天然砂砾改良膨胀土力学指标试验及模型分析

天然砂砾改良膨胀土力学指标试验及模型分析杨俊;袁凯;狄先均;唐云伟;黄家标【摘要】WiththeexpansivesoilofYichangAirportRoadreconstructionprojectasresearchobject,themechanicalpropertiesofsoilwereimprovedbytheincorporationofnaturalgravel.TheimpactsofnaturalgravelontheexpansivesoilmechanicalpropertiesofexpansivesoilCaliforniabearingratio,modulusofresilience,unconfinedcompressionstrengthandshearstrengthwereinvestigated.Thecorrespondingmathematicalmodelwasestablished.Thesupplementlaboratorytestswereconductedtoverifytheaccuracyandprecisionofmathematicalmodel.Thetestresultsshowthatthemechanicalpropertiesofexpansivesoilareimprovedsignificantlybynaturalgrave,andtheimprovedmechanicalpropertiescanmeettheprescribedvalueofnormsroadbed.Thebestmoistureofexpansivesoilisdecreased,andthemaximumdrydensityofexpansivesoilisincreasedwiththeincreasingofnaturalgravelcontent.CBRandresilientmodulusofexpansivesoilsareeffectivelyimproved.Theunconfinedcompressivestrengthisincreasedwithlatterdecreasingandreachesamaximumwithnaturalgravelcontentof20%.Theangleofinternalfrictionshowsincreasingtrend,whilethecohesionshowslineardecreasingtrend.Themechanicalindexmathematicalmodelisverifiedbysupplementlaboratorytestswithhighaccuracyandprecision.%以湖北省宜昌市机场路扩建工程沿线的膨胀土为研究对象，通过掺入天然砂砾对其进行物理改良，研究其对膨胀土CBR值、回弹模量、无侧限抗压强度和抗剪强度等力学强度指标的影响，并建立相对应的数学预估拟合模型，然后通过补充室内试验，验证了数学预估拟合模型的准确性及精确度。试验结果表明：膨胀土中掺入天然砂砾后，力学特性显著提高，且满足路基规范的规定值；掺入天然砂砾后，随着掺入量的增加，改良土体的最佳含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大，CBR值和回弹模量都得到有效提高，无侧限抗压强度呈先增大后减小的趋势，并在天然砂砾的掺量为20%时达到最大值，内摩擦角呈增大趋势，而黏聚力呈线性减小趋势；室内试验得到的力学指标数学预估拟合模型，通过补充室内试验验证后，证明其是比较准确且精确度较高的。【期刊名称】《江苏大学学报(自然科学版)》【年(卷)，期】2016(037)003【总页数】8页(P359-366)【关键词】膨胀土;天然砂砾;物理改良;力学试验;拟合模型【作者】杨俊;袁凯;狄先均;唐云伟;黄家标【作者单位】三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002;三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002;三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002;三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002;宜昌市三峡机场路建设指挥部，湖北宜昌443002;宜昌市交通运输局，湖北宜昌443002;宜昌市虹源公路工程咨询监理有限责任公司，湖北宜昌443002【正文语种】中文【中图分类】TU443袁凯(1992—)，男，湖北荆州人，硕士研究生(370578422@)，主要从事道路特殊土路基处理研究.