碎石改良膨脹土模型試驗(yàn)研究

許英姿，黃政棋，顏日葵，劉德志

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南寧 530004)

膨脹土因富含蒙脫石等強(qiáng)親水性黏土礦物，具有典型的裂隙性和脹縮性等特征[1-2]，其吸水顯著膨脹的特性是不能直接用膨脹土作路基或擋土墻填料的主要原因[3]。在膨脹土分布較為廣泛的地區(qū)，置換膨脹土可能因當(dāng)?shù)責(zé)o土可借或借土運(yùn)距太遠(yuǎn)而成本較高，為了合理有效地利用膨脹土，通過(guò)各種方式改良膨脹土的膨脹性能很有必要，改良膨脹土的研究對(duì)保證工程質(zhì)量、減少借棄土占地、降低工程造價(jià)具有重要的工程實(shí)際意義[4]。

改良膨脹土主要有化學(xué)改良和物理改良兩類?；瘜W(xué)改良膨脹土主要是通過(guò)處治劑與膨脹土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)降低膨脹土的膨脹特性，最常用的化學(xué)處治劑包括石灰、水泥、粉煤灰等[5-8]。物理改良膨脹土主要是通過(guò)摻入非膨脹土材料，增加膨脹土與所添加材料間的嵌擠咬合作用以及顆粒間的摩擦作用，來(lái)改善其膨脹特性。物理改良對(duì)時(shí)間的敏感度低，改良效果也更具持久性，對(duì)環(huán)境和施工影響較小，有較好的應(yīng)用前景。常用的物理改良材料有風(fēng)化砂和碎石等。風(fēng)化砂粒徑小，摻入膨脹土中后可進(jìn)行各類常規(guī)室內(nèi)物理試驗(yàn)，目前風(fēng)化砂改良膨脹土的研究較多。楊俊等[9-10]、莊心善等[11-12]等的研究表明，隨著風(fēng)化砂摻量的增加，膨脹土的膨脹力和膨脹變形逐漸減小，摻砂能一定程度地降低膨脹土的膨脹特性，但若要較好地改善膨脹性能需要摻砂量較大，隨摻砂量增加其強(qiáng)度會(huì)受到較大影響。采用碎石改良膨脹土膨脹性能的實(shí)際工程較多，但由于碎石粒徑較大，無(wú)法使用常規(guī)試驗(yàn)來(lái)研究膨脹土摻碎石后的工程性能，相關(guān)的機(jī)理研究比較少，易劍波[13]、羅斌等[14]將碎石改良紅黏土應(yīng)用到路基填筑施工中，結(jié)果表明碎石摻入紅黏土中能夠有效抑制紅黏土吸水變形大的問(wèn)題，并且能夠在一定程度上提高路基的強(qiáng)度。董柏林等[15-16]采用自制固結(jié)儀進(jìn)行試驗(yàn)研究摻碎石膨脹土特性，發(fā)現(xiàn)在碎石摻量為25%時(shí)對(duì)膨脹土的膨脹性能的改良效果最好。研究表明碎石的確能夠降低膨脹土的膨脹性能，但其改良后的膨脹土能否作為擋土墻的填料還缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

