广州绕城公路小塘至茅山段膨胀土路段病害分析及改性材料试验成果
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【摘 要】结合已有的研究成果和广州绕城公路小塘至茅山段的实际情况，对该段路基膨胀土进行了改性材料选择试验和改性土的常规试验、强度试验、膨胀试验研究。研究认为改性材料采用当地易购的石灰，通过按不同的比例掺灰量进行试验得出最佳掺灰量在7%左右。试验证明已改性土的稠度、胀缩性、强度等指标均得到较大幅度的改善。能够满足工程实践的要求。利用石灰处治膨胀性效果较水泥好，且经济性高。
引言
拟建广州绕城公路小塘至茅山段路线整体走向由西向东呈弧形展布，西南起于三水市东侧小塘、线路终点在茅山新庄附近，与广清高速公路及珠江三角洲经济区环型公路北二环段相连接。
由于膨胀土对路基或其它拟建物均有不同程度的危害，因此，膨胀土是本次工作中较突出的工程地质问题。本项目膨胀土路段主要分布于乐平及乐平以西地段的第三系剥蚀残丘及平缓丘陵地带，为上第三系（N）粘土岩、砂质泥岩类地层及其残坡积物，呈棕红色、棕黄色、局部为灰白色，风化产物为亚粘土、粘土，含砂及角砾，厚度变化较大，一般在坡脚相对较厚，钻探揭示最大厚度为8.70m。全线膨胀土路基主要分布有七段，累计长度为5.02Km。据膨胀土土工试验结果，其自由膨胀率一般在28－96％之间，胀缩总率介于0.86 ～6.98%之间，多属弱－中等膨胀土，其中K53+872～K54+596段属中－强膨胀土路基。
膨胀土对建设中、运营中的道路均能造成一定的危害。因此,对膨胀土区域公路施工提出了高标准和高要求，也需要应用特有的技术消除或抑制其胀缩性，进而确保道路路基的质量和安全运营。试验方案根据原状土的胀缩性指标，进行改性试验。制备土样的含水量和容重分别选取原状土的指标平均值，试样采用静压成型，养护1周，每个试验并行做3个，取平均值，测定各试样膨胀率。对各种改性材料和设计配合比配制的改性土进行了常规试验、强度试验、膨胀试验研究。目的是找出最佳添加剂和改性材料掺量，以及膨胀性后的路用性能。
1 膨胀土的矿物成分
膨胀土之所以有膨胀性，是由于土中含有亲水的粘土矿物，如蒙脱石、伊利石等。膨胀性，实质上是这些粘土矿物晶格中的水，随雨季和旱季、丰水年和枯水年的湿度变化而增减所致。膨胀性能的大小取决于这些亲水粘土矿物在粘性土中的含量高低。含量越高，胀缩性越大，反之，则越小。
2 影响膨胀土性能的因素分析
膨胀土的胀缩性能，除与粘土矿物含量多寡有直接关系外，尚与膨胀土体的含水量、厚度及埋藏或出露条件密切相关。
2.1 含水量的影响分析：
土体的含水量决定吸水量的大小，在膨胀范围内，膨胀率与吸水量成正比，当含水量达到饱和时，吸水量最小，其膨胀变形渐趋稳定。在收缩范围内，收缩率随含水量减小而减小，当收缩至缩限以后，失水量最小，收缩变形也渐趋稳定。膨胀土体的含水量随季节变化而变化，也随丰水年和枯水年的变化而变化。土体含水量的这种周期性的变化，导致土体周期性的膨胀和收缩。
2.2 膨胀土体的厚度影响分析：
膨胀土的胀缩幅度与其厚度成正比。但当强膨胀土体厚度不大时，其胀缩幅度也不会很大。弱膨胀土体厚度大，则胀缩幅度也会很大，只是时间过程较长而已。
2.3 膨胀土体埋藏深度的影响分析：
膨胀土体埋藏深度对胀缩幅度也起控制作用。据前人对灰绿色粘土的研究认为，膨胀土的埋藏深度（非膨胀性土覆盖厚度）如果大于3m，则对膨胀土体的胀缩起缓冲或抵消作用。建筑物不致遭其破坏；如果小于3m，则建筑物可直接遭受土体胀缩力的破坏。
3 膨胀土性能的评价：
本次勘察主要在大气影响深度范围内（0-6m），个别样品采取深度大于6m。共采取了30个膨胀土样品进行试验，以核实并确定膨胀土的类型。根据土工试验成果，样品自由膨胀率Fs介于28 ～96%之间，胀缩总率介于0.86 ～6.98%之间，依据《路基设计规范》（TJT013-95），其中有16个样品为弱膨胀土，10个样品为中膨胀土，4个样品为强膨胀土。膨胀土地段累计长度约5021m，厚度1.60～10.00m。根据有关规范要求，做为桩基，在大气影响深度范围内，桩侧极限摩阻力取值可低于规范值；做为路基建议采用换填法；做为路基填料建议通过试验确定掺灰比例进行土性改良。
4 膨胀性试验
本次试验分别取石灰、水泥和粉煤灰三种不同建筑材料在不同掺量时无荷膨胀率试验，各种添加剂的掺入量如下：石灰掺入量（%）0、5、6……14、15，间隔1%；水泥掺入量（%）0、3、4、……13、14，间隔1%；粉煤灰掺入量（%）0、10、13、16、19，间隔3%。试验结果见下表1-3及图1-8。