膨胀土路基的多裂隙性和强度衰减特性，常引起公路路基的塌陷、崩滑和翻浆冒泥等病害.膨胀土目前主要的改良方法有化学改良法和物理改良法.化学改良法中以掺入石灰、水泥、粉煤灰或二灰改性最为普遍，研究也较为系统.掺入这些化学改性剂后，对膨胀土的自由膨胀率、有荷膨胀率、无荷膨胀率、膨胀力和收缩等胀缩特性有明显抑制效果，能显著提高膨胀土体的抗剪强度、CBR值、无侧限抗压强度和回弹模量等力学指标[1-5].但这些化学改性剂对公路周边的植被、环境有着—定破坏作用，而且膨胀土经化学改性后也具有时效性，这对膨胀土路基有着潜在危害物理改良是依靠物质间的嵌挤咬合作用来抵消膨胀力作用，对时间的敏感度低，改良效果也更具持久性，同时对环境和施工人员的危害小，有较好的应用前景[6-8].目前物理改良材料主要采用碎石.碎石能够较好地抑制膨胀土体的胀缩变形，但其粒径相对较大，在路基施工时难以压实，而且成本相对较高[9-11].宜昌市机场路沿途发现有大量膨胀土，将其作为公路路基需要经过处理.结合实际情况，选用道路起点处的天然砂砾来改良膨胀土，不仅能够节约成本，还可以避免环境污染.另外，天然砂砾的粒径比碎石小，更容易与膨胀土拌合均匀，利于碾压密实，减轻了施工难度.目前工程应用中采用这种改良方法尚不多见.本课题拟通过室内试验，研究不同天然砂砾掺量对改良膨胀土体的CBR值、无侧限抗压强度、回弹模量、抗剪强度的影响，并在此基础上建立天然砂砾掺量与各力学指标间的数学相关性模型，然后再通过补充室内试验与预估数学模型的计算值进行比较，验证数学模型的精确性，为同类工程项目提供理论依据.1.1膨胀土试验用膨胀土取自湖北宜昌市机场路扩建工程K0+970处，取土深度约为3.0~3.5m.膨胀土样呈灰绿色，表面夹杂大量红褐色物质，天然含水率高，有较强的滑感，失水后膨胀土块开裂为不规则的几何形体，含有较多的铁锰结合物（见图1）.依照JTGE40-2007《公路土工试验规程》，对土样进行了自由膨胀率、液塑限、比重及颗粒分析等基本物理性质试验.其中，膨胀土的天然含水率为26.08%，天然密度为1.91g-cm-3，塑限为26.5%，液限为60.8%，塑性指数为34.3,最佳含水率为16.2%，最大干密度为1.758g-cm-3，比重为2.714,自由膨胀率为58%，粒径v0.002mm的颗粒占6.7%，粒径为0.002~0.075mm的占75.6%，粒径〉0.075mm的占17.7%.由以上数据可知：膨胀土样天然含水率较高，比最佳含水率高出约10%，这表明天然状态下不易碾压密实；液限为60.8%，塑性指数为34.3，不满足JTGF10—2006《公路路基施工技术规范》（《规范》）对路基填料液限低于50%,塑性指数小于26.0的要求；膨胀土粒径小于0.002mm的黏粒质量分数为6.7%，黏粒质量分数大；自由膨胀率为58%，介于40%~60%，初步判定为弱膨胀土；该土的活性指数为5.12，说明该膨胀土的水稳定性较差.1.2天然砂砾试验用砂砾取自湖北宜昌市机场路扩建工程K0+150处附近，为小山包岩石强风化形成的天然砂砾（见图2）.其基本物理性质指标如下：天然含水率为5.5%,天然密度为1.78g-cm-3，塑限为12.47%，液限为28.12%，塑性指数为15.65,最佳含水率为7.2%，最大干密度为2.082g-cm-3，比重为2.6，粒径v0.075mm的颗粒占7.1%，粒径为0.075~2.000mm的颗粒占36.7%，粒径〉2.000mm的占56.2%，不均匀系数Cu为67.7,曲率系数Cc为0.127.综上可知：砂砾粒径大于2.000mm的质量分数为56.2%，说明该天然砂砾中砾石含量较多；不均匀系数Cu=67.7,大于5.0,曲率系数为Cc=0.127，在1.000~3.000之外，为级配不良砂砾.膨胀土和天然砂砾的配合比百分数（干天然砂砾与干土总质量的比值）分别为0,10%,20%,30%,40%和50%.根据JTGE40—2007，先将试验用膨胀土和天然砂砾晾晒风干，然后分别过20,10和2mm的标准土壤筛，并测定膨胀土和天然砂砾的风干含水率.