南水北调渠道工程焦作段弱膨胀土改良研究（任云峰 闫汝华）
关键词：重塑膨胀土；自由膨胀率；抗剪强度；改良方法
中国分类号：TV168 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2011）03-0021-03
南水北调中线总干渠焦作2段分布在重粉质壤土（Q2）具有弱膨胀性，一般作为弃土弃至弃渣场，养土量达326万m3，而相临焦作1段可用土料不足，缺土料262万m3。对具有弱膨胀性的重粉质壤土（Q2）能否作为堤防填筑土料开展研究，对节约土地资源，减少水土流失，降低工程费用，加快工程进度一举多得。
利用弱膨胀土作为大型水利工程填筑土料的工程实例还不多，近年来，少数学者在这方面作了些尝试与研究，蔡松桃[1]对临准岗副坝弱膨胀土填料进行了试验研究与分析，给出了弱膨胀土压实系数、强度等设计参数建议值，闫汝华[2]对弱膨胀黏土质砂砾岩的工程特性进行了研究，论证了为作坝体填料的可行性并给出了设计参数和施工建议。赵文建等[3]对百色重塑膨胀土坑剪强度进行了试验，研究了干密度、峰值强度的变化关系，同时讨论了上覆压力、应力历史、起始含水率、颗粒级配、矿物成份对抗剪强度的影响。黄斌等[4]对水泥改性膨胀土进行了试验研究，得出了自由膨胀率、胀缩性、压缩性、抗剪强度等与水泥量的变化关系。
本文对重塑弱膨胀土颗粒级配，物理性质、膨胀性，渗透性、压缩性，抗剪强度等工程特性进行了室内试验研究。提出了利用掺入非膨胀土改良弱膨胀土胀缩性，根据室内试验确定非膨胀土最佳掺合比。对非膨胀土包盖法、掺非膨胀土改良和掺水泥改性等改良方法进行了研究。
1 弱膨胀土基本物理力学性质
焦作2段弱膨胀土为第四系中更新统坡洪积黏性土，外观呈棕黄、浅棕红色，硬可塑，含钙质结核，局部富集成层；裂隙发育，裂隙面呈腊状具油脂光泽，常见铁锰质薄膜覆盖；母岩成份为泥灰岩、黏土岩及页岩。根据试验其颗粒组成以＜0.05mm的细颗粒为主，并含有少量石英、长石、云母和方解石等碎屑颗粒。其中，砂粒（d＞0.05mm）含量13.6%-14.1%，粉碎（0.005mm＜d＜0.05mm）含量55.1%-60.1%，黏粒（0.002mm＜d＜0.005mm）含量14.1%-16.3%，胶粒（d＜0.002mm）含量9.5%-17.2%。其工程特性试验成果见表1。
表1 弱膨胀土物理性质试验成果 
2 弱膨胀土击实试验[5]
为确定弱膨胀土的最大干密度和最优含水率，分别进行了室内轻型、重型击实试验。试样均采用干法制备，并剔出了土样中的钙质结核。试验结果见表2。由表2可以看出，轻型、重型击实试验相比，最优含水量减小40%，最大干密度增大16%。结果表明，弱膨胀土、细颗粒含量高，液限高，塑性大，在一定击实功能下，土体不易被击实，通过增大击实功，减小含水率，可提高其压实性。
表2 弱膨胀土击实试验成果 
3 重塑弱膨胀土试样的制备及试验
为研究不同初含水率和干密度的重塑土的压缩性、抗剪强度、膨胀性等特性，取一定量的风干土样，过2mm筛，参照击实试验成果，按19.6%，21.6%，24.0%等3种初始含水率配制土样，在密封袋内侵润24h，采用压样法制备土样，使其干密度分别为1.59g/cm3，1.62g/cm3，1.66g/cm3，共9组。依据《土工试验规程》[5]SL 237-1999相关规定，对重塑弱膨胀土主要进行了压缩试验、自然快剪试验和膨胀性试验。
4 试验结果分析
4.1 初始含水率、干密度对重塑土膨胀性的影响
从图1可以看出，初始含水率较高时，膨胀力随干密度增大基本不变；当初始含水率较低时，膨胀力随干密度增大而快速增大，如初始含水率为19.6%时，干密度由1.59g/cm3提高至1.66g/cm3，其膨胀力提高191%。干密度较小时，膨胀力随初始含水量的增大变化不大。干密度较大时，膨胀力随初始含水率增大而大幅减小；如干密度为1.66g/cm3时，初始含水率由19.6%增大至24.0%，膨胀力减小55%。
