（岩土工程专业论文）石灰改良膨胀土室内试验研究.pdf

翌塑盔兰堡主兰苎 摘要 本学位论文介绍了膨胀土地基对工程建设的危害，分析了膨胀土主要性质， 讨论了用膨胀土作为路基填筑材料存在的主要问题，提出了解决方案。结合宁淮 高速公路淮安段沿线地区的膨胀土样进行了室内土工试验，得到了天然的含水 率、液限、塑限、自由膨胀率等一些室内试验指标。以生石灰作为改良剂对膨胀 土进行了性质改良。进行了素土、改良土的击实试验、动载试验、无荷膨胀率试 验、膨胀力试验、固结试验、细观试验和不同龄期的石灰土无侧限抗压强度试验 等，较系统研究了石灰改良膨胀土的工程性质。具体内容如下： ( 1 ) 阐述了膨胀土的基本工程性质和掺石灰后的改良膨胀土的机理。 ( 2 ) 研究了天然膨胀土和石灰改良土的最优含水率、最大干密度变化规律， 无侧限抗压强度的变化规律，无荷膨胀率、膨胀力的变化规律以及改良膨胀土弹 性模量随循环加载次数的变化规律。 ( 3 ) 通过微细结构光学测试系统拍摄不同素土、改良土试样的照片，得到压 实度、掺灰比、养护时间与土体孑l 隙和颗粒面积占总面积的百分比、定向度及分 布分维关系，揭示了些改良膨胀土的微细结构的变化规律。 ( 4 ) 研究素土、石灰改良土的压缩系数随不同条件的变化规律。并进行了路 基膨胀和沉降计算，预测了工后沉降。 ( 5 ) 根据前人的成果和本论文的研究成果，针对膨胀土在高速公路路基处理 应用中存在的不足和亟待鳃决的问题，提出一些合理的建议。 关键词；膨胀土石灰改良土 强度施工工艺固结试验沉降 固结系数自由膨胀率 鎏塑查兰塑圭：| 垒苎一a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ed a n g e rb r o u g h tf r o m t h eg r o u n db a s em a d e b ye x p a n s i v es o i l t ot h ec o n s t r u c t i o ni si n t r o d u c e d m a i np r o p e r t i e so fe x p a n s i v es o i la r ea n a l y s e d ，t h e p r o b l e m se x i s t i nc o n s t r u c t i n gb a s ew i t he x p a n s i v es o i la r ed i s c u s s e da n dp r e s e n t r e s o l v e n t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nr e p r e s e n t a t i v es a m p l e sf r o m h u a n a nr e g i o no fn i n g h u a ie x p r e s s w a yi n t h i s t h e s i s p h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r ss u c ha sn a t u r a lm o i s t u r ec o n t e n t ，l i q u i dl i m i t ，p l a s t i cl i m i t ，f r e es w e l l i n g r a t i oa r eo b t a i n e d w h e nl i m ei su s e da ss t a b i l i z e da g e n tt oi m p r o v e dt h ep r o p e r t i e so f e x p a n s i v es o i l ，c o m p a c t i o nt e s t s ，d y n a m i cl o a dt e s t ，n o n ep r e s s u r ee x p a n s i o nt e s t s ， s w e l l i n g f o r c e t e s t ，c o n s o l i d a t i o nt e s t ，m i c r o c o s m i c t e s ta n dn o n c o n f i n e d c o m p r e s s i o nt e s t so f d i f f e r e n tp e r i o d sh a v eb e e nm a d e t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f i m p r o v e de x p a n s i v e s o i la r es t u d i e d t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p a t i a t e o ft h em a i n e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s o f e x p a n s i v e s o i la n d m e