一种用贝壳颗粒改良的膨胀土地基及其施工方法与流程

本发明属于地基技术领域，特别是涉及一种用贝壳颗粒改良的膨胀土地基及其施工方法。

背景技术：

膨胀土的改良方法基本都是以降低膨胀土的胀缩性，提高膨胀土的强度及水稳定性为目的。目前国内外的改良方法主要有化学改良方法、物理改良方法和生物改良方法。膨胀土地基处理方法大致分为两类，即稳定方法和加筋方法。常用的稳定方法主要包括水泥改良、石灰改良或高分子试剂改良等方法。加筋方法通常包括土工布、土工膜、土工格栅、连续纤维加筋土方法等。

以上所述方法或多或少有一些不足之处，比如石灰改良膨胀土方法中胶凝反应慢，并且会污染地下水；粉煤灰改良膨胀土的方法中，粉煤灰的需求量太大；水泥改良膨胀土的方法中，早期的强度不高；碱渣改良膨胀土方法中，需要保持一定的含水量等。因此急需寻求一种新的固体废弃物来对膨胀土进行改良。

技术实现要素：

本发明是首次提出利用贝壳改良膨胀土，使膨胀土的强度、韧性、胀缩性以及压缩性得到大幅改善，满足工程施工要求，使得改良后的膨胀土地基广泛适用于岩土和水利工程领域。贝壳的主要成分为碳酸钙，强度高，将其碾碎添加到膨胀土中，能有效的改善膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的强度，降低膨胀土的压缩性，并且用贝壳作为改良材料，减小环境污染，使其能得到有效利用，变废为宝，具有明显的环境效益和经济效益。基于上述目的，本发明提供一种用贝壳颗粒改良的膨胀土地基及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用贝壳颗粒改良的膨胀土地基，包括工程土，所述工程土中掺入贝壳颗粒，所述贝壳颗粒掺入量占工程土总质量的4％～16％。

优选的，所述贝壳颗粒掺入量占工程土总质量的12％。

优选的，所述贝壳颗粒为自然风干或人工干燥的贝壳类外壳颗粒。

优选的，所述贝壳颗粒的粒径在2mm以下。

上述的一种用贝壳颗粒改良的膨胀土地基的施工方法，包括以下步骤：

步骤1)粉碎拌合：首先对于自然风干的贝壳用粉碎机进行粉碎，颗粒粒径小于2mm，然后按干土质量计，首先分别称取贝壳颗粒和松膨胀土，然后将称量后的膨胀土和贝壳颗粒进行机械拌合，形成工程土填料；

