杨俊，黎新春，张国栋，唐云伟，梁勇

（1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市交通运输局，湖北宜昌 443002; 3.湖北省宜昌市夷陵区小鸦一级公路改建项目部，湖北宜昌 443002）

风化砂改良膨胀土膨胀特性试验研究

杨俊1，黎新春1，张国栋1，唐云伟2，梁勇3

（1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市交通运输局，湖北宜昌 443002; 3.湖北省宜昌市夷陵区小鸦一级公路改建项目部，湖北宜昌 443002）

结合湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程及风化砂改良膨胀土路基施工项目，对膨胀土掺入不同比例的风化砂配制试件，进行自由膨胀率、无荷膨胀率、25 kPa和50 kPa有荷膨胀率以及膨胀力的试验研究，得到了不同掺砂比例下膨胀土的膨胀率和膨胀力指标。研究发现:掺砂对抑制膨胀土的膨胀是有效的，经过风化砂改良的膨胀土的自由膨胀率小于35%，达到了路基施工规范的要求。不同的掺砂量对改良膨胀土的膨胀指标有着显著的影响:当掺砂比例为10%时，自由膨胀率、膨胀力降低最为显著;当掺砂比例为40%～50%时，25 kPa有荷膨胀率的变化最为明显;掺砂比例为30%～40%，50 kPa有荷膨胀率变化的幅度最大;掺砂比例为40%时，荷载的增加对抑制膨胀性效果最明显;掺砂比例对无荷膨胀率影响很小，基本呈平缓线性变化。通过对掺砂效果的综合比较，掺砂10%能最快最经济抑制膨胀。

膨胀土;风化砂;自由膨胀率;无荷膨胀率;有荷膨胀率;膨胀力

1 研究背景

膨胀土是一种具有显著胀缩性的塑性黏土，其黏粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成。膨胀土对公路工程不利的主要性质表现为遇水膨胀、强度骤减、失水干缩、坚硬而又常有收缩裂隙，易产生路堤滑塌、失稳、滑坡等严重事故，还会产生路面开裂、膨胀、松散、剥落等病害［1］。从已建和在建的高速公路情况看，膨胀土地区高速公路往往经过多年运行，其路基仍不稳定，路基沉陷和路堤边坡坍滑时有发生，水泥混凝土板断裂、甚至产生较大的错台等病害，造成巨大的经济损失。

膨胀土改良方法有物理改良、化学改良和生物改良方法，目前最常用的就是化学改良方法，如掺石灰、水泥、粉煤灰等［2-6］。掺石灰改良膨胀土能够明显地减小膨胀土的塑性，但是水稳定性较差，施工周期较长，施工的工序复杂，并且现场施工难以控制，对环境污染比较大，同时对施工工作人员的健康也存在着威胁;掺水泥改良膨胀土凝结硬化快，施工时间紧迫，干缩裂缝现象明显，固化效果不好，现场施工难以控制;掺粉煤灰改良膨胀土能够提高膨胀土的抗剪强度，降低液限，但是对胀缩性改良效果不明显，且成本相对较高，现场施工难以控制。由于砂粒有一定的硬度和粒径，掺入土中拌合难度要明显小于掺石灰、水泥、粉煤灰等细料，且已在各省公路上有过应用［7］。小溪塔至鸦鹊岭一级公路沿线膨胀土分布广，周围没有其它可换填的材料。但是当地风化分布较广，根据实际情况，采用风化砂对膨胀土进行物理改良，利用砂的摩阻力来抵消膨胀土的膨胀力，抑制膨胀土的膨胀，达到路基工程材料的标准，同时能够充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造价，还能起到保护环境的作用。本文通过对不同比例的掺砂膨胀土的膨胀特性进行室内试验研究，验证了掺砂改良膨胀土的可行性，同时得到了不同的掺砂量对改良膨胀土膨胀特性的影响。

2 试验土样

试验采用的膨胀土取自湖北省宜昌市夷陵区小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24+000至K26+000段，试验采用的风化砂取自鸦鹊岭K22+000至K23+ 000段。膨胀土土样颜色为灰色，有滑感，黏土质较重，肉眼可看到少量的白色钙质结核;风化砂颜色为土黄色，颗粒较细。试验采用的膨胀土和风化砂的基本性质指标见表1、表2。

表1 膨胀土基本性质指标Table 1Basic properties of expansive soil for the test

表2 风化砂基本性质指标Table 2Basic properties of weathered sand for the test

由表1、表2可知该膨胀土天然含水率较高，液限WL=70.53%（＞50%），塑限WL=24.09%，塑性指数Ip=46.44%（＞17%），该膨胀土为高液限黏土;自由膨胀率为δef=43%（40%＜δef＜60%），膨胀等级初步判定为弱膨胀土。风化砂土样中粒径＞0.075 mm的含量达73.42%（＞50%），且不均匀性系数2.84（＜5），曲率系数0.86（＜1），为级配不良细砂。

