膨脹土試驗(yàn)研究報告

1.地形地貌新建蕪湖宣城民用機(jī)場位于蕪湖市蕪湖縣灣址鎮(zhèn)小莊，地處安徽省東南部，長江中下游南岸，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、丘陵兩個地貌類型，由河漫灘、二級階地、山前斜地、低丘四個微地貌組成。地形起伏較大，黃海高程一般在～米之間。2.工程地質(zhì)通過分析《蕪湖宣城民用機(jī)場巖土工程勘察報告》（初步勘察）（蕪湖市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2014年12月）、《蕪湖宣城機(jī)場飛行區(qū)場道工程試驗(yàn)段巖土工程勘察報告》（蕪湖市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2016年8月），多次現(xiàn)場調(diào)研，認(rèn)為該場區(qū)屬沿江丘陵平原區(qū)。綜合分析鉆探、原位測試及室內(nèi)的巖土試驗(yàn)成果，擬建場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；場地大部為旱地和水田，表層50cm多含植物根系；場地范圍內(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，（初勘時發(fā)現(xiàn)個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)量等級為Ⅲ。為查明場地內(nèi)有無膨脹土、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)場飛行區(qū)（試驗(yàn)段）取土場（第二次）勘察說明”顯示深度9m左右存在一個較薄膨脹土層，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來樣說明由于②層土中存在膨脹土層，施工單位從現(xiàn)場取得該層膨脹土土樣，交給北京泰斯特工程檢測有限公司進(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)編號方便，暫命名為膨脹土Ⅰ、膨脹土Ⅱ，另送來非膨脹土土樣，來摻混做改性研究，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，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)生變化立即就會產(chǎn)生垂直和水平兩個方向的體積膨脹。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)場地基處理中如若處理不當(dāng)，會對地基處理產(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，通常可采用物理改性法和化學(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，同時成本較大。綜合對比各種改性方法，采用較為經(jīng)濟(jì)和方便壓實(shí)法對膨脹土進(jìn)行處理，通過摻取不同比例的非膨脹土，來降低它的膨脹性，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)刀法手動擊實(shí)90%、93%和96%壓實(shí)度，共制備162個環(huán)刀試件（六種土*三個試驗(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：物理改性試件個數(shù)一覽表試樣稱量質(zhì)量/kg試件制備方法無載膨脹率、有載膨脹率、膨脹力試件個數(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)刀法手動擊實(shí)99940%膨脹土Ⅰ+60%非膨脹土1218環(huán)刀法手動擊實(shí)99950%膨脹土Ⅰ+50%非膨脹土1515環(huán)刀法手動擊實(shí)99930%膨脹土Ⅱ+70%非膨脹土921環(huán)刀法手動擊實(shí)99940%膨脹土Ⅱ+60%非膨脹土1218環(huán)刀法手動擊實(shí)99950%膨脹土Ⅱ+50%非膨脹土1515環(huán)刀法手動擊實(shí)999注：將30%膨脹土Ⅰ和70%非膨脹土混合土樣簡稱為30%膨脹土，其它混合土樣及下文同樣情況同理簡稱之。2.試驗(yàn)項(xiàng)目本次膨脹性試驗(yàn)設(shè)計(jì)為無載荷膨脹率、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）無荷載膨脹率試驗(yàn)是測定試樣在無荷載有側(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。試樣尺寸對膨脹量是非功過有影響的。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)算任一時間的無載荷膨脹率:δe==Rt-R0式中δe—時間t時的無載荷膨脹率（%），計(jì)算至；—時間t時試樣膨脹增量（mm）；H0—試樣起始高度（mm）；Rt—時間t時百分表讀數(shù)（mm）；R0—試驗(yàn)開始時百分表讀數(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；無荷載時，膨脹穩(wěn)定最慢。對不同試樣，則反映出膨脹量越大，穩(wěn)定越慢，歷時越長。各級壓力下的膨脹率應(yīng)按下式計(jì)算：式中：——某級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，當(dāng)不允許土體發(fā)生膨脹時，有些粘質(zhì)土的膨脹力可達(dá)1600kPa，所以對膨脹力的測定是有現(xiàn)實(shí)意義的。室內(nèi)測定膨脹力的方法和儀器有多種，國內(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考慮到試件制備對試驗(yàn)結(jié)果影響很大，過程控制十分重要，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，以下簡介試件制備的計(jì)算過程：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稱為30%膨脹土，其它混合土樣及下文同樣情況同理簡稱之。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)過程嚴(yán)格遵守規(guī)范要求，對數(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)度無載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無載膨脹率(%)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膨脹性對比表土樣項(xiàng)目90壓實(shí)度93壓實(shí)度96壓實(shí)度無載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無載膨脹率(%)有載膨脹率(%)膨脹力(kPa)無載膨脹率(%)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)度無載膨脹率有載膨脹率膨脹力無載膨脹率有載膨脹率膨脹力無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)度無載膨脹率有載膨脹率膨脹力無載膨脹率有載膨脹率膨脹力無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)場飛行區(qū)土(石)方與道面基礎(chǔ)施工規(guī)范》中對土基和土面區(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/