膨胀土特性及处治研究

JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY2004年4月Apr.,2004成都龙泉驿地区膨胀土特性及处治研究

严国全,

1󰀁

󰀁许仁安,󰀁何兆益

2

1

(1.重庆交通学院土木建筑学院,重庆400074;2.重庆市公路局,重庆400067)

摘要:分析研究了成都龙泉驿地区膨胀土的界限含水量、最大干密度、最佳含水量以及膨胀力󰀂干密度、膨胀力󰀂含水量、有效粘聚力󰀂含水量等之间的关系,探讨了4种固化剂改良方法󰀂󰀂󰀂石灰、水泥石灰、SBT及STX对改善膨胀土最佳含水量、无侧限抗压强度及膨胀率等的影响.

关󰀁键󰀁词:膨胀土;膨胀力;膨胀率;无侧限抗压强度

中图分类号:U412󰀁22+1󰀁󰀁文献标识码:B󰀁󰀁文章编号:1001󰀂716X(2004)02󰀂0102󰀂05

󰀁󰀁膨胀土是指土中含有较多的粘粒及其亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分,具有遇水膨胀、失水收缩的一种特殊膨胀结构的粘质土,鉴于膨胀土具有胀缩性、遇水崩解性、超固结性、易风化性、多裂隙性及强度衰减等特性,利用膨胀土作为路基填料,其压实后的膨胀土与原状结构膨胀土的工程

[1]

性质有很大不同.通常,较强膨胀性的土不得作为填料用土.为了充分利用当地膨胀土,保证路基的强度、刚度和稳定性,需要对当地膨胀土进行分析和研究,提出必要的处治措施,使其具有最小的膨胀率和足够的强度,满足路基设计要求.

粒󰀁󰀁径(mm)

小于该粒径土质量百分数(%)

5100

299󰀁9

0󰀁599󰀁7

1󰀁膨胀土特性

1.1颗粒分析

膨胀土颗粒粒径小于0󰀁074mm的细粒成分含量较高,颗粒成分以粘粒为主,一般为高分散性土.遇水后膨胀量大,失水后干缩严重,反复胀缩变形容易导致裂缝的产生.组分分析按 公路土工试验规程!(JTJ051󰀂93)颗粒分析试验进行,粒径大于0󰀁074mm的土采用筛分法,粒径小于0󰀁074mm的土采用比重计法,其颗粒组分试验结果见表1.

表1󰀁颗粒组分结果

0󰀁2599󰀁6

0󰀁07498󰀁4

0󰀁0594

0󰀁00552

0󰀁00241

1.2阿氏限度(塑、液限)

界限含水量是膨胀土工程性质中很重要的一个指标.膨胀土的膨胀潜势S与塑性指数IP存在密切的相关性,土的胀缩一般在塑性指数界定的含水量

[2]

范围内发生.塑液限试验采用光电联合测定仪,测定得出:液限(WL)为55,塑限(WP)为24,塑限指数(IP)为31.根据我国特殊土在塑性图上的分布,该膨胀土属于高液限粘土(CHE),公路沥青路面设计规范规定,当液限大于40%,塑性指数大于18时,属于不稳定的不良筑路材料,应考虑土质特性与自然环境对土基湿度、干密度的影响,控制土的稠度,进行最佳压实,达到要求的压实度,以保证路基的强度

[3]

与稳定性.

󰀁

1.3最佳含水量与最大干密度

最大干密度和最佳含水量对保证路基的性能有很大的关系,对控制路基压实起着非常重要的作用.在实验室采用干土法(土不重复使用),按四分法准备7个试样,分别加入不同水分,拌匀后闷料一夜.采用标准击实仪:󰀁15󰀁2∀12试筒,击实功2677󰀁2kJ󰀁m,每层击98次,分3层进行重型击实,得到不同含水量下干密度,见图1.由干密度󰀂含水量关系曲线图可以得出:此种膨胀土最大干密度1󰀁82g󰀁cm,最佳含水量14%

1.4膨胀力

膨胀力是指土体的体积膨胀受到时吸水后

3

3

收稿日期:2003󰀂04󰀂21;修订日期:2003󰀂06󰀂26

作者简介:严国全(1978-),男,湖北鄂州人,硕士生,从事路基路面材料与结构综合分析研究.