将风化砂按照不同的比例掺入到膨胀土中进行对比试验研究，不掺砂的膨胀土称为纯膨胀土，掺入风化砂之后的膨胀土称为掺砂膨胀土。本试验掺砂比例（质量比）采用6种情况:①m砂∶m土=0∶100;②m砂∶m土=10∶90;③m砂∶m土=20∶80;④m砂∶m土= 30∶70;⑤m砂∶m土=40∶60;⑥m砂∶m土=50∶50;对应的试样编号为1﹟，2﹟，3﹟，4﹟，5﹟，6﹟。膨胀土的掺砂效果通过掺砂前后膨胀土的指标之差与纯膨胀土的指标之比来进行衡量（计为R），增大为正，减小为负。

3 掺砂膨胀土的击实试验

取一定量风干的膨胀土和砂土样，按照试验设计的配合比，配置不同比例的掺砂膨胀土样，并按照《公路土工试验规程JTG E 40—2007》制备击实土样，土样采用干法制备，击实土样不重复使用［7］。选用DJ-Q型电动击实仪进行重型击实试验，选用直径15.2 cm的击实桶，土样分3层，每层98击，单位体积的击实功为2 677.2 kJ/m3。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTG E 51—2009》，每个土样做2组平行试验，取平行试验差值满足精度要求的2组结果的平均值作为最终试验结果。掺砂膨胀土的击实试验结果见表3，掺砂膨胀土的击实曲线见图1。最大干密度与掺砂比例之间的关系见图2。最佳含水量与掺砂比例之间的关系见图3。

试验结果表明:掺砂改变了膨胀土的击实特性。掺砂后，膨胀土的最佳含水率降低、最大干密度增大、孔隙率减小;随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的最佳含水率逐渐降低;最大干密度先增大后减小;孔隙率先减小后增大。随着掺砂比例的增大，最佳含水率降低的趋势逐渐加快，掺砂比例为40%时，最佳含水率下降最快;最大干密度变化的趋势先增大后逐渐变缓，掺砂20%的时候，最大干密度增大的趋势最明显，此时掺砂的效果是最好的。

表3 掺砂膨胀土的击实试验结果Table 3Results of compaction test on the expansive soil mixed with weathered sand

图1 掺砂膨胀土的击实曲线Fig.1Curves of compaction of the expansive soils mixed with weathered sand

图2 最大干密度与掺砂比例曲线Fig.2Curve of maximum dry density vs.weathered sand proportion

图3 最佳含水率与掺砂比例曲线Fig.3Curve of optimum water content vs.weathered sand proportion

图4 重型击实试样Fig.4Photo of the specimen for heavy compaction test

4 掺砂膨胀土的自由膨胀率试验

自由膨胀率是指松散的烘干土粒在水和空气中分别自由堆积的体积之差与空气中自由堆积的体积之比，它反映了膨胀土的膨胀潜势的高低，同时也是反映膨胀土膨胀性质的最直观的指标，常作为膨胀土判别和分类的指标。根据《公路土工试验规程JTG E 40—2007》，先将风干碾细的膨胀土土样和风化砂分别过0.5 mm筛，然后在105～110℃下烘干至恒重，在干燥器中冷却后按照设计的配合比分别配制不同比例的掺砂土样，用标准量土杯取10 mL土样进行自由膨胀率试验。每个土样做4组平行试验，取平行试验差值满足精度要求的4组结果平均值作为最终试验结果。掺砂膨胀土的自由膨胀率试验结果见表4。

表4 掺砂膨胀土的自由膨胀率指标Table 4Indicators of the free swelling ratio of expansive soil samples mixed with weathered sand

掺砂土样的自由膨胀率与掺砂比例之间的关系见图5。膨胀土的掺砂效果与掺砂比例之间的关系见图6。

图5 自由膨胀率与掺砂比例曲线Fig.5Curve of free swelling ratio vs.weathered sand proportion

图6 自由膨胀率的掺砂效果与掺砂比例曲线Fig.6Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of free swelling ratio

图7 自由膨胀率试验Fig.7Photo of the test of free swelling ratio

通过表4、图5和图6能够看出:掺砂膨胀土的自由膨胀率比未掺砂前有显著的降低，说明掺砂对于抑制弱膨胀土的膨胀起到了一定的作用。随着掺砂比例的增大，膨胀土的自由膨胀率逐渐降低，从纯膨胀土到掺砂50%，膨胀土的自由膨胀率从43.5%下降到17.0%;随着掺砂比例的增大，膨胀土的自由膨胀率降低的幅度逐渐减小;在掺砂比例从0增大到10%的时候，自由膨胀率降低幅度最大，此时的掺砂效果是最好的。