步骤2)堆填：将步骤1)拌合后的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯；

步骤3)碾压：对步骤2)形成的膨胀土地基毛坯进行机械碾压，从而形成膨胀土地基成品。

本发明与现有的改良技术相比，其优点如下：

1、经贝壳颗粒改良后的膨胀土具有较高的强度、韧性和抗裂性能，其破坏特征从遇水软化的塑性破坏转变为应变软化的塑性破坏且残余强度较高。

2、改良后的膨胀土压缩性也得到改善，具有高水稳定性和低胀缩性。

3、提高了贝壳的利用效率，降低了贝壳大量堆积而引起的环境污染程度。

4、本发明利用的改良材料廉价，实施成本低，施工工艺简单可行，可广泛应用于边坡、挡土墙、路基、地基、堤岸等岩土和水利工程领域。

附图说明

图1为不同含水率的改良土的无侧限抗压强度与贝壳掺量的关系曲线图；

图2为含水率15％的改良土随贝壳掺量变化的无侧限抗压强度图；

图3为素土与不同贝壳掺量的改良土的无侧限抗压强度与含水率的关系曲线图；

图4为12％贝壳掺量的改良土随含水率变化的无侧限抗压强度图；

图5为素土与不同贝壳掺量的改良土的τ-σ关系曲线图；

图6为粘聚力与贝壳掺量的关系图；

图7为内摩擦角与贝壳掺量的关系图；

图8为素土与不同贝壳掺量的改良土的无荷膨胀率随时间变化关系曲线图；

图9为改良土的无荷膨胀率随贝壳掺量的变化关系图；

图10为素土与不同贝壳掺量的改良土的有荷膨胀率与压力的关系曲线图；

图11为改良土的胀缩总率随贝壳掺量的变化关系图；

图12为素土与不同贝壳掺量的改良土的e-logp曲线关系图；

图13为素土与不同贝壳掺量的改良土的e-p曲线关系图；

图14为素土与不同贝壳掺量的改良土第一次加压时的压缩系数曲线图；

图15为素土与不同贝壳掺量的改良土回弹后再加压时的压缩系数曲线图。

具体实施方式

一种用贝壳颗粒改良的膨胀土地基，包括工程土，以及掺入其中的贝壳颗粒；所述贝壳颗粒掺入量占所述工程土总质量的4％～16％；所述贝壳颗粒的材质为自然风干或人工干燥过的贝壳颗粒；所述贝壳颗粒粒径不大于2mm。

用贝壳颗粒改良膨胀土地基的施工方法，包括如下基本步骤：

步骤一，粉碎拌合：首先对于自然风干的贝壳用粉碎机进行粉碎，颗粒粒径小于2mm，然后按干土质量计，首先分别称取贝壳颗粒和松膨胀土，然后将称量后的膨胀土和贝壳颗粒进行机械拌合，形成工程土填料；

步骤二，堆填：将步骤一拌合后的工程土填料运输到目的场地，进行工程土填料堆填，保证其表面平整，以形成膨胀土地基毛坯；

步骤三，碾压：对步骤二形成的膨胀土地基毛坯进行机械碾压，从而形成膨胀土地基成品。

本发明的实现机理是：因为贝壳的成分以caco3为主，caco3能与土壤颗粒发生胶凝作用，将土壤颗粒聚在一起，改变了原有土壤的结构，提高了膨胀土的强度。另一方面，caco3会有少量ca²⁺离子溶解在土壤中，土体颗粒间的结合水膜因此变薄，使土的胀缩性减小。ca²⁺离子又与膨胀性黏土颗粒表面的低价阳离子发生离子交换作用，将他们置换出来，从而将土体颗粒拉拢在一起，增加了土壤的粘聚力，提高了土的强度。caco3物理化学性质稳定，掺入土中能产生碳酸化作用，使土硬化。

贝壳改良膨胀无侧限抗压强度特征，从图1中可以看出，随着改良土中贝壳掺量的增加，改良土的无侧限抗压强度越来越大，当贝壳掺量达到12％时，改良土的无侧向抗压强度也达到最大。选取试样含水率为15％的无侧限抗压强度结果进行分析，绘制不同贝壳掺量下试样的无侧向抗压强度图，如图2所示。

由图2可知，素土的无侧限抗压强度为363kpa，随着贝壳含量的增多，无侧限抗压强度先增大后减小，当贝壳掺量达到12％时，无侧限抗压强度达到最大424kpa，相对于素土的无侧限抗压强度提高了16.8％，证明掺入贝壳对提高膨胀土的无侧限抗压强度有一定的效果。这是由于贝壳主要成分为碳酸钙，而碳酸钙具有稳定的物理化学性质，在土颗粒中间产生胶凝作用，将土颗粒聚集在一起，改变了土壤原有的结构，提高了改良土的抗压强度。又因为贝壳颗粒表面及断面粗糙，能很好的与土体颗粒相结合，形成交织结构，使土体颗粒在上覆垂直压力作用下难以移动，因此增强了土样的强度。当贝壳掺量达到16％时，改良土的无侧限抗压强度反而降低到376kpa，这是由于贝壳掺入过多，贝壳颗粒过多使得局部的土体颗粒间失去了咬合力，在垂直压力作用下，土体就容易沿着这种薄弱面产生裂隙，继而破坏。因此对于膨胀土无侧限抗压强度的改良，12％的贝壳掺量较为合理。

图3为无侧限抗压强度与土样含水率之间的关系。从图3中可以看出，随着含水率的增大，试样的无侧限抗压强度先增大后减小，当含水率达到15％时，试样的无侧限抗压强度达到最大。选取贝壳掺量12％的无侧限抗压强度结果来进行分析，绘制不同含水率下试样的无侧向抗压强度图，如图4所示。

