膨脹土試驗(yàn)研究報(bào)告

1.地形地貌新建蕪湖宣城民用機(jī)場(chǎng)位于蕪湖市蕪湖縣灣址鎮(zhèn)小莊，地處安徽省東南部，長(zhǎng)江中下游南岸，北與當(dāng)涂縣毗鄰，南與南陵縣相連，東界宣州區(qū)，西鄰蕪湖市。地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°19′—118°44′、北緯30°54′—31°25′。擬建場(chǎng)區(qū)屬沿江丘陵平原區(qū)，根據(jù)地貌形態(tài)，結(jié)合海拔高度、遙感解譯等將區(qū)內(nèi)劃分為河谷平原、丘陵兩個(gè)地貌類型，由河漫灘、二級(jí)階地、山前斜地、低丘四個(gè)微地貌組成。地形起伏較大，黃海高程一般在～米之間。2.工程地質(zhì)通過(guò)分析《蕪湖宣城民用機(jī)場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告》（初步勘察）（蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2014年12月）、《蕪湖宣城機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)道工程試驗(yàn)段巖土工程勘察報(bào)告》（蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2016年8月），多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，認(rèn)為該場(chǎng)區(qū)屬沿江丘陵平原區(qū)。綜合分析鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)的巖土試驗(yàn)成果，擬建場(chǎng)地的地層層序自上而下可分為：①層：耕植土、素填土（），雜色，土質(zhì)不均，松散。村莊及道路部分為填土，含碎石、雜填土；場(chǎng)地大部為旱地和水田，表層50cm多含植物根系；場(chǎng)地范圍內(nèi)有較多的溝塘，下部為淤泥。厚度為～米。②層：粉質(zhì)粘土（），灰黃色，紅褐色，可塑～硬塑狀，稍濕。韌性高，干強(qiáng)度高，切面光滑有光澤。本層多含F(xiàn)e、Mn結(jié)核及高嶺土，局部下部夾有礫石。最大厚度米，層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米。③層：粉質(zhì)粘土（），灰黃色，紅褐色，硬塑～堅(jiān)硬狀，稍濕。韌性高，干強(qiáng)度高，切面光滑有光澤。本層多含F(xiàn)e、Mn結(jié)核及高嶺土，下部夾有小的礫石，（初勘時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別孔在此層下部夾有一層可塑狀的粉質(zhì)粘土，該層含有大量的高齡土，厚度約～米,該層具有一定的膨脹性）最大厚度米，層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米。④層：全風(fēng)化砂巖，棕白色，可塑～硬塑狀,已風(fēng)化成粘土狀，局部夾有強(qiáng)風(fēng)化，夾有小碎石。層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米，最大揭露厚度為米。⑤層：強(qiáng)風(fēng)化砂巖，棕紅色，強(qiáng)風(fēng)化，紅褐色，巖芯呈碎塊狀，短柱狀，采芯率低，巖芯強(qiáng)度低，手捏易碎，成砂土狀。局部夾有少量礫石，分布不均，。該層沿線內(nèi)均有見巖芯成碎塊狀和塊狀，局部夾有中風(fēng)化。層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米，最大揭露厚度為米。⑥層：中風(fēng)化砂巖（J），中風(fēng)化，紅褐色，塊狀構(gòu)造，有節(jié)理裂隙。巖芯呈柱狀，RQD≥90%,巖芯強(qiáng)度較低，屬軟質(zhì)巖～極軟巖，敲擊易碎，干后巖芯易開裂。該層未揭穿，可見厚度一般大于，層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ。⑦層：強(qiáng)風(fēng)化角礫巖，青灰色、灰黃色，強(qiáng)風(fēng)化，巖芯呈碎塊狀，短柱狀，采芯率低，巖芯強(qiáng)度低，手捏易碎，成砂土狀。局部夾有少量礫石，分布不均，含量約為20%。該層沿線內(nèi)均有見巖芯成碎塊狀和塊狀，局部夾有中風(fēng)化。