用相同的方法测得素土在95%压实度条件下的渗透系数为1.28×10-7cm/s，见表4-4所示，从中还可看出改良土的渗透系数比素土高一个数量级。改良土的渗透系数虽然大于素土，但仍属于低渗透性土[4]，远小于《堤防工程设计规范》[5]中规定的要计算渗流量的最小渗透系数10-3cm/s，可见，改良土的渗透系数也能很好地满足堤防的防渗要求。

6.结论

本文通过一系列室内试验确定出改良膨胀土所需的最小灰剂量，考虑实际施工过程中一些偶然因素的影响以及灰剂量检测标准，取最小灰剂量加上2%作为实际的灰剂量，并通过试验探讨了这个灰剂量的石灰改良土作为堤防填料的性质，得到结论如下：

⑴.素膨胀土不能直接作为堤防填土，需要进行改良，减小膨胀性。

⑵.石灰改良土的击实曲线明显比素土的平缓，说明击实时，改良土更容易达到要求的压实度，对于实际工程中，含水率要求比较宽松，施工起来偏于安全、经济。随着灰剂量的增加，石灰改良土的最优含水率增大、最大干密度减小；

⑶.随着灰剂量的增加，改良土的自由膨胀率减小、液限不发生明显变化、塑限增大、塑性指数减小；本依托工程中改良膨胀土的所需的最小灰剂量是3%，考虑实际工程中土体结构性的影响，笔者通过线膨胀率试验进一步验证了最小灰剂量的合理性。考虑现场的施工状况，选取现场施工的参考灰剂量。

⑷.通过参考灰剂量改良土的线膨胀率试验、无侧限抗压强度试验、承载比试验、渗透性试验、水稳定性试验等试验的研究，得到这个参考灰剂量的石灰改良土能很好地满足实际工程的安全施工及运行需要。

参考文献：

[1] SL237-1999. 土工试验规程[S]. 北京：中国水利水电出版社.1999.

[2] GBJ112-87. 膨胀土地区建筑技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社.1989.

[3] JTG D30-2004. 公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社. 2004.

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