膨胀土试验研究报告.doc

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第一章：工程概况
1.地形地貌
新建芜湖宣城民用机场位于芜湖市芜湖县湾址镇小庄，地处安徽省东南部，长江中下游南岸，北与当涂县毗邻，南与南陵县相连，东界宣州区，西邻芜湖市。地理坐标为东经118°19′—118°44′、北纬30°54′—31°25′。
拟建场区属沿江丘陵平原区，根据地貌形态，结合海拔高度、遥感解译等将区内划分为河谷平原、丘陵两个地貌类型，由河漫滩、二级阶地、山前斜地、低丘四个微地貌组成。地形起伏较大，黄海高程一般在6.90～29.36米之间。
2.工程地质
通过分析《芜湖宣城民用机场岩土工程勘察报告》（初步勘察）（芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司，2014年12月）、《芜湖宣城机场飞行区场道工程试验段岩土工程勘察报告》（芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司，2016年8月），多次现场调研，认为该场区属沿江丘陵平原区。
综合分析钻探、原位测试及室内的岩土试验成果，拟建场地的地层层序自上而下可分为：
①层：耕植土、素填土（），杂色，土质不均，松散。村庄及道路部分为填土，含碎石、杂填土；场地大部为旱地和水田，表层50cm多含植物根系；场地范围内有较多的沟塘，下部为淤泥。厚度为0.50～3.20米。
②层：粉质粘土（），灰黄色，红褐色，可塑～硬塑状 ，稍湿。韧性高，干强度高，切面光滑有光泽。本层多含Fe、Mn结核及高岭土，局部下部夹有砾石。最大厚度11.80米，层顶面埋深为0.30～8.40米，层顶面黄海高程为4.98～22.42米。
③层：粉质粘土（），灰黄色，红褐色，硬塑～坚硬状 ，稍湿。韧性高，干强度高，切面光滑有光泽。本层多含Fe、Mn结核及高岭土，下部夹有小的砾石，（初勘时发现个别孔在此层下部夹有一层可塑状的粉质粘土，该层含有大量的高龄土，厚度约0.5～1.2米,该层具有一定的膨胀性）最大厚度16.60米，层顶面埋深为0.30～13.50米，层顶面黄海高程为4.83～28.96米。
④层：全风化砂岩，棕白色，可塑～硬塑状,已风化成粘土状，局部夹有强风化，夹有小碎石。层顶面埋深为0.90～11.50米，层顶面黄海高程为--0.45～25.40米，最大揭露厚度为8.70米。
⑤层：强风化砂岩，棕红色，强风化，红褐色，岩芯呈碎块状，短柱状，采芯率低，岩芯强度低，手捏易碎，成砂土状。局部夹有少量砾石，分布不均，。该层沿线内均有见岩芯成碎块状和块状，局部夹有中风化。层顶面埋深为0.70～16.60米，层顶面黄海高程为-7.01～25.38米，最大揭露厚度为6.30米。
⑥层：中风化砂岩（J），中风化，红褐色，块状构造，有节理裂隙。岩芯呈柱状，RQD≥90%,岩芯强度较低，属软质岩～极软岩，敲击易碎，干后岩芯易开裂。该层未揭穿，可见厚度一般大于5.0，层顶面埋深为3.50～18.70米，层顶面黄海高程为-7.81～20.98米，岩体基本质量等级为Ⅳ。
⑦层：强风化角砾岩，青灰色、灰黄色，强风化，岩芯呈碎块状，短柱状，采芯率低，岩芯强度低，手捏易碎，成砂土状。局部夹有少量砾石，分布不均，含量约为20%。该层沿线内均有见岩芯成碎块状和块状，局部夹有中风化。层顶面埋深为2.40～14.30米，层顶面黄海高程为1.94～16.94米，最大揭露厚度为4.50米。
⑧层：中风化角砾岩（J），青灰色、灰褐色，局部淡黄色，有节理裂隙。岩芯呈柱状，RQD≥90%,岩芯强度较低，属硬质岩，敲击易碎，干后岩芯易开裂。该层未揭穿，可见厚度一般大于5.0米，层顶面埋深为3.50～17.20米，层顶面黄海高程为-0.06～16.54米。岩体基本质量等级为Ⅲ。
为查明场地内有无膨胀土、膨胀土的分布范围及膨胀程度，建设单位于2016年11月委托芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司进行第二次勘察，提供的“芜湖宣城民用机场飞行区（试验段）取土场（第二次）勘察说明”显示深度9m左右存在一个较薄膨胀土层，膨胀率高达80%, 按《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112)中规定,定性为中膨胀性。
3来样说明
由于②层土中存在膨胀土层，施工单位从现场取得该层膨胀土土样，交给北京泰斯特工程检测有限公司进行改性研究，由于取土部位不同，所取膨胀土样分两种，为试验编号方便，暂命名为膨胀土Ⅰ、膨胀土Ⅱ，另送来非膨胀土土样，来掺混做改性研究，土样见下图一：