过20mm标准筛土样用于重型击实和CBR值试验，过10mm标准筛土样用于无侧限抗压强度试验，过2mm标准筛土样用于直接剪切试验.首先进行重型击实试验得到不同天然砂砾掺量下的最佳含水率和最大干密度，然后以各掺量下的最佳含水率和最大干密度控制制备CBR值、无侧限抗压强度、回弹模量和抗剪强度试验试样.3.1重型击实试验按照试验方案设计的配合比和试验规范要求的方法，配制不同天然砂砾掺量下膨胀土击实的试验土样.选用多功能电动击实仪进行重型击实试验，试样直径为152mm，高度120mm，土样分3层放入击实筒，每层98击，单位体积的击实功2677.2kJ-m-3,如图3所示.击实完毕后，从试样中心取样测定含水率，计算至0.1%.重型击实试验每组配合比下进行3组平行试验，结果见表1.由表1可知：随天然砂砾掺量增加，改良膨胀土体的最佳含水率减小，最大干密度增大.当天然砂砾掺量为10%左右时，最大干密度有轻微增加，增幅约0.006g-cm-3，当天然砂砾掺量为10%~20%时，最大干密度增幅最快，当天然砂砾掺量超过20%后，最大干密度的增幅开始逐渐减缓，并趋于某一值.这是由于当天然砂砾的掺量较少时，天然砂砾中较大容重的砾石含量较少，使得干密度增幅较缓，当天然砂砾掺量继续增大时，改良膨胀土中的砾石含量逐渐增多，较小粒径的膨胀土颗粒能较好地充斥在较大颗粒粒径的砂砾中间，使得土体最大干密度增加迅速，并最终趋于最大干密度.最佳含水率随着天然砂砾的掺入有所减小，当天然砂砾的含量在40%以内时，减小幅度最弱约为0.5%；当天然砂砾的掺量超过40%后，改良膨胀土体的最佳含水率减幅剧增为1.9%.这是因为天然砂砾的亲水性弱导致的，当天然砂砾掺量少时，改良后膨胀土体中膨胀土占主体，其最佳含水率基本无变化；当天然砂砾的掺量超过一定量时，改良膨胀土体中砂砾的弱亲水性逐渐得到体现.这说明掺入天然砂砾能够改善膨胀土的亲水特性.3.2加州承载比试验加州承载比CBR为评价路基填土和路面材料强度特性的重要依据.试样由重型击实试验制得，直径152mm，高120mm.试样制得后泡水96h（见图4），泡水完成时，读取试件上百分表的最终读数，再从水槽中取出试件，倒出试件顶面的水，静置15min，让其排水，称量，以计算试件湿度和密度的变化，最后进行CBR试验，一般采用贯入量为2.5mm时的单位压力与标准压力之比作为材料CBR值，见图5.在每种配合比下进行3组CBR平行试验，试验结果见表2.由表2可知：膨胀土的吸水膨胀量、吸水量都随天然砂砾掺量的增加逐渐减小，CBR值随着天然砂砾的掺入呈增大趋势.当天然砂砾的掺量在20%以内时，CBR值呈线性增长趋势，增幅较缓，为0.18%；当天然砂砾掺量超过20%后，CBR值开始迅速增长，且增幅逐渐增大.这是因为天然砂砾掺量较小时，改良膨胀土体中的大粒径砾石含量较少，膨胀土颗粒占据主体，天然砂砾相当于悬浮在柔软土体中，因而不能有效增加膨胀土的CBR值；当天然砂砾掺量超过一定量时，天然砂砾中的大粒径砾石含量逐渐增多，且能够形成较好的耦合结构，使得改良膨胀土体的CBR值开始迅速增大.3.3回弹模量试验回弹模量试验采用承载板法，采用重型击实试验进行制样，按照重型击实试验得到的最佳含水率和最大干密度控制，试样直径152mm，高120mm.预定的最大压力为200kPa，荷载分为25,50，100，150和200kPa共5级.回弹模量试验每种配合比下进行3组平行试验，当天然砂砾掺量分别为0，10%，20%，30%，40%和50%时，回弹模量分别为89.70，90.22，92.71，94.86，96.41和97.29MPa.由上述回弹模量试验结果可知，随着天然砂砾掺量的增加，改良膨胀土体的回弹模量呈逐渐增大趋势.当天然砂砾掺入量在10%以内时，回弹模量值的增幅较缓，约为0.52MPa，随天然砂砾掺量的增加，回弹模量以2.5MPa的增幅迅速增大，当天然砂砾的掺量超过20%后，回弹模量的增幅开始呈减缓趋势，并逐渐趋近于某一值.这是由天然砂砾固有的较大回弹模量引起的，当天然砂砾掺量较小时，砂砾形成不了较好的耦合结构，对改良土体整体的回弹模量反馈较小；随天然砂砾的掺入量增大，砾石开始逐渐充斥整个土体，膨胀土颗粒充斥在天然砂砾的空隙中，使得试样更为密实，且砾石较大的回弹模量开始得到体现，因此改良膨胀土土体的整体回弹模量提高显著.3.4无侧限抗压强度试验按设计的配合比进行试验配样，试样采用静压法制得，试样为圆柱形，其高度与直径比值为1,尺寸为中10cmx10cm,路面强度试验仪轴向应变速率控制为1mm-min-1进行试验，如图6所示，记录试样受压破坏时的最大压力，并计算得到试样最终的无侧限抗压强度.