層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米，最大揭露厚度為米。⑧層：中風(fēng)化角礫巖（J），青灰色、灰褐色，局部淡黃色，有節(jié)理裂隙。巖芯呈柱狀，RQD≥90%,巖芯強(qiáng)度較低，屬硬質(zhì)巖，敲擊易碎，干后巖芯易開裂。該層未揭穿，可見厚度一般大于米，層頂面埋深為～米，層頂面黃海高程為～米。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ。為查明場(chǎng)地內(nèi)有無(wú)膨脹土、膨脹土的分布范圍及膨脹程度，建設(shè)單位于2016年11月委托蕪湖市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司進(jìn)行第二次勘察，提供的“蕪湖宣城民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)（試驗(yàn)段）取土場(chǎng)（第二次）勘察說(shuō)明”顯示深度9m左右存在一個(gè)較薄膨脹土層，膨脹率高達(dá)80%,按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112)中規(guī)定,定性為中膨脹性。3來(lái)樣說(shuō)明由于②層土中存在膨脹土層，施工單位從現(xiàn)場(chǎng)取得該層膨脹土土樣，交給北京泰斯特工程檢測(cè)有限公司進(jìn)行改性研究，由于取土部位不同，所取膨脹土樣分兩種，為試驗(yàn)編號(hào)方便，暫命名為膨脹土Ⅰ、膨脹土Ⅱ，另送來(lái)非膨脹土土樣，來(lái)?yè)交熳龈男匝芯?，土樣見下圖一：圖一膨脹土Ⅰ膨脹土Ⅱ非膨脹土4.膨脹土特性膨脹土土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性。膨脹土按粘土礦物分類可以歸納為兩大類一類以蒙脫石為主，一般承載力較高；另一類以伊利石土和高嶺土為主。按膨脹性分類可分為弱膨脹、中膨脹、強(qiáng)膨脹三類。膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。常使建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形。膨脹土路堤會(huì)出現(xiàn)沉陷、邊坡溜塌、路肩坍塌和滑坡等破壞現(xiàn)象。路塹會(huì)出現(xiàn)剝落、沖蝕、溜塌、滑坡等破壞。膨脹土具有很高的膨脹潛勢(shì)，這與它含水量的大小及變化有關(guān)。如果其含水量保持不變則不會(huì)有體積變化。在工程施工中建造在含水量保持不變的粘土上的構(gòu)造物不會(huì)遭受由膨脹而引起的破壞。當(dāng)粘土的含水量發(fā)生變化立即就會(huì)產(chǎn)生垂直和水平兩個(gè)方向的體積膨脹。含水量的輕微變化僅1%～2%的量值就足以引起有害的膨脹。膨脹土的干容重與其天然含水量是息息相關(guān)，干容重是膨脹土的另一重要影響因素。第二章：研究目的由于膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。常使建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形。在蕪湖宣城民用機(jī)場(chǎng)地基處理中如若處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)地基處理產(chǎn)生很大影響，從而影響上部結(jié)構(gòu)。為使膨脹土部位達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通?？刹捎梦锢砀男苑ê突瘜W(xué)改性法，物理改性法分為壓實(shí)法和樁基法，壓實(shí)法經(jīng)濟(jì)性好，施工方便，樁基法垂直作業(yè)深度大，不適合分層碾壓施工；化學(xué)改性法早期強(qiáng)度不高，整體性差，形成一定強(qiáng)度一般需7d以上，同時(shí)成本較大。綜合對(duì)比各種改性方法，采用較為經(jīng)濟(jì)和方便壓實(shí)法對(duì)膨脹土進(jìn)行處理，通過(guò)摻取不同比例的非膨脹土，來(lái)降低它的膨脹性，本次研究旨在確定壓實(shí)法物理改性能降低其膨脹性到什么程度，結(jié)合壓實(shí)度對(duì)膨脹性的影響，確定合理的配比和作業(yè)部位。