图一 膨胀土Ⅰ 膨胀土Ⅱ 非膨胀土

4.膨胀土特性
膨胀土土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性。
膨胀土按粘土矿物分类可以归纳为两大类一类以蒙脱石为主，一般承载力较高；另一类以伊利石土和高岭土为主。按膨胀性分类可分为弱膨胀、中膨胀、强膨胀三类。
膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形。
膨胀土路堤会出现沉陷、边坡溜塌、路肩坍塌和滑坡等破坏现象。路堑会出现剥落、冲蚀、溜塌、滑坡等破坏。
膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变则不会有体积变化。在工程施工中建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当粘土的含水量发生变化立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微变化仅1%～2%的量值就足以引起有害的膨胀。
膨胀土的干容重与其天然含水量是息息相关，干容重是膨胀土的另一重要影响因素。
第二章：研究目的
由于膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形。在芜湖宣城民用机场地基处理中如若处理不当，会对地基处理产生很大影响，从而影响上部结构。
为使膨胀土部位达到设计要求，通常可采用物理改性法和化学改性法，物理改性法分为压实法和桩基法，压实法经济性好，施工方便，桩基法垂直作业深度大，不适合分层碾压施工；化学改性法早期强度不高，整体性差，形成一定强度一般需7d以上，同时成本较大。综合对比各种改性方法，采用较为经济和方便压实法对膨胀土进行处理，通过掺取不同比例的非膨胀土，来降低它的膨胀性，本次研究旨在确定压实法物理改性能降低其膨胀性到什么程度，结合压实度对膨胀性的影响，确定合理的配比和作业部位。
第三章 ：室内试验方案

1压实法物理改性设计
（1）将非膨胀土分别和膨胀土Ⅰ、膨胀土Ⅱ按照7:3、6:4、5:5质量比例充分混合，制得混合土样；
（2）做击实试验，记录上述土样的最大干密度和最优含水率；
（3）土样烘干重塑，采用环刀法手动击实90%、93%和96%压实度，共制备162个环刀试件（六种土*三个试验*三种压实度*平行试验）；
（4）依据标准操作规程试验，做好记录，计算试验指标。
为直观反映改性设计方案，特做表二：
表一：物理改性试件个数一览表
试样
称量质量/kg
试件制备方法
无载膨胀率、有载膨胀率、膨胀力试件个数
膨胀土
非膨胀土
90压实度
93压实度
96压实度
30%膨胀土Ⅰ+70%非膨胀土
9
21
环刀法手动击实
9
9
9
40%膨胀土Ⅰ+60%非膨胀土
12
18
环刀法手动击实
9
9
9
50%膨胀土Ⅰ
+50%非膨胀土
15
15
环刀法手动击实
9
9
9
30%膨胀土Ⅱ+70%非膨胀土
9
21
环刀法手动击实
9
9
9
40%膨胀土Ⅱ+60%非膨胀土
12
18
环刀法手动击实
9
9
9
50%膨胀土Ⅱ+50%非膨胀土
15
15
环刀法手动击实
9
9
9
注：将30%膨胀土Ⅰ和70%非膨胀土混合土样简称为30%膨胀土，其它混合土样
及下文同样情况同理简称之。
2.试验项目
本次膨胀性试验设计为无载荷膨胀率、有载荷膨胀率和膨胀力试验，另外，确定最大干密度需要做击实试验。
（1）无荷载膨胀率试验是测定试样在无荷载有侧限条件下浸水后的单向膨胀量，适用于原状土和击实土试样。试样尺寸对膨胀量是非功过有影响的。在统一的膨胀稳定标准下，膨胀量随试样的高度增加而减小，随直径的增大而增大。膨胀量与土的自然状态关系非常密切。起始含水量、干密度都直接影响试验结果。
按下式计算任一时间的无载荷膨胀率:
δe=
=Rt-R0
式中δe—时间t时的无载荷膨胀率（%），计算至0.1；
—时间t时试样膨胀增量（mm）；
H0—试样起始高度（mm）；
Rt—时间t时百分表读数（mm）；
R0—试验开始时百分表读数（mm）。
（2）有荷载膨胀量试验是在有侧限条件下，按实际荷载大小测定原状土或击实粘质土的膨胀量。同一试样，荷载越大，稳定越快；无荷载时，膨胀稳定最慢。对不同试样，则反映出膨胀量越大，稳定越慢，历时越长。
各级压力下的膨胀率应按下式计算：