试样破坏情况见图7.无侧限抗压强度试验，每种配合比下进行9组平行试验，结果见表3.由表6可知：随着天然砂砾掺量的增加，改良膨胀土体的回弹模量呈先增大后减小的趋势.当天然砂砾的掺量在20%以内时，无侧限抗压强度随天然砂砾掺量增加而增大，平均增幅约为0.065MPa；当天然砂砾掺量为20%左右时，无侧限抗压强度达到最大值0.91MPa;当掺量超过20%时，无侧限抗压强度开始逐渐衰减，并趋于平稳.这是由于天然砂砾掺量少时，天然砂砾对膨胀土颗粒间的黏聚性影响小，并没有破坏黏性土颗粒间的结合水膜和离子静电作用，改良膨胀土体依然具有较好的结构整体性，且其中含有的天然砾石刚度较大，增加了土体的轴向抗压强度;当天然砂砾超过某值时，在无黏性力的天然砂砾颗粒影响下，膨胀土体中黏性颗粒间的相互作用力被破坏，加上无侧向压力限制，改良膨胀土整体的黏聚力减弱，结构逐渐松散，因此改良膨胀土体的无侧限抗压强度开始衰减.5抗剪强度试验抗剪强度一般由黏聚力c和内摩擦角中来判定.本试验采用应变控制式四联直接剪切仪（见图8）.试样直径61.8mm,高20.0mm,见图9.对不同掺砂比例的每组试样分别在100,200,300和400kPa的垂直荷载下进行快剪试验，剪切速率为0.8mm-min-1.每种配合比下进行4组平行直接剪切试验，去除离散性高的数据点，结果见表4.由表4可知：随着天然砂砾掺量增加，改良膨胀土体的内摩擦角呈增大趋势，黏聚力呈减小趋势，黏聚力呈线性减小趋势，减幅约为12kPa.这是由于天然砂砾颗粒的掺入，改变了膨胀土中黏性颗粒间的胶结作用，对黏性颗粒间的结合水膜厚度和静电效应产生了抑制作用，因而黏聚力开始逐渐减小.天然砂砾掺量在10%以内时，改良膨胀土体的内摩擦角增幅较缓，约为0.80°,当天然砂砾掺量超过10%后，内摩擦角增幅突变为1.79°，然后开始减缓，并趋于稳定.这是因为天然砂砾掺量少时，具有棱角的砂砾颗粒悬浮在黏性颗粒间，在试样剪切时，增加了土体颗粒间产生应变位移的摩阻力，因而内摩擦角随天然砂砾的掺入开始增大，当天然砂砾掺量超过某一值时，天然砂砾间依靠棱角的相互作用，形成了有效的嵌挤咬合结构，从而使得内摩擦角得到显著增大.1CBR拟合模型CBR与天然砂砾掺量的关系曲线见图10.由图10可知：改良膨胀土体的CBR随天然砂砾掺量的变化呈近似指数函数关系分布，且拟合度较高，拟合模型为式中x为天然砂砾掺量百分数.4.2回弹模量拟合模型回弹模量与天然砂砾掺量的关系曲线见图11.由图11可知：天然砂砾掺量在20%以内时，改良膨胀土体回弹模量随掺量变化增幅较快；当砂砾掺量超过20%以后，回弹模量增幅减缓，并最终趋于某值.整个回弹模量呈“S”形变化.通过对试验数据分析拟合，得拟合模型为式中E为改良膨胀土体的回弹模量，MPa.4.3无侧限抗压强度拟合模型无侧限抗压强度与天然砂砾掺量关系曲线见图12.由图12可知：天然砂砾掺量在20%以内时，改良膨胀土体的无侧限抗压强度值随天然砂砾的掺入呈线性增长趋势，拟合模型为天然砂砾掺量超过20%时，无侧限抗压强度随天然砂砾的掺入，呈对数函数关系逐渐减小，拟合模型为式中q为改良膨胀土体的无侧限抗压强度，MPa.4.4抗剪强度拟合模型4.4.1内摩擦角拟合模型内摩擦角与天然砂砾掺量的关系曲线见图13.由图13可知：改良膨胀土体的内摩擦角中随天然砂砾掺量的变化呈现“S”形增长趋势，拟合得到其数学模型为4.4.2黏聚力拟合模型黏聚力与天然砂砾掺量的关系曲线见图14.由图14可知：随着天然砂砾的掺入，黏聚力呈线性递减趋势，拟合模型为式中c为改良膨胀土体的黏聚力，kPa.为确定天然砂砾改良膨胀土力学指标预估数学模型的正确性及精确度，补充试验天然砂砾掺量分别为5%，15%，25%，35%和45%.首先进行重型击实试验，得到不同砂砾掺量下改良土体的最佳含水率和最大干密度，然后依据最佳含水率和最大干密度进行补充试验的制样.补充试验结果与预估模型结果比较见表5,其中x为天然砂砾掺量.由表8可知，各力学指标参数试验值与预估模型计算理论值基本符合.CBR、回弹模量、无侧限抗压强度以及抗剪强度的相对误差整体分别小于5%，1%，4%和3%，其中相对误差最高为4.78%，最小为0.02%，均满足《规范》中规定的单个试验样本相对偏差小于5%的要求.