膨脹土作為擋土墻填料時(shí)，膨脹土吸水膨脹變形會(huì)被擋土墻所限制，從而會(huì)對(duì)擋土墻產(chǎn)生額外的側(cè)向膨脹力，常造成膨脹土地區(qū)重力式擋墻滑移或者傾覆破壞[17]，嚴(yán)重影響擋墻的穩(wěn)定性。作為擋土墻填料時(shí)，膨脹土需通過(guò)改良削弱其側(cè)向膨脹力。對(duì)于膨脹土側(cè)向膨脹力的研究，中外學(xué)者取得了不少的成果。王年香等[18]通過(guò)大型模型試驗(yàn)研究浸水條件下膨脹土對(duì)擋墻產(chǎn)生側(cè)向膨脹壓力，分析含水率與側(cè)向膨脹壓力之間的變化規(guī)律。張穎鈞[19]研究發(fā)現(xiàn)，在膨脹土擋墻后設(shè)置砂石緩沖層能明顯抑制擋墻側(cè)向膨脹力。Mohamed等[20]長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)重力式擋墻的側(cè)向膨脹壓力，發(fā)現(xiàn)在膨脹土含水率到達(dá)穩(wěn)定后墻背的側(cè)向膨脹力達(dá)到最大，之后隨著擋墻的水平移動(dòng)逐漸減小并最終穩(wěn)定。Wang等[21]將袋裝土放置于擋墻模型之后，通過(guò)監(jiān)測(cè)不同深度的含水率、側(cè)向膨脹力以及豎向變形，發(fā)現(xiàn)袋裝土能夠吸收一部分膨脹土吸水膨脹后的變形，從而使得膨脹土的側(cè)向膨脹力得以降低?？偠灾?，目前關(guān)于膨脹土產(chǎn)生側(cè)向膨脹力的研究主要采用模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，而且研究的都是純膨脹土產(chǎn)生的側(cè)向膨脹力，摻碎石膨脹土作為擋墻填料是否可以降低側(cè)向膨脹壓力還未見(jiàn)報(bào)道，值得深入研究。

在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上自制擋墻模型箱進(jìn)行試驗(yàn)，研究摻碎石對(duì)膨脹土側(cè)向膨脹力的影響，探討碎石改良膨脹土作為擋土墻填料的可行性，為膨脹土地區(qū)的擋墻設(shè)計(jì)、施工提供借鑒和參考。

1 材料物理力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

本次試驗(yàn)土樣采集自南寧市興寧區(qū)三塘鎮(zhèn)某膨脹土分布區(qū)。所取的土樣顏色為灰黃色，土體基本物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)

由表1可知，本次試驗(yàn)用土的塑性指數(shù)IP=32.78>26，液限62.41%>50%,根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)可知土樣為黏性土。該土樣的脹縮總率為5.33%>4.5%，50 kPa膨脹率為0.52%，根據(jù)《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》(DB 45T396—2007)，本次試驗(yàn)用土為中等膨脹性膨脹土。

1.2 碎石的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)用碎石為普通混凝土粗骨料，碎石粒徑大于4.75 mm的顆粒含量超過(guò)95%。滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用卵石和碎石》(GB/T 14685—2011)的碎石要求。

1.3 確定摻碎石比

課題組前期研究成果表明[22]，本次研究用膨脹土在19%最優(yōu)含水率時(shí)膨脹率最小，在最優(yōu)含水率下，隨摻碎石量增加，土的無(wú)荷膨脹率和膨脹力顯著降低，摻碎石量超過(guò)25%后則變化不大。本次試驗(yàn)采用摻碎石比為25%。

2 擋墻模型試驗(yàn)方案

2.1 模型箱設(shè)計(jì)

模型箱按實(shí)際工程高度為6 m的擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，取幾何相似比1∶6，設(shè)計(jì)模型箱高度為1 m，寬度為2 m，模型箱的長(zhǎng)度按2倍擋墻高度設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為2 m，則模型箱的凈空尺寸為長(zhǎng)×寬×高=2 m×2 m×1 m，用鋼板模擬剛性擋土墻，固定鋼板位置以便獲取側(cè)向壓力。

模型箱的設(shè)計(jì)如圖 1所示。為了加快水流的入滲，在模型箱內(nèi)豎向設(shè)置帶孔的排水管，管內(nèi)填砂模擬砂井作用。為方便注水后多余的水可以順利排出，在模型箱四邊的底部都設(shè)有排水管。在模型箱內(nèi)距離墻邊角1 000 mm處設(shè)置角鋼槽方便插隔板，用以分別填筑純膨脹土和摻碎石膨脹土。