式中：——某级荷载下膨胀土的膨胀率（%）；
——在一定压力作用下试样浸水膨胀稳定后百分表的读数（mm）；
——在一定压力作用下，压缩仪卸荷回弹的校准值（mm）；
——在压力为零时百分表的初读数（mm）；
——试样加荷前的原始高度（mm）。
（3）膨胀力是粘质土遇水产生的内应力。伴随此力的解除，土体发生膨胀，从而使土基上建筑物或路面等受到破坏。根据实测，当不允许土体发生膨胀时，有些粘质土的膨胀力可达1600kPa，所以对膨胀力的测定是有现实意义的。
室内测定膨胀力的方法和仪器有多种，国内外采用最多的是以外力平衡内力的方法即平衡法。
膨胀力应按照下式计算：
Pe=
式中：Pe——膨胀力（kPa）；
W——施加在试样上的总平衡荷载（N）；
A——试样面积（cm3）；
m——加压设备的杠杆比。
（4） 击实试验
击实试验是用锤击实土样以了解土的压实特性的一种方法。这个方法是用不同的击实功（锤重×落距×锤击次数）分别锤击不同含水量的土样，并测得相应的干容重，从而求得最大干容重（一般是指骨料堆积或紧密密度）、最优含水率，为填土工程的设计、施工提供依据。
3试验计划
为了对比压实法物理改性效果，需要做膨胀土Ⅰ，膨胀土II的击实和膨胀试验，为直观显示整个试验计划，做出下表二：
表二：试验计划表
土样 项目
击实试验
无载膨胀率试验
有载膨胀率试验
膨胀力试验
计划完成时间（天）
膨胀土Ⅰ
√
√
√
√
5
膨胀土Ⅱ
√
√
√
√
5
30%膨胀土Ⅰ
√
√
√
√
4
40%膨胀土Ⅰ
√
√
√
√
4
50%膨胀土Ⅰ
√
√
√
√
4
30%膨胀土Ⅱ
√
√
√
√
4
40%膨胀土Ⅱ
√
√
√
√
4
50%膨胀土Ⅱ
√
√
√
√
4
考虑到试件制备对试验结果影响很大，过程控制十分重要，在做完击实试验，得到最大干密度就可以按照下式计算试件所需质量，以下简介试件制备的计算过程：
根据公式m=ρdmaxλ（1+ωw）V，可计算出所制压实度试件的土样称量质量。
其中：m-所制压实度试件的土样称量质量；
ρdmax—最大干密度；
λ—压实度；
ωw -含水量，取10%；
V—环刀体积，取60cm3。
图二 制样图片

第四章 :试验结果与分析
4.1击实试验结果与分析
击实试验方法依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》中T 0131-2007击实试验进行操作采用标准击实仪，运用重型击实方法。由于土样天然含水率较大，所以使用干土法，将原土样烘干，分别加至不同含水率（按 2%～3%递增），拌匀后闷料一夜再进行试验。
将击实试验数据进行整理。取每个击实曲线最高点的横纵坐标值作为膨胀土及混合土样的最优含水率和最大干密度，汇总见表三：