从图2可以看出，膨胀率随干密度增大而略有增大，随初始含水率降低膨胀率增幅较大，随上覆荷载增大膨胀率快速减小。比如，干密度为1.62g/cm3时，初始含水率由24.0%下降至19.6%，无荷膨胀率增大133%；初始含水率和干密度均不变时，无荷膨胀率是25kPa下膨胀率的2-3倍。
图1 不同初始含水率下干密度--膨胀力曲线
图2 不同初始含水率下干密度--膨胀率曲线
4.2 初始含水率、干密度对重塑土压缩性的影响
人图3可以看出，压缩系数随含水率增大而增大，随干密度增大而减小；从图4可以看出，压缩模量随重塑土初始含水率增大而减小，随干密度增大而增大。
图3 不同初始含水率下干密度--压缩参数曲线
图4 不同初始含水率下干密度--压缩模量曲线
4.3 初始含水率、干密度对重塑土抗剪强度的影响
从图5可以看出，黏聚力随干密度增大而略有提高，随着初始含水率的降低而大幅提高；从图6可以看出，内摩擦角随干密度的增大基本不变，随初始含水率降低而增大。
图5 不同初始含水率下干密度--黏聚力曲线
图6 不同初始含水率下干密度--内摩擦角曲线
5 弱膨胀土改良方法
弱膨胀土处理拟采用包盖法、掺非膨胀土法和水泥改性等方法。
5.1 非膨胀土包盖法
包盖法即内部填筑弱膨胀土，外围采用非膨胀土包裹，以限制膨胀土胀缩性影响。根据重塑土工程特性，通过控制较大初始含水率和适当的干密度，以达到既可获得较高的抗剪强度，又可通过上部压重获得较小的膨胀率。根据《碾压土石坝设计规范》SL 274-2001规定，弱膨胀土压实度采用0.98-1.0控制，初始含水率采用最优含水率的实测含水率，通过变形控制来设计堤身膨胀土与非膨胀土用量、部位及施工工艺。
5.2 掺非膨胀土改良法
渠道地表广泛分布有第四系全新统中粉质壤土，颗粒组成为，砂粒（d＞0.05mm）含量26.8%，粉碎（0.005mm＜d＜0.05mm）含量53.8%，黏粒（0.002mm＜d＜0.005mm）含量9.8%，胶粒（d＜0.002mm）含量9.6%。其工程特性指标为，天然含水量15.5%，天然孔隙比0.869，天然干密度1.62g/cm3，液限30.9%，塑限16.8%，塑性指数14.1，自由膨胀率25.2%。
本文对非膨胀土、膨胀土按不同比例均匀拌合所得到的掺合土的自由膨胀率进行了室内试验研究，试验结果见图7。结果表明，随着非膨胀土掺入比增大，自由膨胀率基本呈线性下降，当掺入比为1.0时，掺合土自由膨胀率38%，其膨胀势为非膨胀。建议掺合土的非膨胀土与膨胀土掺入比按不小于1.0控制，即可消除弱膨胀土胀缩性。
图7 掺合土掺入比与自由膨胀率曲线
5.3 水泥改性法
采用复合硅酸盐水泥P.C32.5对弱膨胀土进行改性，把拌合好的不同水泥掺量的水泥土在恒温、恒湿条件下进行养护24h后，再人工碾碎进行自由膨胀率试验，试验结果见图8。结果表明，随着水泥掺量提高，水泥改性土自由膨胀率下降。
图8 水泥改性土自由膨胀率与水泥掺量曲线
6 结论
①焦作2段弱膨胀土膨胀率、膨胀力随初始含水率减小变化很大；当含水率不小于最优含水率时，膨胀率、膨胀力随干密度的增大变化不明显。
②自由膨胀率随非膨胀土掺入比的增大而减小，当轻粉质壤土掺入比≥1.0时，弱膨胀土胀缩特性已基本消除。通过掺入非膨胀土改良弱膨胀土胀缩特性是一种可行的改良方案。
③水泥改性膨胀土自由膨胀率随水泥掺量的提高而下降。
参考文献
[1] 蔡松桃.临淮岗副坝弱膨胀土填料试验成果分析及应用[J].水利水电技术，2006，37（10）：21-23.
[2] 闫汝华.弱膨胀黏土质砂砾坝料的工程特性及应用研究[J].南水北调与水利科技2008，37（4）：96-98.
[3] 赵文建，湛文涛，倪啸，等.百色重塑膨胀土抗剪强度的试验研究[J].岩土力学，2009，30（2）：244-248.
[4] 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.
[5] SL 237-1999，土工试验规程[S].
作者简介: 任云峰( 1972-) , 男, 河南开封人, 工程师, 主要从事工程地质与水文地质方面的研究。
| 评论 |
|
|