圖1 模型箱示意圖

2.2 模型試驗(yàn)方案

通過(guò)模型試驗(yàn)研究摻碎石改良對(duì)膨脹土的滲透性、側(cè)向壓力的影響，來(lái)探討摻碎石改良對(duì)膨脹土的改良效果。分別設(shè)計(jì)純膨脹土和碎石改良膨脹土兩個(gè)模型箱進(jìn)行對(duì)比分析。通常實(shí)際工程中改良寬度等于擋墻高度，本次摻碎石改良的寬度定為1 m。

在模型箱25、50、75 cm深度處設(shè)置南通中天精密儀器有限公司生產(chǎn)的MP-406B土壤水分傳感器和土壓力計(jì)，定時(shí)采集相應(yīng)位置的體積含水率和側(cè)向壓力。傳感器布置如圖 2所示。

圖2 傳感器布置

2.3 模型試驗(yàn)過(guò)程

第一步制備土樣。首先將膨脹土鋪開(kāi)進(jìn)行晾曬脫水，然后用重型壓路機(jī)進(jìn)行反復(fù)碾壓，鉤機(jī)翻土。反復(fù)翻曬、碾壓，直到膨脹土碾碎碾壓至最大顆粒不超過(guò)2 cm，達(dá)到試驗(yàn)要求，再按最優(yōu)含水率燜土制樣。摻碎石膨脹土制樣則先將土與碎石攪拌均勻，然后再均勻?yàn)⑺疇F制。

第二步填筑土樣和埋設(shè)儀器。土料分層填筑，每層填筑土層厚度約為20 cm，通過(guò)環(huán)刀法測(cè)量控制壓實(shí)度為90%，按設(shè)計(jì)方案埋設(shè)土壤水分傳感器、土壓力計(jì)和砂井管。之后使用沖擊夯土機(jī)對(duì)填土進(jìn)行分層夯實(shí)，每層控制夯實(shí)后的厚度為20 cm。模型箱填筑埋設(shè)完成后，將土壓力計(jì)歸零，保證后續(xù)所測(cè)土壓力為相對(duì)側(cè)壓力。

第三步注水。關(guān)閉排水管，每?jī)商煜蚰Ｐ拖鋬?nèi)注水一次，每次注水量為100 kg，直到所測(cè)體積含水率變化達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定(相對(duì)飽和)停止注水，然后打開(kāi)排水管進(jìn)行排水。

第四步采集數(shù)據(jù)。土壤水分傳感器、土壓力計(jì)每30 min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 體積含水率

純膨脹土模型和摻碎石膨脹土模型在不同深度(25、50、75 cm)處的體積含水率隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖3所示。由圖 3可見(jiàn)，剛開(kāi)始注水的一段時(shí)間內(nèi)，不同深度的體積含水率均基本不變，之后開(kāi)始快速增加，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后體積含水率趨于穩(wěn)定，最后排水時(shí)體積含水率逐漸下降。本次試驗(yàn)的注水方案是每2 d定量注水一次，剛開(kāi)始一段時(shí)間體積含水率不變，是水入滲到達(dá)土壤水分傳感器的時(shí)間，所需時(shí)間的長(zhǎng)短可以反映土體滲透性。之后隨著注水次數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間的增加，體積含水率在波動(dòng)中上升，當(dāng)注水后體積含水率在2 d內(nèi)都基本穩(wěn)定時(shí)認(rèn)為土體達(dá)到相對(duì)飽和，這一階段為浸水階段，停止注水，穩(wěn)定一段時(shí)間后打開(kāi)模型箱底部的排水閥排水，各深度的體積含水率逐漸降低。