第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁严国全,等:成都龙泉驿地区膨胀土特性及处治研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁103󰀁󰀁

征,它密切关系着一定时段内土体强度降低值的大

小,从而影响施工程序.该试验所做的膨胀率是指在无荷载有侧限条件下,标准重型击实土样浸水后在高度方向上的单向膨胀与原高度的比值.膨胀速度的快慢与初始含水量有关.在实验室,利用膨胀仪,采用最佳含水量14%的标准重型击实土样,做3组平行试验,其膨胀率与时间的关系见图4.从中可以看出,2~3d左右膨胀达到平衡状态.

图1󰀁不同含水量时干密度试验结果

所产生的内应力.土体受膨胀作用后,产生膨裂,结构受到破坏,膨胀力作用及土体结构破坏对降低抗

[4]

剪强度作用十分显著.膨胀力与含水量和干密度有密切关系,当路基土各处干湿不同,密度不均匀,并受到上层结构及周围土体的抑制作用时,膨胀力变化大,产生微裂破损,影响路基的正常工作状况.

图4󰀁膨胀率随时间关系

1.6有效粘聚力

含水量的大小对膨胀土的抗剪强度有很大的影响.当含水量较低时,膨胀土的抗剪强度较高.含水量达到较高数值时,抗剪强度很小.膨胀土一般内摩擦角较小,有效粘聚力对其强度影响较大.从提高强度观点来看,施工及工后对水分的控制非常重要.有效粘聚力关系与含水量之间存在一定关系,这与太

[5]

沙基早年曾提出的理论相符.有效粘聚力与含水量关系见图5.

图2󰀁不同干密度时膨胀力结果

图3󰀁不同含水量时的膨胀力

膨胀力的测定,在室内将不同含水量(2%󰀂3%递增)的土样,分成3层,按不同的击实次数(30、50和98次)进行击实,得到不同含水量和干密度下的试样.采用固结仪,附杠杆式加压设备.为了加荷方便准确,宜用铁砂荷盛砂桶代替砝码荷吊盘.做3组平行试验,测定膨胀力的大小,膨胀力与干密度关系见图2.,膨胀力与含水量关系见图3.从图2中可以看出:膨胀力随着干密度的增加而增加.从图3中可以看出膨胀力󰀂含水量关系曲线与干密度󰀂含水量关系曲线类似.当含水量为最佳含水量14%,干密度为最大干密度1󰀁82g󰀁cm时,其膨胀力较大,其潜在开裂的危险也较大,这在工程中是应该重视的.1.5膨胀速度

膨胀土的膨胀速度以膨胀率与时间关系曲线表3

图5󰀁有效粘聚力与含水量关系

2󰀁改良方法

2.1不同石灰配比(石灰#干土)改良结果分析2.1.1不同石灰配比的最大干密度和最佳含水量

最大干密度和最佳含水量是控制施工的重要指标,在实验室采用丙类试验方法,按四分法准备6个试样,分别加入不同水分,拌匀后闷料一夜.采用标准击实仪:锤的质量4󰀁5kg,锤击面直径5cm,落高

3

45cm,试筒󰀁15󰀁2∀12,击实功2677󰀁2kJ󰀁m,每层击

[6]

98次,分3层进行标准重型击实,得到不同含水量下干密度,得出不同石灰配比下最大干密度和最佳含水量,试验结果见表2.