表三：最大干密度和最优含水量汇总
土样
膨胀土Ⅰ
膨胀土Ⅱ
30%膨胀土Ⅰ
40%膨胀土Ⅰ
50%膨胀土Ⅰ
30%膨胀土Ⅱ
40%膨胀土Ⅱ
50%膨胀土Ⅱ
最大干密度
（g/cm3）
1.85
1.83
1.82
1.83
1.84
1.80
1.81
1.82
最优含水率
（%）
14.4
14.8
14.0
14.1
14.2
14.2
14.4
14.5
注：将30%膨胀土Ⅰ和70%非膨胀土混合土样简称为30%膨胀土，其它混合土样
及下文同样情况同理简称之。
从表三可以分析得出：
（1） 膨胀土Ⅰ的最大干密度略大于膨胀土Ⅱ，最优含水量略小于膨胀土Ⅱ；
（2） 混合土样随着膨胀土含量增多，其最大干密度和最优含水量略有增加；

4.2膨胀试验结果与分析
膨胀土试验依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》中T 0124-1993、T 0125-1993、T 0126-1993、T 0127-1993试验操作规程进行试验。
本次压实法物理改性旨在降低膨胀性,根据以往经验,混合土样膨胀性减小幅度较大,其膨胀力较小,故本次试验设计对土样施加较小竖向压力(取12.5kPa)进行有荷载膨胀试验。试验过程严格遵守规范要求，对数据进行有效处理，结果详见表三。

表三：膨胀试验结果汇总表
土样 项目
90压实度
93压实度
96压实度
无载膨胀率(%)
有载膨胀率(%)
膨胀力(kPa)
无载膨胀率(%)
有载膨胀率(%)
膨胀力(kPa)
无载膨胀率(%)
有载膨胀率(%)
膨胀力(kPa)
膨胀土Ⅰ
6.8
3.8
47.2
7.7
5.3
59.8
10.1
6.1
75.9
50%膨胀土Ⅰ
2.9
0.2
13.9
3.7
0.8
18.4
4.7
1.6
25.3
40%膨胀土Ⅰ
2.6
-0.3
11.2
3.4
0.7
15.9
4.3
1.3
21.6
30%膨胀土Ⅰ
2.5
-0.4
10.6
3.1
0.6
14.3
4.1
1.1
18.2
膨胀土Ⅱ
4.3
1.8
24.9
5.8
2.5
33.3
7.3
3.4
40.2
50%膨胀土Ⅱ
2.3
-0.1
12.9
2.7
0.3
14.3
3.3
0.9
19.9
40%膨胀土Ⅱ
1.9
-0.4
10.7
2.4
0.0
13.4
2.9
0.7
18.0
30%膨胀土Ⅱ
1.5
-0.5
10.0
1.9
-0.2
12.9
2.6
0.5
16.7
（1） 根据膨胀试验结果，进行膨胀土Ⅰ与膨胀土Ⅱ膨胀性对比，表四显示，膨胀土Ⅰ的膨胀性明显比膨胀土Ⅱ大，大于幅度一般在30%至50%之间。
表四：膨胀土Ⅰ与膨胀土Ⅱ膨胀性对比表
土样 项目
90压实度
93压实度
96压实度
无载膨胀率(%)
有载膨胀率(%)
膨胀力(kPa)
无载膨胀率(%)
有载膨胀率(%)
膨胀力(kPa)
无载膨胀率(%)
有载膨胀率(%)
膨胀力(kPa)
膨胀土Ⅰ
6.8
3.8
47.2
7.7
5.3
59.8
10.1
6.1
75.9
膨胀土Ⅱ
4.3
1.8
24.9
5.8
2.5
33.3
7.3
3.4
40.2
膨胀土Ⅰ较膨胀土Ⅱ大于百分比
36.8%
52.6%
47.2%
24.7%
52.8%
44.3%
27.7%
44.3%
47.0%