5 掺砂膨胀土的无荷膨胀率试验

无荷膨胀率是指试样在无荷载有侧限的条件下，浸水后在高度方向上的单向膨胀量与原高度的比值，常作为评价黏性土膨胀潜势的参考指标。不同比例掺砂土样的制备过程与自由膨胀率试验相同。根据重型击实试验得到的最佳含水率，分别配制最佳含水率状态下的掺砂土样，然后焖料制样，无荷膨胀率试样直径61.8 mm、高20 mm，采用WZ-2型膨胀仪进行测试。每个土样做2组平行试验，取平行试验差值满足精度要求的2组结果的平均值作为最终试验结果，掺砂膨胀土的无荷膨胀率试验结果见表5。

表5 掺砂膨胀土的无荷膨胀率指标Table 5Indicators of non-loaded swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand

掺砂土样的无荷膨胀率与掺砂比例之间的关系见图8。膨胀土的掺砂效果与掺砂比例之间的关系见图9。

图8 无荷膨胀率与掺砂比例关系Fig.8 Curve of non-loaded swelling ratio vs. weathered sand proportion

试验结果表明:在有侧限无荷载的条件下，随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的无荷膨胀率逐渐减小;掺砂之后，无荷膨胀率从9.39%减小到6.83%。掺砂膨胀土的膨胀率比未掺砂前低，但是掺砂之后无荷膨胀率减少的量不是很明显，说明掺砂对膨胀土的无荷载膨胀率的影响较小。随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的无荷膨胀率减小的趋势平缓。通过试验对比发现，无荷膨胀率与掺砂比例之间呈线性关系，关系式为y=-0.049 4x+9.32，相关系数为0.994 5。掺砂效果与掺砂比例之间也呈线性关系，随着掺砂量的改变，无荷膨胀量变化的趋势平缓。表明，掺砂对膨胀土的无荷膨胀率基本上影响不大。

图9 无荷膨胀率的掺砂效果与掺砂比例关系Fig.9Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of non-loaded swelling ratio

图10 无荷膨胀率试验Fig.10Photo of the test of non-loaded swelling ratio

6 掺砂膨胀土的有荷膨胀率试验

有荷膨胀率指土样在有荷载有侧限的条件下，浸水后在高度方向上的单向膨胀量与原高度的比值，一般用来模拟覆盖压力或者某一特定荷载下土的膨胀率，研究荷载与膨胀率之间的关系。试样的制备过程与无荷膨胀率试验相同;采用双联固结仪进行测试。根据工程的需要，测试25 kPa和50 kPa下的膨胀率。每个土样做2组平行试验，取平行试验差值满足精度要求的2组结果的平均值作为最终试验结果。掺砂膨胀土的有荷膨胀试验结果见表6。

掺砂土样的有荷膨胀率与掺砂比例之间的关系见图11。膨胀土的掺砂效果与掺砂比例之间的关系见图12。

通过表6、图11和图12能够看出:掺砂膨胀土的有荷膨胀率比未掺砂前明显降低;掺砂前，25 kPa的膨胀率为2.34%，50 kPa的膨胀率为1.69%;掺砂50%时，25 kPa的膨胀率为0.56%，50 kPa的膨胀率为0.09%。随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的有荷膨胀率逐渐减小。随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的有荷膨胀率减小的幅度逐渐增大。通过试验对比发现:在25 kPa荷载下，掺砂比例为40%时，此时有荷膨胀率变化速率最快;在50 kPa荷载下，掺砂比例为30%时，此时的有荷载膨胀率变化最快;当掺砂量大于40%时，掺砂比例基本上对无荷膨胀率没有影响。通过对相同掺砂量不同荷载下有荷膨胀率的比较还可看出，荷载越大，土样的膨胀率越小，说明荷载能抑制膨胀土的膨胀，当掺砂40%的时候，荷载的增大对膨胀率的影响是最大的。

表6 掺砂膨胀土的有荷膨胀率指标Table 6Indicators of the loaded swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand

图11 有荷膨胀率与掺砂比例关系Fig.11Curves of loaded swelling ratio vs. weathered sand proportion

图12 有荷膨胀率的掺砂效果与掺砂比例关系Fig.12Curves of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of loaded swelling ratio

图13 有荷膨胀率试验Fig.13Photo of the test of loaded swelling ratio

7 掺砂膨胀土的膨胀力试验

膨胀力是指在不允许侧向变形的情况下，保持土体充分吸水而不发生竖向膨胀所需施加的最大压力值［8-11］，是评定膨胀土膨胀潜势的重要指标。试样的制备过程与无荷膨胀率试验相同，采用平衡加压法进行测试。每组土样做4组平行试验，取平行差值满足精度要求的4组结果的平均值作为最终试验结果，掺砂膨胀土的膨胀力试验结果见表7。掺砂土样膨胀力与掺砂比例之间的关系见图14。膨胀土的掺砂效果与掺砂比例之间的关系见图15。