󰀁104󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁重庆交通学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第23卷

表2󰀁不同石灰含量最佳含水量、最大干密度

名󰀁称

Wop

󰀂dm

素土14󰀁2

1󰀁824

石灰2%14󰀁71󰀁81

石灰4%15󰀁71󰀁79

石灰6%171󰀁73

石灰8%19󰀁31󰀁697

石灰10%18󰀁51󰀁71

󰀁󰀁图6、图7分别表示最大干密度和最佳含水量随石灰含量变化关系曲线图.

从图中可以看出:最大干密度和最佳含水量随石灰含量的增加存在着相关性.最大干密度随石灰

石灰含量的增加而增加.石灰含量4%的7d无测限抗压强度为1.13MPa,改良后的稳定土可以满足沥青道路设计要求.

2.1.3石灰含量与膨胀率关系

对于具有较大膨胀性和干缩性的膨胀土来说,在道路设计时,除了要求满足强度之外,还必须考虑其胀缩性能,防止过大的膨胀导致裂缝的产生,膨胀率是其中一项指标.在实验室,利用膨胀仪,采用不同石灰掺量的无机结合料,分别按最佳含水量配制土样,在标准重型击实下成型试样,做3组平行试验,试验结果表明:随着石灰含量的增加,膨胀率迅速减小.当石灰含量达到4%后,膨胀率的改变不明显.其膨胀率的值也很小,能满足道路设计要求.膨胀率随石灰含量关系见图9.

图6󰀁不同石灰含量最大干密度

图7󰀁不同石灰含量最佳含水量

含量的增加而降低,最佳含水量随石灰含量的增加而增加,当石灰含量超过8%后,两条曲线同时出现转折点.

2.1.2不同石灰含量7d无测限抗压强度

在膨胀土中掺石灰能提高抗压强度,这是因为石灰的掺入增加了钙离子含量,同时羟基与土中金属离子形成氢氧化合物,增加粘聚力,提高了稳定土的强度.在试验室按照无机结合料稳定土的无侧限

[7]

抗压强度试验规程,采用󰀁50∀50mm试模成型后,在标准养生条件下养生6d,饱水1d后,进行无

系

图9󰀁不同石灰含量膨胀率试验结果

2.1.4掺4%石灰膨胀土无侧限抗压强度与时间关

图10󰀁掺4%石灰膨胀土随时间的抗压强度

󰀁󰀁在实验室按照无机结合料稳定土的无侧限抗压强度试验规程,采用󰀁50∀50mm试模,掺4%石灰膨胀土在最佳含水量15󰀁7%和最大干密度1󰀁79g󰀁cm条件下,按照压实度97%成型4组试样,每组3个做平行试验.在标准养生条件下,分别养生6、27、和179d,饱水1d后,进行无侧限抗压.其结果见图10.从图中可以看出:石灰含量4%的稳定膨胀土的抗压强度随着时间的增长而增加,且强度时效很大,180d的无侧限抗压强度比7d的无侧限抗压强度增加了近一倍,这种前期强度低而后期强度逐渐增加

3

图8󰀁不同石灰含量7d无侧限抗压强度

侧限抗压.试验结果如图8:可以看出7d无测限抗压强度与石灰含量成线性关系,无侧限抗压强度随

第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁严国全,等:成都龙泉驿地区膨胀土特性及处治研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁105󰀁󰀁的性质是我们在分析时应该考虑的.2.2不同水泥石灰配比改良结果分析

不同水泥石灰配比的最大干密度、最佳含水量、7d和28d抗压强度试验严格按照公路工程无机结

[8]

合料稳定材料试验规程进行操作,其结果见表3.

表3󰀁不同水泥石灰比时最佳含水量、最大干密度和

7、28d无测限抗压强度(MPa)

水泥#石灰#土Wop󰀂dm

Rc(7d)Rc(28d)

2#4#10016󰀁41󰀁7971󰀁6122󰀁23

3#5#10015󰀁31󰀁8071󰀁9363󰀁6

4#6#100171󰀁7852󰀁0673󰀁59

稳定膨胀土,其水稳定性很差,饱水后试件全部崩散.