由图4可知，含水率9％时试样的无侧限抗压强度最低，当含水率为15％时，改良膨胀土的无侧限抗压强度达到最大424kpa，当含水率继续升高达到18％时，试样的无侧限抗压强度为336kpa，反而降低了。这就说明改良土的无侧限抗压强度与改良土的含水率是有一定关系的，当试样的含水率低于土样的最优含水率16.68％的时候，试样的无侧限抗压强度随着含水率的增长而增长，而当试样的含水率超过土样的最优含水率时，试样的无侧限抗压强度则会降低。这是因为在含水率低于土样的最优含水率时，土样颗粒与贝壳颗粒之间并没有充分的粘结在一起，土颗粒之间缺少结合水膜的作用，使得试样的无侧限抗压强度反而降低。而当含水率超过土样的最优含水率的时候，过多的水分使得并不能和土颗粒形成结合水膜，成为自由重力水存在于试样中，降低了土样无侧限抗压强度。因此对于膨胀土无侧限抗压强度与含水率的关系可以得出，当试样含水率接近土样最含水率时，其无侧限抗压强度最大。

实施例1

贝壳改良膨胀直接剪切强度特征

本次直剪试验得到的结果如表1所示。再将所得的数据画到直角坐标系中并连成线，如图5所示，可以看出基本呈线性关系。

表1素土及贝壳改良膨胀土的抗剪强度(kpa)

根据摩尔库伦破坏准则计算图5中不同贝壳掺量改良膨胀土的τ-σ关系曲线图的抗剪强度指标c、各掺量下试样的拟合直线方程如下：

τ0＝69.7745+0.3987σr＝0.98643

τ4％＝78.1565+0.41899σr＝0.99848

τ8％＝84.0615+0.4287σr＝0.99887

τ12％＝107.169+0.48342σr＝0.99113

τ16％＝101.3245+0.43927σr＝0.99499

每个方程的所得的相关系数r均大于0.8，可以认为拟合程度较好，因此得到的不同掺量下改良膨胀土的强度参数见表2。

表2不同贝壳掺量改良膨胀土的抗剪强度指标

由表2可知，掺入贝壳之后，膨胀土的抗剪强度指标明显提高。其中当贝壳掺量达到12％时，改良膨胀土的粘聚力和内摩擦角到达到了最大107.17kpa和23.20°，相比于素土的69.77kpa和21.74°，分别提高了53.50％和6.72％。

实施例2

贝壳掺量对膨胀土抗剪强度指标粘聚力c的影响

土体的粘聚力是指土体在不受任何正应力作用下的抗剪强度。粘聚力是因为土体颗粒间相互胶结或粘结在一起的作用力。由于粘土矿物表面带有电荷，而水是极性分子，因此粘土颗粒之间普遍存在土-水-电系统的相互作用，并由此产生引力和斥力，当土颗粒之间的引力部分抵消斥力部分所剩余的那部分力就是土体的粘聚力。

由图6可以看出，随着贝壳掺量的增加，膨胀土的粘聚力先增加后减小，但是掺加贝壳之后的粘聚力均比素土的粘聚力大。当贝壳掺量为12％时，粘聚力达到最大107.17kpa。试验的结果表明掺加贝壳改良膨胀土有效提高了膨胀土的粘聚力。这是因为将贝壳颗粒掺入膨胀土中，与土体颗粒胶结在一起，改变了土体的结构性，当土体被剪切时，贝壳颗粒与土体颗粒之间产生了拉应力，即提高了颗粒间的引力，使土体的粘聚力变大，从而阻止土体的剪切破坏。贝壳颗粒较少时能够与土体颗粒很好的胶结在一起，当掺入的贝壳颗粒增多时，贝壳颗粒之间互有重叠，形成薄弱面，反而对土体颗粒起到了隔离作用，破坏了土体的结构性，使土体颗粒间的引力降低，即表现为粘聚力降低。