：室內(nèi)試驗(yàn)方案1壓實(shí)法物理改性設(shè)計(jì)（1）將非膨脹土分別和膨脹土Ⅰ、膨脹土Ⅱ按照7:3、6:4、5:5質(zhì)量比例充分混合，制得混合土樣；（2）做擊實(shí)試驗(yàn)，記錄上述土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率；（3）土樣烘干重塑，采用環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)90%、93%和96%壓實(shí)度，共制備162個(gè)環(huán)刀試件（六種土*三個(gè)試驗(yàn)*三種壓實(shí)度*平行試驗(yàn)）；（4）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程試驗(yàn)，做好記錄，計(jì)算試驗(yàn)指標(biāo)。為直觀反映改性設(shè)計(jì)方案，特做表二：表一：物理改性試件個(gè)數(shù)一覽表試樣稱量質(zhì)量/kg試件制備方法無(wú)載膨脹率、有載膨脹率、膨脹力試件個(gè)數(shù)膨脹土非膨脹土90壓實(shí)度93壓實(shí)度96壓實(shí)度30%膨脹土Ⅰ+70%非膨脹土921環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)99940%膨脹土Ⅰ+60%非膨脹土1218環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)99950%膨脹土Ⅰ+50%非膨脹土1515環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)99930%膨脹土Ⅱ+70%非膨脹土921環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)99940%膨脹土Ⅱ+60%非膨脹土1218環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)99950%膨脹土Ⅱ+50%非膨脹土1515環(huán)刀法手動(dòng)擊實(shí)999注：將30%膨脹土Ⅰ和70%非膨脹土混合土樣簡(jiǎn)稱為30%膨脹土，其它混合土樣及下文同樣情況同理簡(jiǎn)稱之。2.試驗(yàn)項(xiàng)目本次膨脹性試驗(yàn)設(shè)計(jì)為無(wú)載荷膨脹率、有載荷膨脹率和膨脹力試驗(yàn)，另外，確定最大干密度需要做擊實(shí)試驗(yàn)。（1）無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)是測(cè)定試樣在無(wú)荷載有側(cè)限條件下浸水后的單向膨脹量，適用于原狀土和擊實(shí)土試樣。試樣尺寸對(duì)膨脹量是非功過(guò)有影響的。在統(tǒng)一的膨脹穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)下，膨脹量隨試樣的高度增加而減小，隨直徑的增大而增大。膨脹量與土的自然狀態(tài)關(guān)系非常密切。起始含水量、干密度都直接影響試驗(yàn)結(jié)果。按下式計(jì)算任一時(shí)間的無(wú)載荷膨脹率:δe==Rt-R0式中δe—時(shí)間t時(shí)的無(wú)載荷膨脹率（%），計(jì)算至；—時(shí)間t時(shí)試樣膨脹增量（mm）；H0—試樣起始高度（mm）；Rt—時(shí)間t時(shí)百分表讀數(shù)（mm）；R0—試驗(yàn)開始時(shí)百分表讀數(shù)（mm）。（2）有荷載膨脹量試驗(yàn)是在有側(cè)限條件下，按實(shí)際荷載大小測(cè)定原狀土或擊實(shí)粘質(zhì)土的膨脹量。同一試樣，荷載越大，穩(wěn)定越快；無(wú)荷載時(shí)，膨脹穩(wěn)定最慢。對(duì)不同試樣，則反映出膨脹量越大，穩(wěn)定越慢，歷時(shí)越長(zhǎng)。各級(jí)壓力下的膨脹率應(yīng)按下式計(jì)算：式中：——某級(jí)荷載下膨脹土的膨脹率（%）；——在一定壓力作用下試樣浸水膨脹穩(wěn)定后百分表的讀數(shù)（mm）；——在一定壓力作用下，壓縮儀卸荷回彈的校準(zhǔn)值（mm）；——在壓力為零時(shí)百分表的初讀數(shù)（mm）；——試樣加荷前的原始高度（mm）。（3）膨脹力是粘質(zhì)土遇水產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。伴隨此力的解除，土體發(fā)生膨脹，從而使土基上建筑物或路面等受到破壞。根據(jù)實(shí)測(cè)，當(dāng)不允許土體發(fā)生膨脹時(shí)，有些粘質(zhì)土的膨脹力可達(dá)1600kPa，所以對(duì)膨脹力的測(cè)定是有現(xiàn)實(shí)意義的。