c h a n i s mo f e x p a n s i v e s o i li m p r o v e db yl i m e ( 2 ) r e s e a r c ht h er u l e so fc h a n g ea b o u to p t i m u mw a t e rc o n t e p t m a x i m u md r y d e n s i t ns t r e n g t h ，n o n ep r e s s u r ee x p a n s i o n s w e l l i n gf o r c ea n de l a s t i c i t ym o d u l u so f i m p r o v e de x p a n s i v es o i la d a p t e d t od i f f e r e n tt i m e so f c y c l el o a d i n g ( 3 ) t a k et h ep h o t o so fs a m p l e so fd i f f e r e n tp l a i ns o i la n di m p r o v e de x p a n s i v e s o i lb y u s i n gt h eo p t i c a lm i c r o s t r u c t u r ee x p e r i m e n ts y s t e m g e tt h er e l a t i o nb e t w e e n d e g r e eo fc o m p a c t i o n ，p e r i o da n da r e ar a t i oo fp o r e ( g r a i n ) o fs o i lm a s s ，o r i e n t a t i o n d e g r e e ，d i s t r i b u t i o n ，d i m e n s i o n s h o ws o m er o l e so fc h a n g eo f m i n u t e n e s ss t r u c t u r eo f i m p r o v e de x p a n s i v es o i l ( 4 ) r e s e a r c ht h er u l e so fc h a n g ea b o u tt h ec o m p r e s s i o nm o d u l u so f p l a i ns o i l a n d i m p r o v e de x p a n s i v es o i l o nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s m e a n w h i l ec a l c u l a t et h e s e t t l e m e n to f r o a d b e d , p r e d i c tt h el a t e rs e t t l e m e n t ( 5 ) p u t t i n gf o r w a r d s o m ea d v i c e s a i m i n g a tt h eu n s a v e dp r o b l e m s i nr o a d f o u n d a t i o n o f h i g h w a y o i lt h eb a s i so f t h e o r y c o m b i n i n gw i t hp r a c t i c ea n dr e a d i n gl o t s o f d a t aa b o u t e x p a n s i v es o i li f lt h ew o r l d k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ；l i m es t a b i l i z e d s o i l ；s t r e n g t h ；c o n s t r u c t i o nm e t h o d ； c o n s o l i d a t i o nt e s t ；s e t t l e m e n t ；c o e f f i c i e n t o f c o n s o l i d a t i o n ；f l e es w e l l i n gr a t i o 2 翌塑查兰堡主笙苎 一 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 膨胀土是一种在陆地表面分布较为广泛的特殊性粘土，土中粘粒成分主要由 亲水性矿物组成，其中包括蒙脱石、伊利石、高岭石等，具有显著的吸水膨胀和 失水收缩两种变形特征的粘性土。由于它具有显著的胀缩性，常常给膨胀土地区 的工程建设造成严重的破坏，所以其主要表现在：( 1 ) 作为路基的填土材料，在路 堤填筑后，可能在其表面产生滑动；( 2 ) 在上部路面、路基自重与汽车荷载的作用 下，路堤易产生不均匀下沉；( 3 ) 由于路基含水率的不均匀变化，引起土体的不均 匀胀缩，易产生幅度很大的横向波浪形变形；( 4 ) 雨季路面渗水，路基浸水并软化， 在行车荷载作用下，形成泥浆，并沿路面裂缝、伸缩缝溅浆冒泥。