圖3 體積含水率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖 3(a)為純膨脹土模型箱中不同深度體積含水率的變化情況，隨深度增加，純膨脹土初始體積含水率保持不變的時(shí)間明顯增長(zhǎng)，25 cm處需要10 d，50 cm處需要18 d，75 cm處要26 d。雖然設(shè)置了砂井增加水平排水通道，但效果不顯著，說(shuō)明純膨脹土且以豎向排水為主。不同深度達(dá)到穩(wěn)定體積含水率的數(shù)值相差不大，說(shuō)明注水后土體都達(dá)到了相對(duì)飽和。在排水階段，隨時(shí)間增加，深度25 cm處的體積含水率緩慢降低，而深度50 cm和75 cm處的體積含水率變化不大，說(shuō)明深部排水需要更長(zhǎng)的時(shí)間，純膨脹土滲透性差，排水比較困難。

圖 3(b)為摻碎石膨脹土模型箱中不同深度體積含水率的變化情況，注水后不同深度的體積含水率在較短時(shí)間內(nèi)便迅速增加，經(jīng)過(guò)多次間歇性波動(dòng)上升后達(dá)到穩(wěn)定峰值，且不同深度的體積含水率穩(wěn)定值接近，與深度無(wú)關(guān)。在排水階段，深度25 cm處的體積含水率先陡降，之后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明淺層的透水性明顯改善，50 cm處體積含水率也有較明顯降低，75 cm處體積含水率下降不明顯，說(shuō)明深部排水也需要更長(zhǎng)的時(shí)間，摻碎石膨脹土的排水比注水更困難。

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)的初始入滲時(shí)間，純膨脹土從25 cm處體積含水率開(kāi)始變化到深度75 cm處突變經(jīng)過(guò)了16 d，而摻碎石膨脹土僅需要3 d，可見(jiàn)摻碎石后膨脹土的滲透性得到明顯改善。

3.2 側(cè)向壓力

模型試驗(yàn)箱在完成土的填筑后將各土壓力計(jì)置零，故試驗(yàn)采集得到的壓力值為消除初始土壓力的相對(duì)側(cè)向壓力。分別測(cè)得兩個(gè)模型箱不同深度(25、50、75 cm)的相對(duì)側(cè)向壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 側(cè)向壓力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖 4可見(jiàn)，側(cè)向壓力隨時(shí)間的變化可大致分為3個(gè)階段。第一階段是波動(dòng)階段，按一定間隔時(shí)間從模型箱頂部注水，剛注水時(shí)水沒(méi)有完全入滲，有一定的水頭，通過(guò)砂井向四周滲入后土產(chǎn)生吸力，使側(cè)向壓力出現(xiàn)波動(dòng)；第二階段是停止注水后到排水前，曲線基本平穩(wěn)且略有上升；第三階段是排水時(shí)側(cè)向壓力緩慢下降的過(guò)程，在重力作用下水從表層往深處入滲最后從箱底的排水口排出，這個(gè)過(guò)程引起側(cè)向壓力下降，同時(shí)膨脹土不斷失水收縮膨脹壓力減小也造成側(cè)向壓力減小。本次試驗(yàn)中的側(cè)向壓力包括水壓力和膨脹壓力，二者很難嚴(yán)格劃分開(kāi)。第二階段體積含水率基本不變，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，側(cè)向壓力仍有所增加，增加的側(cè)向壓力為這段時(shí)間產(chǎn)生的膨脹壓力，圖 4(a)中顯示深度越大，相應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力越大。

不同深度進(jìn)行對(duì)比，越深側(cè)向壓力越大，這說(shuō)明土的側(cè)向壓力跟深度有關(guān)。兩種模型的側(cè)向壓力在不同深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同，故分析時(shí)可取同一深度處進(jìn)行深入分析。對(duì)比側(cè)向壓力的峰值，摻碎石膨脹土在各深度所達(dá)到的峰值均小于純膨脹土的。在注水階段純膨脹土側(cè)向壓力的波動(dòng)幅度大于摻碎石膨脹土的變化幅度。