室內(nèi)測(cè)定膨脹力的方法和儀器有多種，國(guó)內(nèi)外采用最多的是以外力平衡內(nèi)力的方法即平衡法。膨脹力應(yīng)按照下式計(jì)算：Pe=式中：Pe——膨脹力（kPa）；W——施加在試樣上的總平衡荷載（N）；A——試樣面積（cm3）；m——加壓設(shè)備的杠桿比。擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)試驗(yàn)是用錘擊實(shí)土樣以了解土的壓實(shí)特性的一種方法。這個(gè)方法是用不同的擊實(shí)功（錘重×落距×錘擊次數(shù)）分別錘擊不同含水量的土樣，并測(cè)得相應(yīng)的干容重，從而求得最大干容重（一般是指骨料堆積或緊密密度）、最優(yōu)含水率，為填土工程的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。3試驗(yàn)計(jì)劃為了對(duì)比壓實(shí)法物理改性效果，需要做膨脹土Ⅰ，膨脹土=2\*ROMANII的擊實(shí)和膨脹試驗(yàn)，為直觀顯示整個(gè)試驗(yàn)計(jì)劃，做出下表二：表二：試驗(yàn)計(jì)劃表土樣項(xiàng)目擊實(shí)試驗(yàn)無(wú)載膨脹率試驗(yàn)有載膨脹率試驗(yàn)膨脹力試驗(yàn)計(jì)劃完成時(shí)間（天）膨脹土Ⅰ√√√√5膨脹土Ⅱ√√√√530%膨脹土Ⅰ√√√√440%膨脹土Ⅰ√√√√450%膨脹土Ⅰ√√√√430%膨脹土Ⅱ√√√√440%膨脹土Ⅱ√√√√450%膨脹土Ⅱ√√√√4考慮到試件制備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很大，過(guò)程控制十分重要，在做完擊實(shí)試驗(yàn)，得到最大干密度就可以按照下式計(jì)算試件所需質(zhì)量，以下簡(jiǎn)介試件制備的計(jì)算過(guò)程：根據(jù)公式m=ρdmaxλ（1+ωw）V，可計(jì)算出所制壓實(shí)度試件的土樣稱量質(zhì)量。其中：m-所制壓實(shí)度試件的土樣稱量質(zhì)量；ρdmax—最大干密度；λ—壓實(shí)度；ωw-含水量，取10%；V—環(huán)刀體積，取60cm3。圖二制樣圖片:試驗(yàn)結(jié)果與分析擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與分析擊實(shí)試驗(yàn)方法依據(jù)JTGE40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中T0131-2007擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行操作采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀，運(yùn)用重型擊實(shí)方法。由于土樣天然含水率較大，所以使用干土法，將原土樣烘干，分別加至不同含水率（按2%～3%遞增），拌勻后悶料一夜再進(jìn)行試驗(yàn)。將擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。取每個(gè)擊實(shí)曲線最高點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值作為膨脹土及混合土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度，匯總見表三：表三：最大干密度和最優(yōu)含水量匯總土樣膨脹土Ⅰ膨脹土Ⅱ30%膨脹土Ⅰ40%膨脹土Ⅰ50%膨脹土Ⅰ30%膨脹土Ⅱ40%膨脹土Ⅱ50%膨脹土Ⅱ最大干密度（g/cm3）最優(yōu)含水率（%）注：將30%膨脹土Ⅰ和70%非膨脹土混合土樣簡(jiǎn)稱為30%膨脹土，其它混合土樣及下文同樣情況同理簡(jiǎn)稱之。從表三可以分析得出：膨脹土Ⅰ的最大干密度略大于膨脹土Ⅱ，最優(yōu)含水量略小于膨脹土Ⅱ；混合土樣隨著膨脹土含量增多，其最大干密度和最優(yōu)含水量略有增加；膨脹試驗(yàn)結(jié)果與分析膨脹土試驗(yàn)依據(jù)JTGE40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中T0124-1993、T0125-1993、T0126-1993、T0127-1993試驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)。