膨胀土造成的 破坏是长期的、反复的和潜在的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。全世界由 于膨胀土造成的损失平均每年高达5 0 亿美元以上，已超过洪水、飓风、地震和龙 卷风所造成的损失的总和。随着我国基本建设的发展，在膨胀土地区兴建公路、 铁路、水利、建筑、机场以及码头等项目将会日益增多，随之也会遇到大量的与 膨胀土有关的工程问题。因此。为确保路基的稳定性和强度，对膨胀土性质的研 究显得尤为重要。工程上对弱膨胀土用控制含水率和密度的方法“1 ，可以部分消 除其胀缩性，但对于中强膨胀土用上述方法不能达到消除其胀缩性的目的，必须 改性处理。土质改良的方法有很多，如掺少量的水泥、石灰、粉煤灰等。石灰稳 定土技术作为路基土质改良方法之一，近年来应用广泛瞳 。 宁淮高速公路约有9 2 k m 的地基为膨胀土，路堤填筑料也只能用膨胀土。由 于膨胀土具有吸水膨胀失水收缩的性质1 ，用膨胀填筑路堤，若不采取有效的 工程措旆，将会给工程质量带来隐患，造成工程事故。因此，如何处理好膨胀土 的问题成了确保宁淮高速公路工程质量的关键因素。不少单位曾在膨胀土问题的 研究方面做了许多工作，对膨胀土性质和改良方法已做了不少试验研究，提出了 将膨胀土掺4 - 5 的石灰改良后用作路堤填筑料等一系列处理措旖，施工单位也 提出了施工控制与实施的措施。然而，由于膨胀土成因的复杂性，不同地区的膨 胀土性质不同，以前的研究成果和通过室内试验提出的措施，效果如何还要通过 工程实践检验、总结、改进。因此需要结合施工过程作迸一步的研究。通过研究 不断改进施i i 艺，确保膨胀土填筑路堤的施工质量，确实降低改良土的胀缩性， 河海大学硕士论文 保证全路段的安全与优质，并为其它类似工程提供参考。研究成果将对膨胀土性 质的认识提高到新的水平，对改良膨胀土的物理力学性质进行系统研究，为推广 膨胀土利用提供科学依据。 膨胀土问题是全球性的共同课题，对膨胀土的研究是必需的，也是必要的。 本文就是本着这一目的，结合宁淮高速公路膨胀土问题，在室内进行了一系列试 验研究，使作为路基填料的膨胀土满足强度和变形方面的要求，确定改性后膨胀 土的性质。此外，由于膨胀土地基具有吸水膨胀，失水收缩的特性，再加上渗 透性低，固结变形持续时间长“ ，所以，其沉降量及其速率的预估就成了工程设 计中的主要问题。所以根据规范对路基进行变形计算，比较膨胀土路基在改良前 后的变化以及计算路基的总沉降，预测工后沉降。论文成果为宁淮高速公路大规 模的旌工和其它工程中的路基填料的适宜性研究及施工质量控制提供参考，具有 较直接的指导意义和工程意义。 1 2 国内外研究状况 在美国，首次膨胀性粘土全国性学术会于1 9 5 9 年在科罗拉多州召开。国际 膨胀土科研与工程会议每四年召开一次，现在已召开了七次。各国工程人员都对 膨胀土问题高度重视。自i 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国，美国，罗马尼亚，前苏联和 日本都相继在正式颁布的土工规范与铁路规范等文件中，增列了有关膨胀土的条 文内容。嗍 5 0 年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都粘土膨胀危害问题。 7 0 年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究实验基地， 开展了卓有成效的研究，取得了一定科研成果和工程经验。8 0 年代，我国制定 了膨胀土地区建筑技术规范。1 9 9 4 年在武汉召开的“中加非饱和土学术研讨会”， 标志着我国非饱和土理论研究已达到了一个新的高度。 目前对膨胀土的研究主要是从微观结构，渗透性，强度和变形等方面入手。 东南大学的刘松玉( 1 9 9 9 年) “1 和对南京大学的李生林口3 等人多年来从事膨胀土 微观结构的研究，取得- f t t 大的进展。 在强度方面，热点问题是膨胀土饱和和非饱和强度的研究。东南大学刘松玉 ( 1 9 9 6 年) 。1 对击实膨胀土的循环膨胀特性做了研究，得出干湿循环将使击实膨 胀土强度大大降低的结论。王国强阳1 对江淮之间的膨胀土工程性质作研究，通 过地基蔽菏试验研究膨胀土含水率与强度的关系，得到随着含水率增加，土的抗 剪强度发生骤然衰减，之后逐渐减缓，与峰值相比，粘聚力c 值衰减了9 0 ，内 2 摩擦角由降低了8 0 。 在变形方面，卢再华，陈正汉等“们( 2 0 0 1 年) 对原状膨胀土的强度变形特 性及其本构模型进行了研究，得到原状膨胀土在剪切过程中先剪缩后剪胀，且随 着吸力或围压增大，由剪胀型向剪缩型过渡的结论。河海大学的袁俊平、陈剑“ ( 2 0 0 3 年) 进行了膨胀土的单向浸水试验，揭示了膨胀土浸水变形量与浸水条 件关系，土体初始含水率较低且干密度较大时，其膨胀变形量较大等膨胀规律。 而在石灰改良膨胀土的试验研究方面，河北工业大学的刘春原“等( 1 9 9 9 年) 针对高液限粘土稳定性差的性质，添加石灰，研究其混合土料的强度变化规 律。