4 對(duì)比分析

4.1 體積含水率與側(cè)向壓力的關(guān)系

為了探究體積含水率與側(cè)向壓力之間的關(guān)系，將兩模型箱隨時(shí)間變化的體積含水率和側(cè)向壓力繪制在同一個(gè)圖中進(jìn)行分析?？紤]到深度對(duì)體積含水率和側(cè)向壓力的規(guī)律影響不大，25 cm深度處的各指標(biāo)變化速度較快，現(xiàn)象比較明顯，選取深度為25 cm處監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。觀測(cè)時(shí)間范圍為從第一次注水開(kāi)始算起的60 d，對(duì)比關(guān)系曲線如圖 5所示。

圖5 體積含水率與側(cè)向壓力隨時(shí)間變化關(guān)系

對(duì)比圖5中的體積含水率和側(cè)向壓力曲線，兩個(gè)模型從體積含水率變化之后，側(cè)向壓力均隨體積含水率而變化，且略有滯后。

比較圖 5(a)純膨脹土模型25 cm深度處的2條曲線可以發(fā)現(xiàn)，剛開(kāi)始注水的前10 d體積含水率基本不變，側(cè)向壓力隨間歇地注水波動(dòng)變化，這一階段側(cè)向壓力的變化主要是水自重的變化。當(dāng)體積含水率陡增時(shí)，說(shuō)明水已經(jīng)入滲到25 cm處，之后隨著水繼續(xù)向下滲透，體積含水率又略有下降，側(cè)向壓力滯后一定時(shí)間也跟隨波動(dòng)，隨著體積含水率增加到穩(wěn)定，側(cè)向壓力中水分自重的影響不斷減弱，甚至可忽略不計(jì)，故此后測(cè)出的側(cè)向壓力變化可等效為膨脹壓力。從第一次注水開(kāi)始算起38 d后開(kāi)始排水，體積含水率逐漸減小，約3 d后側(cè)向壓力也開(kāi)始減小，側(cè)向壓力與體積含水率變化的相關(guān)性較好，并存在一定的滯后。

圖 5(b)摻碎石膨脹土模型箱25 cm處的體積含水率和側(cè)向壓力曲線在開(kāi)始注水后變化就十分明顯，在開(kāi)始注水后約3 d，體積含水率驟升，再經(jīng)過(guò)約1 d的時(shí)間，此處的側(cè)向壓力也有了較大幅度的上升。體積含水率穩(wěn)定后側(cè)向壓力變化幅度較小，說(shuō)明浸水后摻碎石膨脹土淺層的膨脹壓力小，排水閥開(kāi)啟后淺層的體積含水率開(kāi)始降低很快，之后緩慢降低，側(cè)向壓力與體積含水率有很好的一致性。由于摻入的碎石的粒徑較大，摻碎石膨脹土存在較大的孔隙，便于水分入滲，摻碎石膨脹土的滲透性得到改善，側(cè)向壓力的滯后于體積含水率的時(shí)間縮短。

4.2 摻碎石對(duì)膨脹土改良效果分析

為對(duì)比分析摻碎石改良的效果，選取兩模型箱25 cm深度處的體積含水率和側(cè)向壓力兩個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行對(duì)比，兩模型箱的體積含水率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 體積含水率隨時(shí)間變化關(guān)系

對(duì)比圖6中兩個(gè)模型箱25 cm處體積含水率的變化曲線，注水后兩種模型箱的體積含水率均有明顯的上升。摻碎石膨脹土體積含水率的變化幅度為58%，遠(yuǎn)大于純膨脹土的41%。摻碎石膨脹土在開(kāi)始注水后約3 d體積含水率便開(kāi)始快速上升，而純膨脹土模型經(jīng)過(guò)約10 d才開(kāi)始變化。隨后間斷注水到相對(duì)飽和的時(shí)間以及排水過(guò)程，摻碎石膨脹土的體積含水率變化速度都比純膨脹土的快得多。主要是因?yàn)榧兣蛎浲林叙ち：扛?，土中的黏滯阻力較大，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值后，克服了孔隙中的氣泡阻力和土中的黏滯阻力后才發(fā)生滲透，透水性差，而在土中摻入碎石后增大顆粒間的孔隙，能有效降低土中的黏滯阻力，明顯提高土的滲透性，故在膨脹土中摻入一定比例的碎石能對(duì)土的滲透性有很大的改善，能加快水分的滲入和排出。