2.3.2STX0󰀁35L󰀁m+石灰4%无侧限抗压强度与

时间关系

在实验室按照无机结合料稳定土的无侧限抗压

3

强度试验规程,采用󰀁50∀50mm试模,STX0󰀁35L󰀁m+石灰4%稳定膨胀土,按照压实度97%成型4组试样,每组3个做平行7、28、90和180d无侧限抗压强度试验.无侧限抗压强度随时间的关系见图12.

3

󰀁󰀁从以上结果可以看出,掺加水泥后,稳定土的抗压强度明显提高.但在膨胀土中直接加入2%、3%和4%水泥而不掺入石灰,则养生6d或27d后,所有试件崩散,这说明直接掺水泥,其水稳定性差.为满足较高强度要求,在膨胀土中掺入适量的水泥石灰是可行的.

2.3不同固化剂改良结果分析

2.3.1不同固化剂7d无测限抗压强度

固化剂󰀂󰀂󰀂STX和SBT均为液体固化剂,SBT为棕黄色液体,STX为白色液体.由于固化剂与土体发生化学反应较快,所有的试样必须在2h以内完成,同时,由于它们是液体固化剂,所以拌和试样时必须均匀,严格控制粒径,否则,试验结果的变异性较大.在实验室按照无机结合料稳定土的无侧限抗压强度试验规程,采用󰀁50∀50mm试模,不同石灰

3

含量+SBT0󰀁26L󰀁m的稳定土,按照压实度97%成型4组试样,每组3个做平行7d无侧限抗压强度试验.其7d无测限抗压强度见表4.

表4󰀁不同石灰含量+SBT0󰀁26L󰀁m3时7d无测限抗压强度名󰀁󰀁称

Rc

石灰2%浸水后松散

石灰3%0󰀁912

石灰4%1󰀁221

图12󰀁STX0󰀁35L󰀁m3+4%石灰无侧限

抗压强度与时间关系

这种结果与掺4%石灰稳定膨胀土类似,强度随着时间的增长而增加,后期强度较高,且强度的提高可能主要由石灰完成.从这种结果分析,STX不适于用来稳定该膨胀土.

3󰀁结束语

1)笔者对成都龙泉驿地区膨胀土颗粒粒径、界限含水量、干密度与含水量的关系进行了分析,研究了膨胀力与含水量、有效粘聚力与含水量、膨胀率与时间等的相互关系.说明了在最佳含水量和最大干密度情况下膨胀力过大,强度较低.当含水量较大时,膨胀率和膨胀力均较小,同时,当含水量很高时,尽管减小了膨胀率和膨胀力,吸附在粘性颗粒周围

[9]

的水膜变厚,其强度显著降低,压缩性增大,尤其当路基土干湿度和压实不均匀时,所产生的不均匀沉降对路基的破坏更大.

2)通过不同的固化剂试验󰀂󰀂󰀂常规的石灰、水泥石灰和非常规的SBT、STX液体固化剂,结果表明:石灰是改良此种膨胀土最有效和最经济的材料.石灰能显著改善膨胀土的膨胀性,提高土体的强度.对道路工程而言,石灰掺量以4%为宜,若为满足提高强度的需要,在其中掺入适量的水泥是一种行之有效的方法.参考文献:

不同STX含量+4%石灰膨胀土的7d无侧限抗压强度见图11.

图11󰀁不同STX含量+4%石灰膨胀土的7d无侧限抗压强度

[1]󰀁交通部公路规划设计院.路基设计规范(JTJ013󰀂95)

[S].北京:人民交通出版社,2001.

[2]󰀁交通部科学研究所.公路土工试验规程(JTJ󰀂051󰀂93)

[S].北京:人民交通出版社,1995.