采用室内试验分析比较、技术经济指标筛选和试验路段检验的综合分析方法， 研究结果认为，在高液限粘土中掺入4 的石灰所形成的石灰稳定土，达到了实 际工程要求，并取得良好的经济效果。同济大学的徐勇”等( 2 0 0 1 年) 通过重 型击实试验和无侧限抗压强度试验，研究了不同石灰掺入量及不同养护时间对石 灰土的最大干密度、最优含水率及无侧限抗压强度的影响，确定了作为公路路基 填料的石灰土的最佳石灰配比及养护时间，且石灰土的强度随着石灰的掺入量的 增加而增大，但并不是石灰掺量越多越好。根据试验结果，石灰掺入量为5 时， 灰土的强度最高，这为现场旋工提供了依据。中铁1 9 局的孔宪斌“钉( 2 0 0 1 年) 研究了通过掺石灰试验解决用高液限粘土作为路堤填料的问题。试验结果表明， 掺灰后的高液限粘土的土体强度及稳定性大大提高，路基质量得到了保证，为高 液限粘土的使用提供了技术保证。尽管高液限粘土掺灰旖工工艺较为繁琐，费用 也较大，但用作路堤填料在保证路基质量、移挖作填时减少取弃土场费用、节约 耕地、保护环境方面、以及远运土进行方案比较确定经济的场合下降低工程造价 有其不可替代的优势。北方交大的王云鹏、许兆义。朝结合实际工程，根据路基 路床的工作特点和自然因素，就所选试验段内路基填土改良问题，采用水泥、石 灰分别进行室内和现场试验，得出了试验结果和填土改良设计方案，并有结论： 改良土强度随掺灰比增大而增大，掺灰比达到6 后，强度趋于稳定值；改良土 强度受含水率影响较大，饱和强度衰减系数较素土有很大提高，在低掺灰比条件 下，改良土饱和强度衰减系数与塑性指数呈线形关系。河海大学的余湘娟“砌( 1 9 9 9 年) 对掺石灰处理膨胀土的掺灰率、无侧限抗压强度、试样饱和对其力学性质的 影响以及膨胀力等问题进行了试验研究。根据试验结果比较，提出了现场土料的 掺灰率应在路拌后尽快测试，否则即使龄期不超过7 d ，也需用相应龄期的e d t a 耗量标准曲线确定的建议；膨胀力试验改用应变控错, j - - 轴仪的加荷装置控制试样 注水后不发生膨胀变形测膨胀力比按土工试验方法标准增加压力操作简便， 河海大学碗士论文 测试精度也较高。江苏省高速公路建设指挥部的向文俊、牛宏斌，河海大学王保 田等“7 3 ( 2 0 0 4 年) 对宁淮高速公路改良膨胀土压实特性进行了研究，得到改良 土的击实特性与试样制备过程中含水率的变化过程关系密切，只有试样的含水率 变化过程与实际施工工艺一致的湿法击实试验结果才能用来评判土的现场压实 质量。而采用干法击实试验获得的最大干密度控制现场压实度，将出现压实良好 的填土其检测的压实度反而会偏低的现象。河海大学田正宏e 1 8 ( 2 0 0 4 年) 则对 高速公路石灰改良膨胀土的路基施工工艺以及干、湿法击实试验进行了对比分 析，得到改良土的性质主要取决于改良土的掺灰率、掺灰的均匀性和用湿法标准 击实试验获得的最大干密度和最优含水率作为质量控制标准更合理等结论。 1 3 膨胀土的特性与膨胀土改良机理 1 3 1 膨胀土的基本工程性质 膨胀土由于其组成含有多量的强亲水性粘土矿物，所以它具有吸水量大、高 塑性、快速崩解性、以及剧烈的膨胀性与收缩性等特征。同时又因膨胀土沉积时 代较早，固结状态较好，因此，其压缩性不大。这些性质构成了膨胀土区别于其 它土类的独有工程地质特征。 1 3 1 1 膨胀土的胀缩特性 膨胀土的胀缩性除了受土体自身的粘矿物成分及含量控制外，土体的基质 吸力及湿度的变化也是重要的因素。膨胀土与水相互作用时，随着含水率的增加， 其体积将显著地增大，即表现了强烈膨胀性。倘若在土体积增大过程中膨胀受到 限制，则土中随即显示一定内应力，此即一般所称的膨胀力。显然，如果土中含 水率减少，土的体积也必然随之缩小，即出现收缩现象并产生收缩应力。因此， 在特定条件下，土体的膨胀与收缩是由于膨胀土与水体系中水介质的相互作用而 引起中内应力改变的结果n 1 。换言之，土体中含水率变化是膨胀土产生膨胀与 收缩，强度变化等重要特性的基础。实践证明，膨胀土随着气候、地质环境和工 程建设活动等条件的变化而发生水分迁移和转化。因此，在水分变化的影响下， 膨胀土性质也显示出不同的改变。当膨胀土处于干燥状态时，具有高的膨胀潜势， 反之则低。 一膨胀性指标及其特性 ( 1 ) 自由膨胀率( 6 ”) ，是指膨胀土经过粉碎风干后，一定体积的松散土粒 在水中没有任何限制条件下充分吸水产生自由膨胀，体积增大，试样膨胀稳定后 4 河海大学硕士论文 的体积增量与初始体积之比。因此，从工程角度考虑，它是一个没有直接工程实 际意义的指标。但是，自由膨胀率在一定程度也能反映粘土矿物成分，粒度大小 和交换阳离子性质等基本特性。 ( 2 ) 线膨胀率( 6 。) ，一是膨胀土试样在无荷载而有侧向限制条件下，吸水 后沿垂直方向膨胀的增量与初始试样高度之比：二是在有荷载条件下吸水膨胀试 验。在实际工作过程中大多土体上部均有一定的自重荷载，对其下部土体的膨胀 产生抑制作用。膨胀土的膨胀变形与压力的关系主要表现为土的膨胀率随压力增 大而减小，并随压力减小而增大。对同类膨胀土来说，如果起始含水率不等，压 力对膨胀的抑制作用将会受到土的内应力的阻抗而减弱，即相同压力作用下，起 始含水率低的膨胀率大，反之则小。 ( 3 膨胀力( p 。) ，是指土体的体积膨胀受到限制时吸水后所产生的最大应力。 随起始含水率的增大而减少，随干密度的增大而增大。