平顶山膨胀土工程性质试验研究

翟聚云，金光磊，周 顺，裴亚兵，李海鹏，郭亚昆，焦俊杰

(1.河南城建学院，河南平顶山 467036;2.平顶山地质工程处，河南平顶山 467000)

膨胀土是水敏感性较强的一种特殊土，其强度和膨胀性与土的含水率和干密度有关［1］。对膨胀土的研究比较多，或研究其膨胀性能［2］，或研究其强度［3］，也有过对河南省平顶山膨胀土的研究［4］，但是本文对平顶山膨胀土的膨胀性、强度变化规律及改良的研究是首次。膨胀土样本取自平顶山襄城县湛北乡姜店村西约500m，李成功村北侧，S329省道南侧，为灰绿(棕黄)色或棕红色黏土，结构致密，硬塑～坚硬。

1 原状土性能

对原状膨胀土进行试验，主要测试参数有:胀缩参数、膨胀力等。测试天然土样参数为天然含水率20%～26%，天然密度1.8～2.0 g/cm3，干密度1.5～1.7 g/cm3，孔隙比0.69 ～0.81，压缩指数 0.08 ～0.15，黏聚力 35～85 kPa，内摩擦角 9°～27°，液限 36% ～45%，塑限18% ～22%，塑性指数15～26，液性指数0～0.3。

1.1 收缩试验

对不同干密度的原状土进行收缩试验，可得到其线缩率随含水率的变化趋势曲线，对曲线进行拟合，所得的直线斜率见表1。

直线斜率的绝对值可近似取0.5，所以收缩系数可取为0.5。

表1 线缩率—含水率变化曲线直线段拟合方程斜率

1.2 膨胀率试验

在固结仪上，对原状土进行膨胀率试验得到不同含水率及干密度情况下膨胀率随压力的变化趋势，如图1。

图1 膨胀率—压力变化曲线

由图1可以看出，对相同土样，膨胀率随压力的增大而减小，土样结构、不均匀性及干密度等对膨胀率也有影响。

1.3 膨胀力试验

在固结仪上，对原状土进行膨胀力试验，原状土的含水率为17% ～19%，膨胀力为50～100 kPa，如图2，可见一次干缩循环后，膨胀力减小很多。

2 重塑土性能

对重塑土样分组进行不同压力、含水率、干密度的膨胀率试验，膨胀力、渗透系数试验，反映抗剪强度的黏聚力和内摩擦角试验。

图2 膨胀力试验曲线

2.1 膨胀率试验

2.1.1 不同干密度的膨胀率

将风干的膨胀土碎样过筛，加水初配所需的含水率，封闭静置至均匀，再测得精确含水率，分别得含水率19.11%，21.12%，28.90%的膨胀土，用静压法对相同含水率的膨胀土配制1.50 g/cm3，1.55 g/cm3，1.60 g/cm3，1.65 g/cm3，1.70 g/cm3的土样，进行无荷，50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa 荷载作用下的膨胀率试验，分析各种荷载下膨胀率随干密度的变化情况，见图3。

由图3可以看出，含水率一定时，膨胀率随干密度的增加呈增加的趋势，而且含水率接近饱和时，膨胀性基本消失，产生的变形基本上是荷载产生的沉降。

图3 膨胀率—干密度曲线

2.1.2 不同含水率的膨胀率

对不同干密度下膨胀率随含水率变化进行分析，其规律是一致的，相同干密度情况下，随着含水率的增加，膨胀率减小。图4为干密度1.70 g/cm3时的膨胀率—含水率曲线。

图4 干密度为1.70 g/cm3的膨胀率—含水率曲线

2.2 膨胀力试验

含水率19.11%，21.12%，25.00%，28.90%的膨胀土，不同干密度下的膨胀力如图5。

图5 不同含水率下的膨胀力—干密度曲线

由图5可以看出，当含水率一定时，随着干密度增大膨胀力逐渐增大，当含水率比较大时，膨胀力比较小，此时随干密度的变化不明显。

2.3 抗剪强度试验

对几组含水率的不同干密度土样的抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角进行试验，结果如图6和图7。

图6 黏聚力—干密度曲线

由图6可知，干密度对黏聚力的影响不明显，当含水率较小时，土颗粒的黏结程度较差，黏聚力随含水率增大而增大，当增大到一定数值时，因为含水率的增大，土体饱和度也增加，使得土颗粒更容易滑动，黏聚力则随含水率的增大而减小。