由表1-3、图1-8可以看出，加入各种改性材料后，膨胀土的无荷膨胀率都随之变小，特别是掺入水泥或石灰量大于 6%时，其无荷膨胀率都非常小了，可见改性土的膨胀特性几乎完全丧失。
5 最佳改性材料的选择
以改性土的稠度、胀缩性、强度等指标得以改善程度为准，选择最佳改性材料。根据表2-4中的数据，采用石灰改性弱膨胀土、中膨胀土及强膨胀土，改性后的无荷膨胀率eP(%)分别为0.14%-0.74%、0.27%-1.38%、0.30%-2.10%。对于水泥改性的弱膨胀土、中膨胀土及强膨胀土，其无荷膨胀率eP(%)为0.15%-0.77%、0.23%-1.69%、0.39%-2.25%。对于粉煤灰改性的弱膨胀土、中膨胀土，其无荷膨胀率eP(%)为0.26%-0.88%、0.65%-1.52%。粉煤灰的掺入量明显大于其它两种，相应掺入量下无荷膨胀率eP(%)明显较大，且考虑到当地粉煤灰不易采购，运输超过经济运距，所以用粉煤灰做路基填料已失去了经济效益。而水泥的改性效果略逊色与石灰，成本也比石灰略高，因此，实际工程中建议采用石灰作为膨胀性材料，高速公路路基填料以石灰改性土为主。
6 石灰掺量对膨胀土稠度界限的影响
由上面分析可见石灰改性膨胀土的效果较好且较经济，用石灰作为改性材料，石灰中的钙离子可以使膨胀土的塑性降低，使不易压实和破碎的膨胀土变成松散且易于破碎的非膨胀土。膨胀土的液限也会随着石灰掺入量的增加而下降，经石灰处理后，土中胶态粘土呈现的数量愈大，液限的降低就愈为显著。图1是研究路段膨胀土样品的液限、塑限和塑性指数随石灰掺灰量的变化曲线图，可以看出掺石灰后液限ωL(%)变化不显著，而塑限ωP(%)迅速增加，这就导致塑性指数IP也迅速变化。IP随掺灰量的变化曲线可能有一个最低点，因为掺灰量达到11%时，IP会增加。这个最低点介于5%-9%之间。此最低点对应了较大的ωP(%)值，它所对应的掺灰量可作为确定最佳掺灰量的参考数据。因此从图9中可见最佳掺灰量在7%左右。
根据试验结果及地区建筑施工经验，建议本路段膨胀土采用掺石灰来进行土性改良，以降低膨胀土的膨胀率。其中对弱膨胀土可不进行掺石灰改性，对中-高膨胀土应进行掺石灰改性，掺灰比例控制在7%左右。
7 石灰掺量对膨胀土强度的影响
影响石灰改良土强度的因素有：土质类型（包括矿物成分、含量、结构等）、石灰类型及掺入量、灰土拌和后的养护时间与方法（温度与水的有效度）、含水量、容重、拌和与压实两者间的时间间隔等。上述因素在实验中要加以考虑，更重要的是在施工中也应进行综合考虑。本项研究从不同掺灰量的击实试验中取样进行了抗剪试验。图10-图11是土样的试验结果。由此可看出，随着石灰掺量的增加，击实土的抗压和抗剪强度都在增大。当石灰掺量大于7%以后强度增长较为缓慢。结合前面的分析，推荐石灰掺量为7%比较合理。
8 改性材料掺量对膨胀土膨胀性的影响
图12、图13是掺石灰膨胀土的线膨胀量、膨胀力随石灰掺量的变化曲线。图中所用试件的含水量17%-20%，最大干容重γd为15.6-17.4KN/m3，干湿保养是指在试件做好后让它自然风干再喷洒水养护各一天，如此重复到第七天进行试验。直接试验是指试件做好后即用于试验。由图12-图13可以看出，加入各种改性材料后，膨胀土的线膨胀量和膨胀力都随之变小，特别是掺石灰量为 9%和11%时，线膨胀量和膨胀力都非常小了，可见改性土的膨胀特性几乎完全丧失。同时经过保养的试样其线膨胀率和膨胀力都较未经保养的要小，因此对改性土进行保养让其强度逐渐增长是有积极的工程意义的。因而掺石灰是膨胀性的一种经济有效的方法。
9 结束语
9.1 膨胀土路基建议采用换填法，通过试验确定掺灰比例进行土性改良。掺石灰的最佳配比，以处理后胀缩率不超过0.7为宜，是控制到弱膨胀土的低限指标之下，可作为非膨胀土对待。
9.2 膨胀土的塑性指数、膨胀性随着石灰掺量的增加而减小，强度指标随着石灰掺量的增加而增加。
9.3 通过膨胀土的改性试验比较，可见采用7%的石灰掺量可以使膨胀土的工程特性指标都得到较好的改善，能够满足工程实践的要求。利用石灰处治膨胀性效果较水泥好，且经济性高。
9.4 对于膨胀土路基的施工，考虑施工时的工艺及天气的影响，应保证膨胀土路基的含水量在最佳含水量以上2%-3%为宜，石灰掺量也应提高1%-2%。
9.5 边坡坡度的设计应充分考虑其膨胀性，施工中应注意对路堤的边坡进行防护处理并完善路基的排水条件，通过比较可见，当地石灰较易得到，用石灰改性膨胀土作为路基填料则可以获得较好的工程效果和经济效益。