“们 ( 4 ) 胀缩总率( e p s ) 其计算公式：e 。= e 。+ c ，。( 一。) 式中：u f 一地基土的收缩过程中可能产生的含水率的下限值( ) ( i ) 一土的天然含水率( ) c 。一收缩系数，通过收缩试验确定 e 一j o k p a 压力下的膨胀率( ) 如式中e ，* 为负值时，按负值考虑，如( u u 。) 大于8 时，按8 考虑，小 于零时，按零考虑o 。 击实土的胀缩特性 击实膨胀土的胀缩特性，主要取决于含水率与干密度。“。试验表明，同类土 击实后的含水率越大，膨胀率越小。控制含水率一定时，膨胀率随干密度的增加 而增加。但是，含水率对膨胀率的影响远比干密度显著。此外，膨胀土的膨胀潜 势主要决定于组成膨胀土的粘土矿物成分，物理化学特性和结构类型。 1 3 1 2 膨胀速度 膨胀土膨胀速度的研究对于公路工程建设具有较大的现实意义，因为土的膨 胀速度密切关系着一定时段内土体强度降低值的大小，从而也就影响旌工程序和 施工方式。多数膨胀土试样在浸水后3 0 分钟即完成总膨胀率的8 0 左右。当然， 膨胀速度快慢与起始含水率密切相关，起始含水率低，膨胀速度快，反之则慢。 膨胀土的膨胀速度特征以线膨胀率与时间关系曲线来表征。膨胀过程一般可 翌塑查堂堡圭丝奎 分为三个阶段：( 1 ) 等速膨胀阶段；( 2 ) 减速膨胀阶段：( 3 ) 缓慢膨胀阶段。“ 1 3 1 3 反复胀缩效应 膨胀土的反复胀缩效应对于公路工程具有重要的意义。反复吸水失水的过程 中，前两次膨胀率逐渐增大，第三次循环开始膨胀率变化的绝对值较小，并逐渐 趋向稳定。其原因是由于土体结构性能逐步受到破坏，从而颗粒间胶结减弱，结 构力逐渐消失，吸收水分增多，膨胀增量逐次增大。但当结构力消失后，膨胀性 能就趋于稳定状态。 1 3 1 4 胀缩各向异性 由于膨胀土是各种成因类型生成的裂隙介质体，有的水平裂隙发育，有的陡 倾角多，从微观结构来看，有的颗粒平行定向排列，有的随机排列定向度差，因 此，必然存在着胀缩各向异性。胀缩各向异性的形成主要是由于土体结构各向异 性所产生的，这种结构的各向异性包括微观结构，也包括宏观结构。在微观结构 中，垂直于面一面集聚体叠置方向的胀缩性，显然较之平行于面一面集聚体叠置 方向的胀缩性大。水沿平行方向楔入，使集聚体产生层层扩展，膨胀较大，相反， 失去水分则可引起层层收缩。对于宏观结构，膨胀土的层理与裂隙对胀缩影响很 大。水沿裂隙渗入使两壁土体膨胀。显然，垂直于裂隙延长方向的胀缩性无疑要 比平行于裂隙方向的胀缩性大得多。同样，在具有层理的膨胀土中，水更易沿层 间渗入，是垂直层理方向产生较大的胀缩变形。在矿物成分、含水率与初始应力 状态相同的条件下，垂直于结构面膨胀率较大，平行与结构面的膨胀性较弱。 1 3 1 5 膨胀土的渗透性与崩解性 ( _ ) 渗透性 根据室内渗透试验，膨胀土的透水性是很微弱的。膨胀土地下水主要为孔隙 裂隙水，其动态受大气因素制约。渗透水的特征受裂隙发育程度及地貌形态的影 响，现场可直接观察渗流水沿结构面逸出，特别是不同时代界面软弱层。然而， 对于裂隙介质的膨胀土而言，重力水在介质裂隙内的流动，大多数可视为层流。 崩解性 崩解性是膨胀土浸水所发生的一神吸水湿化现象。由于土块表面颓粒首先吸 附水分子形成水化膜，使颗粒间连接削弱。同时，一部分胶结物被水溶解，破坏 了土的结构连结。而且膨胀土多裂隙性，雨水渗入土体中很快沿裂隙浸湿两侧土 壁并使之膨胀，使土体内产生不均匀内力。于是在水膜楔入效应的作用下，使土 6 翌堂查兰堡主堡苎 一 块周围首先出现各种形状不一的土粒或小块掉落与崩解等解体现象。对于裂隙不 发育的土块，崩解作用一般是从外部向土块中心逐渐发展的，若裂隙发育的土块， 则崩解作用主要受裂隙分布控制。 实验室测试膨胀土的崩解性表明，烘干试样在水中崩解速度很快，一般在3 分钟内即可全部崩解完毕。部分失水的土样崩解速度较快，天然含水率状态下的 试样，崩解速度慢。影响膨胀土崩解作用的因素主要是膨胀土的矿物成分，结构 特征与胶结物以及土的起始含水率和失水历时。在工程实践中，通过膨胀土在水 中的崩解特征来初步判断膨胀土的工程性状。 1 3 1 6 膨胀土的压缩性 土的压缩主要是由于外力作用下土中孔隙体积的减少，一般用压缩系数( a ，) 和压缩模量( e ，) 来表征。天然状态下膨胀的孔隙比一般在o 5 4 0 0 7 8 1 之 间。从固结回弹和压缩变形曲线可以看出，曲线形状不很陡峭，反映了士体压缩 性不高。同时加压曲线和退压曲线不相重合，这是因为土样在受压过程中不可避 免地要引起原有结构的改变，土粒靠近或重新排列，产生部分塑性变形。 1 3 2 膨胀土的改良机理 膨胀土在我匡分布广泛。膨胀土的形成和演化过程很复杂，不同的母岩经物 理化学风化改造和水流的搬运作用，在不同的地质时代与沉积环境的条件下，形 成了成因类型不同的膨胀土口“。 目前处理膨胀土的方法主要是化学改性，如掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠、 氯化钙和磷酸等稳定膨胀土1 2 2 o 其中用掺石灰处理膨胀土是最普遍和有效的方 法。掺石灰处理后能降低胀缩性主要是通过减小土的塑性来实现的。