这说明不同天然砂砾掺量下，建立的力学指标预估模型是比较准确且精度较高的.在实际工程应用当中，可以通过计划配合比室内试验得到改良膨胀土体的预估拟合模型，再将现场的实际施工配合比直接代入预估拟合模型中，计算出各力学指标，无需进行室内重复试验.1） 天然砂砾明显改善了膨胀土的含水特性及力学特性，力学指标均能达到公路路基施工规范的规定值，可应用于膨胀土路基的改良.2） 随着天然砂砾掺量的增加，改良膨胀土体的最佳含水率逐渐降低，最大干密度逐渐增大，CBR随天然砂砾掺量的增大提高明显，当天然砂砾掺量超过30%后，CBR均能满足《规范》对高速公路下路堤填料不低于3%的要求；在各种天然砂砾掺量下，改良膨胀土体回弹模量均能满足《规范》规定的不低于30MPa的要求;无侧限抗压强度随天然砂砾掺量的变化呈先增大后减小的趋势，当天然砂砾掺量为20%时达到最大值；土体抗剪强度指标中黏聚力随着砂砾土的掺入呈线性减小，内摩擦角则逐渐增大.3） 通过室内试验数据分析，建立了天然砂砾掺量与各力学指标之间的数学预估拟合模型,然后通过补充室内试验,将得到的试验值与预估数学模型计算值进行比较,得出所建立的各力学指标数学预估拟合模型比较准确且精确度较高，在工程应用中具有较好的推广价值.[1]黄斌，聂琼，徐言勇，等.膨胀土水泥改性试验研究[J].长江科学院院报，2009,26(11):27-30.HUANGB,NIEQ,XUYY,etal.Experimentalresearchoncement-modificationofexpansivesoil[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute,2009,26(11):27-30.(inChinese)[2]吴新明，巫锡勇，周明波.水泥改良膨胀土试验研究[J].路基工程，2007(2):94-95.WUXM,WUXY,ZHOUMB.Testandresearchoncementimprovedexpansivesoil[J].SubgradeEngineering,2007(2):94-95.(inChinese)[3]陈爱军，张家生，刘军.石灰改良膨胀土无侧限抗压强度试验[J].桂林理工大学学报，2011,31(1):91-95.CHENAJ,ZHANGJS,LIUJ.Experimentonunconfinedcompressivestrengthoflimeimprovingexpansiveclay[J].JournalofGuilinUniversityofTechnology,2011,31(1):91-95.(inChinese)[4]惠会清，胡同抗，王东新.石灰、粉煤灰改良膨胀土性质机理[J].长安大学学报(自然科学版)，2009,25(11):70-72.HUIHQ,HUTK,WANGDX.Improvedmechanismofexpansivesoilsbylimeandfly-ash[J].JournalofChang'anUniversity(NaturalScienceEdition),2009,25(11):70-72.(inChinese)[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.ZHAPS,LIUSY,DUYJ.Experimentonimprovementofexpansiveclayswithlime-flyash[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition),2007,37(2):339-344.(inChinese)[6]孑L令伟，郭伟国，赵颖文，等.荆门膨胀土的水稳定性及其力学效应[J].岩土工程学报，2004,26(6):727-732.KONGLW,GUOWG,ZHAOYW,etal.WaterstabilityofXiangjingexpansivesoilsandtheirmechanicaleffect[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2004,26(6):727-732.(inChinese)[7]张鑫，孙树林，魏永耀，等.掺绿砂改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力