兩模型箱深度25 cm處的側(cè)向壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖 7所示。體積含水率相對(duì)穩(wěn)定的階段為浸水階段，純膨脹土的浸水階段為注水后開(kāi)始算第27天至第38天，摻碎石膨脹土為第16天至第27天。

圖7 側(cè)向壓力隨時(shí)間變化關(guān)系

剛開(kāi)始注水階段前兩模型箱的側(cè)向壓力變化十分明顯，間斷注水使得采集到的側(cè)向壓力包含水的自重壓力以及膨脹土吸水產(chǎn)生的側(cè)向膨脹壓力，二者很難區(qū)分開(kāi)來(lái)。進(jìn)入浸水階段后，水的自重對(duì)側(cè)向壓力變化的影響很小，可忽略不計(jì)，采集到的側(cè)向壓力變化量為浸水階段膨脹土產(chǎn)生的側(cè)向膨脹力。對(duì)比圖7中的浸水階段，純膨脹土的側(cè)向壓力有明顯上升過(guò)程，側(cè)向膨脹力的增幅0.98 kPa，說(shuō)明中浸水過(guò)程中純膨脹土仍在吸水膨脹，而摻碎石膨脹土的側(cè)向膨脹壓力基本不變，說(shuō)明在浸水階段摻碎石膨脹土已經(jīng)不再產(chǎn)生膨脹力，可見(jiàn)摻碎石能有效降低膨脹土中的側(cè)向膨脹壓力。碎石摻在膨脹土中與膨脹土嵌擠咬合，增大顆粒間的摩擦力，約束部分膨脹土的膨脹變形能較明顯地降低膨脹土中的側(cè)向膨脹壓力。建議在路基等擋墻工程中可以考慮摻碎石改良膨脹土作為擋墻填料，降低側(cè)向膨脹力對(duì)擋墻的影響。

5 結(jié)論

采用自制的擋墻模型進(jìn)行試驗(yàn)，基于最優(yōu)初始含水率和最優(yōu)摻碎石比，分析了體積含水率和側(cè)向膨脹壓力等指標(biāo)的變化規(guī)律，探討摻碎石改良膨脹土的膨脹性能及碎石改良膨脹土作為擋土墻填料的可行性，研究結(jié)論如下。

(1)純膨脹土滲透性差，水分入滲十分緩慢。摻碎石膨脹土存在較大的孔隙，能有效降低膨脹土的黏滯阻力，明顯改善膨脹土滲透性，加快水分的入滲和排出，減少土體吸水膨脹對(duì)工程中的影響。

(2)膨脹土在側(cè)向受限以及浸水的條件下會(huì)產(chǎn)生側(cè)向膨脹力，側(cè)向膨脹力的變化與體積含水率的變化呈正相關(guān)，但側(cè)向膨脹力滯后于體積含水率變化一段時(shí)間后才發(fā)生；摻入25%碎石的膨脹土能顯著提高膨脹土的滲透性，體積含水率和側(cè)向膨脹力的變化加快，且側(cè)向膨脹力受體積含水率影響的滯后時(shí)間較少。

(3)浸水階段純膨脹土側(cè)向膨脹力的增幅遠(yuǎn)大于摻碎石膨脹土的，摻碎石膨脹土能較為有效地降低側(cè)向膨脹力，達(dá)到改良膨脹土的效果。