表7 掺砂膨胀土的膨胀力指标Table 7Indicators of expansion force of the expansive soil mixed with weathered sand

图14 膨胀力与掺砂比例关系Fig.14Curve of expansion force vs. weathered sand proportion

图15 膨胀力的掺砂效果与掺砂比例关系Fig.15Curve of the rate of mix effect vs.the weathered sand proportion for the test of expansion force

图16 膨胀力试验Fig.16Photo of the test of expansion force

通过表7、图14和图15能够看出:掺砂膨胀土的膨胀力比未掺砂前有显著的降低，说明掺砂对于抑制膨胀土的膨胀起到了一定的效果。随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的膨胀力逐渐减小;掺砂前，土样的膨胀力为72.54 kPa，掺砂50%时，土样的膨胀力为11.23 kPa。随着掺砂比例的增大，掺砂膨胀土的膨胀力减小的幅度逐渐变缓慢。通过试验对比发现，当掺砂比例从0增大到10%的时候，此时膨胀力减小的幅度是最大的，此时掺砂的效果是最好的。

8 结论

（1）通过对不同比例掺砂膨胀土的重型击实和膨胀率指标的对比试验结果可知，掺风化砂改良膨胀土的方法是可行的。通过对掺砂膨胀土的膨胀指标进行研究可以得出:经过风化砂改良的膨胀土的自由膨胀率小于35%，达到了路基施工规范对路基填料膨胀指标的要求。

（2）掺风化砂降低了膨胀土的最佳含水率，提高了膨胀土的最大干密度，减小了膨胀土的空隙率，表明掺砂改变了膨胀土的含水特性和密实特性。

（3）掺砂降低了膨胀土的最佳含水率，掺砂40%时，最佳含水率减小最为显著;掺砂增大了膨胀土的最大干密度，掺砂20%时，最大干密度增大最为明显。

（4）掺砂对膨胀性指标影响较大。掺砂比例为10%时，自由膨胀率、膨胀力降低最为显著;掺砂比例为40%～50%时，25 kPa有荷膨胀率变化最为明显;掺砂比例为30%～40%时，50 kPa有荷膨胀率变化幅度最大;掺砂比例为40%时，荷载的增加对抑制膨胀性效果最明显;掺砂比例对无荷膨胀率影响很小，基本呈平缓线性变化。综上所述，掺砂10%能最快最经济抑制膨胀。

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（编辑:周晓雁）

Expansive Properties of Expansive Soil Improved by Mixing Weathered Sand

YANG Jun1，LI Xin-chun1，ZHANG Guo-dong1，TANG Yun-wei2，LIANG Yong3
（1.College of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang443002，China; 2.Transport Bureau of Yichang City，Yichang443002，China;3.Project Department of Xiaoya First-Class Highway in Yiling District，Yichang443002，China）

This research is carried out to improve the expansive soil subgrade of the first-class highway from Xiaoxita to Yaqueling in Yichang city.Different amounts of weathered sand were mixed in expansive soil samples to investigate the expansive soil’s free swelling ratio，unloaded swelling ratio，loaded swelling ratio（25kPa and 50kPa）and expansion force.Through heavy compaction test and comparison of swelling rates，it’s found that adding weathered sand changes the water content and compaction of expansive soil，and hence restrains the expansion.The free swelling ratio of expansive soil mixed with weathered sand is less than 35%，which meets the requirement of subgrade construction.Different ratio of mixed sand to soil has different effect on the expansion:when the mix ratio is 10%，the free swelling ratio and expansion force decrease most remarkably;when the ratio is 40%-50%，the swelling rate under 25kPa loading changes most evidently;when the ratio is 30%-40%，the swelling rate under 50kPa changes by a biggest margin;when the ratio is 40%，the increase of load can well control the expansion. The amount of weathered sand has slight influence on unloaded swelling ratio.It’s concluded that the expansion of expansive soil mixed with 10%weathered sand could be restrained most rapidly and economically.

expansive soil;weathered sand;free swelling ratio;non-loaded swelling ratio;loaded swelling ratio; expansion force

TU443

A

1001-5485（2013）04-0067-06

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.015

2013，30（04）:67-72

2012-04-09;

2012-05-20

杨俊（1976-），男，湖北武汉人，副教授，博士，从事道路与铁路工程测试及基础处理方面的研究，（电话）15971646394（电子信箱） wangjing750301@163.com。