（2）现根据膨胀试验结果，分析混合土样膨胀性与物理改性的关系。
表五：物理改性膨胀指标下降率汇总表
土样 项目
90压实度
93压实度
96压实度
无载膨胀率
有载膨胀率
膨胀力
无载膨胀率
有载膨胀率
膨胀力
无载膨胀率
有载膨胀率
膨胀力
50%膨胀土Ⅰ
57.4%
94.7%
70.6%
51.9%
84.9%
69.2%
53.5%
73.8%
66.7%
40%膨胀土Ⅰ
61.8%
100.0%
76.3%
55.8%
86.8%
73.4%
57.4%
78.7%
71.5%
30%膨胀土Ⅰ
63.2%
100.0%
77.5%
59.7%
88.7%
76.1%
59.4%
82.0%
76.0%
50%膨胀土Ⅱ
46.5%
100.0%
48.2%
53.4%
88.0%
57.1%
54.8%
73.5%
50.5%
40%膨胀土Ⅱ
55.8%
100.0%
57.0%
58.6%
100.0%
59.8%
60.3%
79.4%
55.2%
30%膨胀土Ⅱ
65.1%
100.0%
59.8%
67.2%
100.0%
61.3%
64.4%
85.3%
58.5%
表五直观的显示，物理改性后无载膨胀率和膨胀力普遍下降50%以上，有载膨胀率普遍下降70%以上。
（3）根据膨胀性与物理改性的关系进一步分析改性比例与膨胀性下降的关系。
表六：膨胀土比例从50%到30%时膨胀指标下降率的增量统计汇总表
土样 项目
90压实度
93压实度
96压实度
无载膨胀率
有载膨胀率
膨胀力
无载膨胀率
有载膨胀率
膨胀力
无载膨胀率
有载膨胀率
膨胀力
膨胀土Ⅰ
5.8%
5.3%
6.9%
7.8%
3.8%
6.9%
5.9%
8.2%
9.3%
膨胀土Ⅱ
18.6%
0.0%
11.6%
13.8%
12.0%
4.2%
9.6%
11.8%
8.0%
表六显示，膨胀土比例从50%到30%时膨胀指标下降率的增量大部分在10%以下。
-可编辑修改-

（4）膨胀土、改性膨胀土膨胀性与压实度有紧密关系，依据膨胀试验结果，制得膨胀指标与压实度的关系曲线，见图三，显示膨胀土、改性膨胀土膨胀性的均与压实度成正相关，其中膨胀土的膨胀指标随压实度增大而增大较多，改性膨胀土增大较少。
图三：膨胀性和压实度关系曲线

（5）结合MH5014-2012《民用机场飞行区土(石)方与道面基础施工规范》中对土基和土面区密实度要求（见表七），进行改性膨胀土使用部分分析。
表七：标准密实度要求
部位
土基顶面或土面以下深度（cm）
重型击实法的密实度（%）
土基填方区
0～100
98
100～400
95
>400
93
土面填方区
0～80
90
>80
88
50%膨胀土Ⅰ混合土在96压实度下膨胀力达到25.3kPa，土的容重取20kN/m3,对于土基填方区使用深度保守计算应在1.5m以下；50%膨胀土Ⅱ混合土在96压实度下膨胀力达到19.9kPa，对于土基填方区使用深度应在1m以下。
土面区对于沉降隆起要求很宽松，可采用膨胀土填筑，保守设计的话可用一定比例物理改性膨胀土作为填土。
第五章:结论和建议
1、膨胀土Ⅰ的最大干密度略大于膨胀土Ⅱ，最优含水量略小于膨胀土Ⅱ；
混合土样随着膨胀土含量增多，其最大干密度和最优含水量略有增加；
2、膨胀土Ⅰ的膨胀性明显比膨胀土Ⅱ大，大于幅度一般在30%至50%之间。
3、物理改性能显著降低膨胀性，改性后无载膨胀率和膨胀力普遍下降50%以上，有载膨胀率普遍下降70%以上。
4、膨胀土、改性膨胀土膨胀性的均与压实度成正相关，其中膨胀土的膨胀指标随压实度增大而增大较多，改性膨胀土增大较少。
5、膨胀土比例从50%到30%时膨胀指标下降率的增量大部分在10%以下，变化不大，建议施工方优先采取较为经济的膨胀土和非膨胀土1:1配比。
6、结合MH5014-2012《民用机场飞行区土(石)方与道面基础施工规范》中对土基和土面区密实度要求（见表七），设计改性膨胀土区域分配建议表（表八）。
表八：改性膨胀土区域分配建议表
部位
土基顶面或土面以下深度（cm）
可采用改性膨胀土
土基填方区
0～100
不建议采用
>100
可采用50%膨胀土Ⅱ或更低比例
150cm以下可采用50%膨胀土Ⅰ或更低比例
土面填方区
0～80
可采用膨胀土，若保守设计，可采用一定比例物理改性膨胀土
>80
7建议在膨胀土层上下各取1m后的非膨胀土，整体挖掘和拌匀，所得土体膨胀性低，满足要求。

处理前 处理后
图四：处理示意图

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