但是，石灰 稳定的过程主要有两个：其一是随着石灰中的钙离子取代土中低价的阳离子，比 如粘土颗粒表面的钠离子而发生的阳离子交换，没有发生交换的钙离子可能会被 吸收，造成总的离子单位重量增大：其二是当石灰与士混合时，通过粘土颗粒的 絮凝，土的组织发生了变化。随着石灰含量的增加，人为地减少了粘粒含量，因 而也就相应减小了膨胀与收缩嘲3 。 1 3 2 1 自由膨胀率与矿物成分的关系 膨胀土的形成和演化过程很复杂，不同的母岩经物理化学风化改造和水流的 搬运分离作用，在不同的地质时代与沉积环境的条件下，形成了成因类型不同的 膨胀士。尽管膨胀的成因各不相同，但各种不同的膨胀土所含的主要矿物是基本 一样的，即高岭石、蒙脱石和伊利石。 7 河海大学硕士论文 蒙脱石的胀缩机理与矿物成分有着极为密切的关系。矿物成分不同，土体的 膨胀性能也不同，这主要是由于矿物的晶体结构不相同。 蒙脱石类的矿物是三层结构。由二层硅氧四面体和夹在中间的一层水铝氧八 面体组成的，四面体的氧面向结构的中央，由于四面体中的硅被铝置换，八面体 中的铝又被钙、镁、铁等阳离子置换，使晶体产生负电荷，晶架极不稳定，亲水 性强，因此晶面间距是随着层间吸附水的含量而变化的，具有显著的膨胀性。 伊利石矿物也是三层结构，其四面体中的硅可被六分之一铝所置换，但由于 层间是由钾离子相连接使电荷达到平衡。因此层间往往缺乏吸附水的能力，即缺 乏膨胀性。 高岭石矿物是二层结构，由一层硅氧四面体和一层水铝氧八面体组成，几乎 不存在同晶替代作用，没有剩余电荷，结构稳定，晶面间距不受水的影响，没有 膨胀性。 多水高岭石和水合多水高岭石也是二层结构，因四面体和八面体之间，每相 邻两个硅氧四面体的顶端，氧相倒置，并以氢氧根代替以平衡电荷，同时在两单 位结构层之间可填充水分子。故稍有膨胀性。但它比蒙脱石矿物的膨胀性能低得 多。 从晶体的结构上看出，蒙脱石族的矿物遇水膨胀最大，其能量与它的含量成 正比。 5 3 1 3 2 2 石灰同膨胀土的相互作用 一般来说，石灰与膨胀可产生以下4 种作用： 1 阳离子交换作用：石灰同膨胀土掺和以后，土中将产生过量的c a ，它能 置换土中其它低价离子。 2 絮凝或团聚作用：主要表现是使土中的小团粒变成大的团块。灰土击实 后的微结构呈团粒骨架结构。在这种结构中，单粒、微团粒和团聚体相互接触形 成骨架状，微团粒多位于团聚体之间起连接作用或充填于团聚体之间的孔隙中， 而且微团粒之间常相互联结在一起在团聚体之间起“桥”，“拱”的作用，结构单 元完全缺乏定向性，结构连接类型为远凝聚接触型，孔隙类型多样。随着灰剂量 的增加，结构模型不变，只是结构单元发生有规律的变化，孔隙增多，结构变疏 松。 以上两种作用将明显改善土的塑性、膨胀势和其他物理性质，但对强度影响 不大。 8 河海大学硕士论文 3 碳化作用：土中的石灰同空气中的二氧化碳发生作用，可形成c a c o 。晶 体。但该作用对土的强度影响不大，有时甚至会使土的整体强度降低。 4 胶结作用：适量的石灰和水可同土中大量存在的硅、铝或两者同时作用 而产生较强的粘结物质，在这种高碱性的环境中，主要是生成氢氧化钙铝，结果 将使土的强度有大幅度的提高，土的结构也将有较大的变化。 几种影响土体膨胀性大小因素： i 膨胀土的矿物组成：由上述可知，膨胀土中硅、铝和钙的含量对以上4 种作用都会产生影响，而膨胀土中铁硫化物和有机质含量过多，将会破坏上述4 种作用。 2 膨胀土团粒的大小：土的粒度越细，它同石灰的相互作用将越充分，否 则要适当增加石灰的用量。 3 石灰的用量：当石灰用量不足时，一般不产生胶结作用，这时只是大幅 度地降低了膨胀土的塑性，因而也减低了它的膨胀势和收缩性，但对其强度的影 响不大，随着石灰用量的增加，逐渐产生胶结作用，逐渐增大石灰土的强度，直 到最佳用量时，达到最大的强度。 4 时间：膨胀土与石灰掺和后，其强度是随着时间而逐渐增加的。3 个月内 强度是随时间而变化的，超过3 个月强度变化趋缓。1 个月内强度变化较快，所 以般工程实用取2 8 天强度作为判断石灰处理效果的指标。 5 湿度：湿度越高，石灰与膨胀土的作用过程将愈快。 6 冻融作用：石灰处理后的膨胀土，经过冻融循环后。强度将会降低。多 数情况下，经过7 个循环后，强度趋于恒定，而经过3 个循环后，强度已基本接 近不变值，故工程实用多采用3 个循环后的值。m 5 1 1 3 2 3 膨胀土掺石灰对土的工程特性影响机制 为什么膨胀土中掺入少量石灰对降低胀缩性产生如此明显的效果呢? 主要 因素有以下几点。 石灰对土粒表面结合水膜的影响 膨胀的粒度成份以粘粒为主，其粘土矿物成分主要以蒙脱石、伊利石为主。 这些粘土矿物的晶胞与晶胞之间可以吸收无定量的水分子，所以结晶格架非常活 动，而且是非常亲水的( 伊利石晶胞间吸引了一定量的k + ，因而结晶格架没有蒙 脱石那样活动，亲水性也较蒙脱石低) 。水不仅可进入晶胞之间，而且扁平粒子 的表面亦可吸附水e 2 6 o 众所周知，影响土的工程性质的主要因素之一，取决于 9 河海大学硕士论文 土粒结合水膜厚度的变化。结合水膜薄，粒间粘结力就大，土的抗剪强度大，胀 缩性小。反之，结合水膜厚，粘结力变小，土的强度低，胀缩性高。因此，可以 利用离子交换的原理促使水化膜的变化。这在我们的日常生活和生产实践中也相 当常见。如明矾使浑水快速澄清便是由于高价a l ”离子交换悬液中的低价离子， 使扩散层变薄而凝聚沉淀。