[3]󰀁交通部公路规划设计院.公路沥青路面设计规范从以上结果可以看出:在两种固化剂中掺入石灰,其对膨胀土的改良效果并不理想.而直接用它们

󰀁106󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁重庆交通学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第23卷

(JTJ014󰀂97)[S].北京:人民交通出版社,1997.[4]󰀁余宏明,严春杰,王环玲.岘山垭公路路堑滑坡膨胀土

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2001,26(4):429󰀂432.[5]󰀁膨胀土选译文集编译组.国外膨胀土研究新技术[M].成都:成都科技大学出版社,1986.

[6]󰀁交通部科学研究所.公路工程无机结合料稳定材料试

验规程[S].北京:人民交通出版社,1995.

[7]󰀁交通部科学研究所.公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社,1995.

[8]󰀁交通部科学研究所.公路工程无机结合料稳定材料试

验规程[S].北京:人民交通出版社,1995.

[9]󰀁刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建

筑工业出版社,1997.

Studyofpropertiesandtreatmentofstabilizedexpansivesoil

onthehighwayinLongquanyiinChengdu

YANGuo󰀂quan,󰀁XURen󰀂an,󰀁HEZhao󰀂yi

1

2

1

(1.SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.ChongqingHighwayBureau,Chongqing400067,China)

Abstract:Thepaperanalysesandstudiestheplasticityindex,compaction,maximumdrydensityandoptimummoisturecontentoftheexpansivesoilinLongquanyiinChengduaswellastheswellingpressure󰀂moisturecontent,swellingpressure󰀂drydensityandeffectivecohesion󰀂moisturecontentrelationships,anddiscussestheeffectsoffourstabilizingmateriats:limecement,lime,SBTaswellasSTXnotheimprovementoftheoptimummoisturecontent,unconfinedcompressionstrength,expansionrateandsoon.

Keywords:expansivesoil;swellingpressure;expansionrate;unconfinedcompressionstrength

责任编辑:袁本奎

(上接74页)

题,算法没计上要实现边观测边补充训练数据.

3结󰀁论

线性神经网络不仅可用于正常交通流参数的实时预测,也可用于异常交通流参数的实时预测,它可实现真正地动态预测.用于多点检测器交通参数的

图7󰀁点速度实时预测误差

实时预测有待于进一步研究.参考文献:

[1]󰀁王󰀁伟.人工神经网络原理入门与应用[M].北京:北

京航空航天大学出版社,1995,44󰀂51.[2]󰀁闻󰀁新,周󰀁露,力,等.MATALAB神经网络应用

设计[M].北京:科学出版社,2000,169󰀂206.

[3]󰀁张乃尧.神经网络与模糊控制[M].北京:清华大学出版社,1998,31󰀂33.

误差比较大,后来随着边观测边补充训练数据的增

多,预测误差逐渐减小.一般神经网络的训练需要大量的数据,本文的训练数据比较少,导致误差比较大.对于绝大多数实际问题来说,当训练样本趋于无穷多时,通过训练样本学到的权值参数在概率上收剑于真正要求的权值

[3]

.为了解决训练数据不足问

TheAML󰀂real󰀂timeforecastmethodappliedtoparametersoftrafficstreamonexpressway

ZHUShun󰀂ying,󰀁WANGHong,󰀁LIGuan󰀂shou,󰀁HANZhi

1

1

2

3

(1.ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.HighwayConstructionandManagementDepqrtmentofChongqing

TrafficCommittee,Chongqing401147,China;3.ChongqingTrafficResearchandDesignInstitute,Chongqing400067,China)Abstract:Thetypeandtheadaline󰀂madaline(AML)real󰀂timeforecastmethodappliedtoparametersofnormaltrafficsreamonexpresswayisdiscussedindetail,thenitisappliedtoreal󰀂timeforecastoftrafficvolume,timeoccupancyandsportspeed.Keywords:trafficstreamparameter;real󰀂timeforecast;Adaline󰀂MadaLine(AML)责任编辑:袁本奎