由图7可以看出，相同干密度情况下，随着含水率增加，土体饱和度逐渐增大，内摩擦角逐渐减小。

图7 内摩擦角—干密度曲线

2.4 渗透系数

对重塑土进行几组干密度的渗透系数测试，见图8。由图8可以看出，干密度对渗透系数的影响较明显，相同土质，随着干密度的增大，渗透系数显著减小。

由重塑膨胀土的膨胀性，可以得到，在150 kPa，200 kPa时，膨胀土的膨胀性基本消失。含水率一定时，膨胀率随干密度的增加呈增加的趋势，而且当含水率接近饱和时，膨胀性能基本消失;相同干密度情况下，随着含水率的增加膨胀率减小。相同含水率时，随着干密度增大膨胀力逐渐增大;含水率比较大时膨胀力数值比较小。含水率较小时，黏聚力随含水率增大而增大，增大到一定数值时变化为随含水率的增大而减小;相同干密度情况下，随着含水率增加内摩擦角逐渐减小。相同土质，随着干密度的增大，渗透系数显著减小。

图8 渗透系数—干密度曲线

3 膨胀土改良试验

在公路建设沿线膨胀土广泛分布，加上土地资源匮乏，工程上只得利用不良的膨胀土源作为填料来填筑路基。为了使作为路基填料的膨胀土满足稳定和变形两方面的要求［5-6］，需对其进行改良。

对平顶山膨胀土，在室内用不同掺量粉煤灰改性处理，进行对比试验，对不同掺合料的处理效果和适用性进行研究。

将膨胀土样碎样，按确定掺量比例添加，掺量为粉煤灰质量/干土质量，制备粉煤灰掺量为 0，10%，14%，18%，22%的试样，含水率约为21%，加水静置到均匀，再精确测试土样的含水率，掺量为0，10%，14%的试样按轻型击实标准进行击实成型，然后进行各种指标的试验;掺量为18%和22%的试样静压成型。试验的测定指标有膨胀率、收缩率、自由膨胀率、塑液限等。

对收缩率随含水率的变化曲线进行拟合，得到线缩率—含水率曲线直线段的拟合方程斜率如表2。

表2 线缩率—含水率曲线直线段拟合方程斜率

由表2可以看出，土体收缩系数，由土质和干密度共同影响，在相同干密度情况下，随着粉煤灰掺量的增加，收缩系数逐渐减小。

对粉煤灰掺量为0，10%，14%，18%，22%的试样进行无荷和荷载为25 kPa的膨胀率试验，结果见图9。

图9 膨胀率—粉煤灰掺量曲线

由图9可知:膨胀率随粉煤灰掺量的增加而减小，当掺量较大时，因为粉煤灰本身性质的原因其膨胀性有所增大。所以，用粉煤灰改良膨胀土时，最大掺量不宜超过20%。随着粉煤灰掺量的增加，膨胀土的无荷膨胀率近似线性减小。

分别对粉煤灰掺量为0，10%，14%，18%，22%的试样，进行自由膨胀率、液塑限试验，得表3。

表3 不同粉煤灰掺量试样的自由膨胀率、液塑限

由表3可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，收缩系数逐渐减小，自由膨胀率、液限、膨胀率逐渐降低。

由数据可以看出，粉煤灰处理的效果不理想，处理到最佳状态时还具有弱膨胀性，处理的方法还需要进一步研究。

4 结语

本文通过系统试验所获得的平顶山原状土和重塑土的性能参数及改良试验资料可为进一步研究该膨胀土的变形和稳定性提供参考。

［1］熊山铭.膨胀土工程特性及处治技术［J］.华东公路，2011，189(3):65-69.

［2］卢再华，陈正汉，蒲毅彬.膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT 试验研究［J］.岩土力学，2002，4(23):417-422.

［3］缪林昌，刘松玉.南阳膨胀土的水分特征和强度特性研究［J］.水利学报，2002(7):87-92.

［4］翟聚云.平顶山地区膨胀土地基探讨［J］.建筑技术开发，2002(6):20-22.

［5］查甫生，刘松玉，杜延军.石灰—粉煤灰改良膨胀土试验［J］.东南大学学报(自然科学版)，2007，37(2):339-344.

［6］王征，周进，黄志全.南水北调禹州段压实膨胀土膨胀性试验研究［J］.铁道建筑，2012(2):75-78.