本次壓實(shí)法物理改性旨在降低膨脹性,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),混合土樣膨脹性減小幅度較大,其膨脹力較小,故本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)土樣施加較小豎向壓力(取進(jìn)行有荷載膨脹試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格遵守規(guī)范要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，結(jié)果詳見表三。表三：膨脹試驗(yàn)結(jié)果匯總表土樣項(xiàng)目90壓實(shí)度93壓實(shí)度96壓實(shí)度無(wú)載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無(wú)載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無(wú)載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)膨脹土Ⅰ50%膨脹土Ⅰ40%膨脹土Ⅰ30%膨脹土Ⅰ膨脹土Ⅱ50%膨脹土Ⅱ40%膨脹土Ⅱ30%膨脹土Ⅱ根據(jù)膨脹試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行膨脹土Ⅰ與膨脹土Ⅱ膨脹性對(duì)比，表四顯示，膨脹土Ⅰ的膨脹性明顯比膨脹土Ⅱ大，大于幅度一般在30%至50%之間。表四：膨脹土Ⅰ與膨脹土Ⅱ膨脹性對(duì)比表土樣項(xiàng)目90壓實(shí)度93壓實(shí)度96壓實(shí)度無(wú)載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無(wú)載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無(wú)載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)膨脹土Ⅰ膨脹土Ⅱ膨脹土Ⅰ較膨脹土Ⅱ大于百分比%%%%%%%%%（2）現(xiàn)根據(jù)膨脹試驗(yàn)結(jié)果，分析混合土樣膨脹性與物理改性的關(guān)系。表五：物理改性膨脹指標(biāo)下降率匯總表土樣項(xiàng)目90壓實(shí)度93壓實(shí)度96壓實(shí)度無(wú)載膨脹率有載膨脹率膨脹力無(wú)載膨脹率有載膨脹率膨脹力無(wú)載膨脹率有載膨脹率膨脹力50%膨脹土Ⅰ%%%%%%%%%40%膨脹土Ⅰ%%%%%%%%%30%膨脹土Ⅰ%%%%%%%%%50%膨脹土Ⅱ%%%%%%%%%40%膨脹土Ⅱ%%%%%%%%%30%膨脹土Ⅱ%%%%%%%%%表五直觀的顯示，物理改性后無(wú)載膨脹率和膨脹力普遍下降50%以上，有載膨脹率普遍下降70%以上。（3）根據(jù)膨脹性與物理改性的關(guān)系進(jìn)一步分析改性比例與膨脹性下降的關(guān)系。表六：膨脹土比例從50%到30%時(shí)膨脹指標(biāo)下降率的增量統(tǒng)計(jì)匯總表土樣項(xiàng)目90壓實(shí)度93壓實(shí)度96壓實(shí)度無(wú)載膨脹率有載膨脹率膨脹力無(wú)載膨脹率有載膨脹率膨脹力無(wú)載膨脹率有載膨脹率膨脹力膨脹土Ⅰ%%%%%%%%%膨脹土Ⅱ%%%%%%%%%表六顯示，膨脹土比例從50%到30%時(shí)膨脹指標(biāo)下降率的增量大部分在10%以下。（4）膨脹土、改性膨脹土膨脹性與壓實(shí)度有緊密關(guān)系，依據(jù)膨脹試驗(yàn)結(jié)果，制得膨脹指標(biāo)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，見圖三，顯示膨脹土、改性膨脹土膨脹性的均與壓實(shí)度成正相關(guān)，其中膨脹土的膨脹指標(biāo)隨壓實(shí)度增大而增大較多，改性膨脹土增大較少。圖三：膨脹性和壓實(shí)度關(guān)系曲線（5）結(jié)合MH5014-2012《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)土(石)方與道面基礎(chǔ)施工規(guī)范》中對(duì)土基和土面區(qū)密實(shí)度要求（見表七），進(jìn)行改性膨脹土使用部分分析。表七：標(biāo)準(zhǔn)密實(shí)度要求部位土基頂面或土面以下深度（cm）重型擊實(shí)法的密實(shí)度（%）土基填方區(qū)0～10098100～40095>40093土面填方區(qū)0～8090>808850%膨脹土Ⅰ混合土在96壓實(shí)度下膨脹力達(dá)到，土的容重取20kN/