在粒度分析制备悬液时加入氨水或六偏磷酸钠，其作 用就是用一价的阳离子去交换土中的高价离子，加厚扩散层使土分散，都是利用 的这一原理。离子交换能力愈大者使水化膜扩散层愈薄。也就是说离子交换能力 的次序也就是离子使扩散层变薄能力的次序。某些常见离子交换能力的次序是 f e ” f e ” c a ” m 9 2 + k + h n a + l i + 。膨胀土中掺入石灰使土中c a 2 + 离子含量提高， 因而使土粒间的结合水膜变薄，强度提高，胀缩性减小，改善了土的工程性质。 这就是为什么说被钙离子饱和的膨胀土比被钠离子饱和的膨胀土胀缩性小得多 的原因。在膨胀土中掺入石灰，也正是利用了离子交换原理。 碳酸钙胶结对土工程性质的影响 膨胀土中掺入石灰遇水后发生下面的反应，生成氢氧化钙。 c a o + h 2 0 = c a ( o h ) 2 氢氧化钙容易和空气中的二氧化碳结合生成碳酸钙晶体，而结成硬块。 c a ( o h ) ? + c 0 2 = c a c o 。+ h 2 0 碳酸钙本身就是一种非膨胀矿物，当掺拌料中的石灰达到一定含量时，这些 碳酸钙晶体无论能否形成连续性网状格架，无疑对提高强度，减小土的胀缩性起 作用。如果碳酸钙以包膜的形式覆盖在土样表面上时，其作用就更显著。其次粘 土矿物中的a 1 “离子与石灰中氢氧基形成氢氧化铝，使土脱水硬化，增强了土的 胶结力，从而提高了的强度，降低了土的胀缩性。 石灰对土粒与土粒之间结合形式的影响 这里先介绍一下什么是“离子发生基”。举一简单例子，次生二氧化硅的表 面与水起化学作用，形成一层偏硅酸5 s i o 。偏硅酸在水中离解成s i o 。：一和h + ， 因之称h z s i o ，为“离子发生基”。s i 0 3 2 。与颗粒的结晶格架不能分离，因而使颗粒 表面带负电。膨胀土中掺入的石灰，经反应后生成的碳酸钙虽是难溶盐，但毕竟 是有一定的可溶性，所以遇水就会发生分解： c a c o , = c a ”+ c 0 3 2 一 这就是说c a c o 。本身就是离子发生基。与选择性吸附不同，它不是吸附了水 中的什么离子成为双电层的内层，相反的，是由于失去了c o 。而使颗粒表面带正 1 0 电荷。一般情况下土颗粒的表面带负电荷。由于两种颗粒表面带相反的电荷，相 邻的两种颗粒不需要通过公共的水化膜( 或反离子层) 的作用，他们之间就会直 接地相互吸引而形成集合体。由于静电引力的作用，增强了土颗粒间的凝聚力， 减小了粘土矿物的亲水性，使得膨胀土的胀缩性减小。汹1 1 4 工程背景 1 4 1 工程概况 南京至淮安高速公路是江苏省规划的“四纵四横四联”主骨架中的“纵三”， 南联省会南京，北至淮安，并与徐宿淮高速公路相连。马坝至武墩段高速公路起 点位于盱眙县马坝镇东阳乡2 0 5 国道南侧，终点位于淮安市武墩乡。 第四纪地质资料反映，路线所处淮安市盱眙县东部和洪泽县清浦区西部地 区，有大面积覆盖于地表或埋藏在地表下浅层处的膨胀土，其矿物成分中均含有 不同比例数量的伊利石、蒙脱石和高岭石。众所周知，在膨胀土地区，路基土体 遇水软化，易发生胀缩变形，引起路基下沉而导致路面变形、开裂、翻浆冒泥、 沉陷等。因此，为确保宁淮高速公路路基的稳定性和强度，膨胀土勘察工作显得 尤为重要。 1 4 2 沿线膨胀土分布情况 本工程施工图详勘阶段，在沿线5 7 k m 的线路上，共布设了7 3 个探坑，取土 样1 4 6 个，并于沿线布置8 0 个综合钻孔，共进行天然土膨胀性测试试验3 3 4 个， 取得了大量的试验数据，经过试验数据分析，其特点如下： ( i ) 中等膨胀性土普遍集中分布于第1 、2 层粘土及下伏第2 - 1 层粘土，第l 、 2 层裸露地表，与路基关系密切；第2 一l 层部分地段裸露，大部分地段被第l 、2 层覆盖，鉴于部分路段可能挖方，故对路基稳定性有不可低估的影响。 ( 2 ) 膨胀土第1 、2 层成岩母质源于上更新统含钙质结核粘土，部分地段第2 层粘由第2 一l 层粘土经地表人工耕植及灌溉软化而成，也正因此，其与第2 - l 层粘土为连续沉积、逐渐过渡关系。 ( 3 ) 中等膨胀土岩性为黄褐色、褐灰色粘土，含铁锰质氧化斑纹、斑点及结核 雏形，一般厚度0 5 2 o m ，局部地段厚度可达3 m 。 ( 4 ) 沿深度分布有较强的规律性：表现在2 8m 局部3 o m 以上为中等膨胀性 土，胀缩总率一般2 0 0 4 0 0 ，3 o m 以下为无膨胀性或弱膨胀性土，胀缩总率 一般小于2 o o 。这主要是受下伏岩性控制。 河海大学硕士论文 ( 5 ) 膨胀土是一种特殊膨胀结构的粘质土，与所含亲水性较强的矿物成分的多 少有关，而与土体的含水率、孔隙比及塑性状态关系不明显。 ( 6 ) 膨胀性判别系按公路路基设计规范p 1 2 6 第6 7 i 1 执行a 对于中等膨胀性土层路基地段，应特别注意第l 、2 层粘土含水率变化，防 止失水或浸水，并在试验指导下进行掺灰处理。 对于2 0 m 以下第2 - i 层弱膨胀性土，由于被上覆层掩盖后，其埋深较深， 又位于地下水之下，对路基稳定性无甚影响，一般可不进行处理。” 1 。5 论文的主要思路和内容 ( 1 ) 根据在淮安膨胀地区收集到的k 1 7 2 + 2 8 4 公路断面沉降观测面的试验资 料，对其沉降规律与物理力学指标进行统计分析。 ( 2 ) 阐述膨胀土的基本工程性质，为工程的设计和施工提供合理的参数和科学 依据。 ( 3 ) 阐述掺石灰后的改良膨胀土的机理。 ( 4 ) 详细阐述宁淮高速公路高含水率膨胀土填料的合理施工工艺与相对应的 击实试验方法。 ( 5 ) 对淮安膨胀土进行重塑样和改良土样的无侧限抗压强度试验，得到不同土 样强度的变化规律。 ( 6 ) 进行动荷载试验，得到土样弹性模量随循环加载次数的变化规律。 ( 7 ) 对淮安膨胀土进行重塑样和改良土的无荷膨胀率试验，了解膨胀土不经处 理后发生的变形破坏和改良后的变形效果。 ( 8 ) x c 淮安膨胀土进行重塑样和改良土的膨胀力试验，阐明宁淮膨胀土改良前 后膨胀力的变化。 ( 9 ) 现场取样，对淮安膨胀土进行重塑样，改良后土样以及原状土样的固结试 验，通过分层总和法算出路基和路堤的总沉降，预测工后沉降。 ( 1 0 ) 拍摄膨胀土改良前后的微细结构，比较其变化。 q d 利用本次试验研究结果，对淮安膨胀土的改善和治理提出合理的建议，对 工程建设提供参考。 江苏省交通规划设计院宁淮高速公路膨胀土专题汇报报告2 0 0 3 6 河海大学硕士论文 1 6 土工实验内容 ( 1 ) 基本物理性质指标试验 比重、含水率、密度试验是按照公路土工试验规程进行。 ( 2 ) 击实试验 击实试验是针对宁淮高速公路高含水率膨胀土填料的合理施工工艺，采用的 是重型击实试验方法。击实试验做淮安两处取土坑的土样，掺灰量5 ，采用二 次掺灰工艺。击实试验是通过预估的最优含水率左右取不同的含水率来击实，每 两个相邻含水率相差2 。 ( 3 ) 固结试验 固结试验是按照公路土工试验规程中的固结规程进行，测定土的单位沉降 量，压缩系数，压缩模量，固结系数等，得到压缩曲线。 ( 4 ) 胀缩性试验 对土样作掺石灰前后无荷膨胀率、自由膨胀率、膨胀力试验，研究石灰对膨 胀土胀缩性的影响。 ( 5 ) 无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验是按照公路土工试验规程中的无侧限抗压强度试验规 程进行，得到不同试样的变形模量及无侧限抗压强度。 ( 6 ) 动载试验 通过电子万能试验机对试样进行循环加载，得到土样弹性模量随循环加载次 数的变化规律，检验改良膨胀土的抵抗疲劳破坏的能力。 ( 7 ) 细观试验 通过微细结构光学测试系统，拍摄膨胀土改良前后的微细结构，比较土体孔 隙( 颗粒) 面积所占比例、定向度及分布分维及其变化。 第二章素土与改良膨胀土室内试验研究 膨胀土是一种在我国分布较为广泛的特殊性粘土，因其具有吸水膨胀、失水收 缩的特殊性质，所以修建在膨胀土地区的公路、桥梁及其它建筑物常常会遭受到强 烈的变形破坏。随着我国基本建设的发展，在膨胀土地区兴建公路，铁路，水利， 建筑，机场以及码头等项目将会日益增多，为了使作为路基填料的膨胀土满足强度 和变形方面的要求，对膨胀土进行改性试验研究，确定改性后膨胀土的性质，这对 于膨胀土灾害的预防有重要意义。工程上对膨胀土改良的方法有很多，如掺少量的 水泥、石灰、粉煤灰等。石灰土技术作为路基土质改良方法之一，近年来在高速公 路建设中应用广泛。嘲 2 1 压实特性的室内试验研究 试验土样取自淮安市和平镇k 1 7 2 + 8 0 0 处7 # 取土坑。根据公路施工的特点， 对原状士的物理指标进行了室内试验。由表l 可判定取土场沿线地表土以高液限 粘土为主。粘粒含量一般大于2 0 ，素土的最优含水率在1 3 4 1 5 5 之间，最 大干密度在1 8 l 1 9 1 9 e r a 3 。自由膨胀率3 0 5 0 ，胀缩总率0 6 1 6 l 9 8 4 ， 综合判别为弱膨胀土。若用作填料土，需掺灰处理。根据试验结果，掺3 的石 灰在试验条件下无论c b r 还是膨胀性能均能满足高速公路填料土要求，考虑到旖 工条件的原因，可用剂量5 8 。而且，采用生石灰粉能降低天然土的含水率， 达到缩短工期的目的。 表2 - 1素土的物理力学指标 取样取样天然液限塑限塑性天然自由胀缩 桩号深度含水率指数稠度膨胀率总率 ( m )w 。w 。w ，i 。5 。fe b 自 k 1 7 2 +0 8 - 22 5 9 5 1 6 2 4 1 2 6 6 0 8 7 -3 0 -o 6 1 6 一 2 8 45 2 22 5 62 7 51 0 05 0 1 9 8 4 江苏省交通规划设计院“宁淮高速公路膨胀土工程勘察报告”2 0 0 2 9 1 4 河海大学硕士论文 由于最优含水率是路基工程建设中重要的试验指标，最优含水率确定的正确 与否直接影响路基的压实度与工程质量，所以对宁淮高速公路膨胀土进行击实试 验，采用重型击实，分干法重型击实试验和湿法重型击实试验。干法击实和湿法 击实的主要区别在于干法击实采用过5 册筛后的风干士样，逐渐增加其含水率的 办法，绘制击实曲线，通过曲线求出最大干密度和最优含水率。湿法击实利用天 然含水率状况下的原状土，使其逐渐风干降低含水率的办法，逐个击实，绘制击 实曲线，通过曲线求出最大干密度和最优含水率，土样不能重复使用。考虑到宁 淮高速沿线取土坑内的土样含水率普遍偏高，所以采用2 次掺灰工艺，消除路基 填料的膨胀性，湿法击实试验方法与现场施工工艺最接近，所以着重介绍