实施例3

贝壳掺量对膨胀土抗剪强度指标内摩擦角的影响

土体的内摩擦角反映了土体的摩擦特性，提供了土体的摩擦强度，摩擦强度分为咬合摩擦和滑动摩擦，两者共同概化为摩擦角。土体颗粒交错排列使得土体遭受剪切作用时，剪应力迫使土体颗粒抬起越过相邻颗粒，这时所消耗的剪应力即为土体的摩擦强度。

由图7可以看出素土的内摩擦角为21.74°，随着贝壳掺量的增加，内摩擦角先增大后减小，当贝壳掺量达到12％，内摩擦角达到最大值25.80°，由此证明贝壳的加入可以提高膨胀土的摩擦强度。这是因为贝壳掺入土体后，贝壳颗粒与土体颗粒胶结在一起，使得土体受剪切时土体颗粒要越过贝壳颗粒时比原先所受的阻力更大，土体的咬合摩擦力增加，即内摩擦角变大。当贝壳逐渐增多时，贝壳颗粒之间互有重叠，不能与土体颗粒很好的胶结，使得土体变得松散，提高了孔隙比，孔隙增多为土体颗粒的移动提供了便捷通道，使得土体受剪应力作用时土体颗粒移动所受阻力减小，咬合摩擦力变小，即内摩擦角变小。

实施例4

贝壳掺量对膨胀土膨胀率的影响

由图8可知，随着试样浸水时间的增长，试样的膨胀率越来越大。在前5h膨胀变形急剧增加，这一时间段的膨胀量达到总膨胀量的70％左右；在5-20h时，试样的膨胀变形速度变缓，这一时间段的膨胀量约占总膨胀量20％左右；超过20小时后，曲线趋于平稳，膨胀变形不明显，进入膨胀变形稳定阶段，这时膨胀土的膨胀潜势已经全部发挥。试样膨胀过程有如此的变化是因为在开始阶段，试样内充满孔隙，膨胀土吸水较多，使得土颗粒结合水膜变厚，颗粒间间距增大，因此产生较大的体积变形；随着土中孔隙被水充满，试样的吸水速率随之降低，所以试样的膨胀率增长幅度也降低；最后，试样吸水达到饱和，膨胀矿物吸水完全产生膨胀变形，在宏观上就表现为膨胀变形趋于稳定状态，因此这个阶段的膨胀率基本不变。

由图9可知，随着贝壳掺量的增加，膨胀土的无荷膨胀率逐渐减小，但当贝壳掺量达到16％时，试样的膨胀率反而上升了，不过依然比素土的膨胀率要小。由此证明，膨胀土中掺入贝壳能对膨胀土的膨胀特性有一定的改良效果。相比于素土的无荷膨胀率3.40％，贝壳掺量为4％、8％、12％、16％时，膨胀土的无荷膨胀率分别减小了17.06％、19.12％、23.53％、8.82％。可以看出，在贝壳掺量为12％时，膨胀土的膨胀潜势减弱的最为明显，而贝壳掺量16％时，膨胀土改良效果反而有所减弱。贝壳能改良膨胀土的膨胀性特征，一方面是因为掺入贝壳后，贝壳置换了一部分土，使得土体的膨胀率有所下降；另一方面是因为贝壳的掺入，使贝壳颗粒与土体颗粒紧密接触，产生的摩擦力对膨胀土的膨胀力有所抵消，限制了土体的膨胀变形。但当贝壳掺量继续增加的时候，又使得土体颗粒与贝壳颗粒的结合变得不够紧密，颗粒间的摩擦力减弱，膨胀变形因此有所回升。

综合本次试验结果来看，贝壳掺量为12％时，改良膨胀土的膨胀潜势减弱程度最大，因此12％的贝壳掺量是最为合理的贝壳掺量。

实施例5

贝壳掺量对膨胀土膨胀力的影响

由图10可知，随着上覆荷载的逐渐增加，素土和改良膨胀土的膨胀率逐渐减小。这是因为上覆荷载产生的压力抵消了一部分膨胀土内部的膨胀力，从而抑制膨胀土的膨胀变形。膨胀土中掺入贝壳的有荷膨胀率均比素土要低，并且随着贝壳掺量的增加，有荷膨胀率也不断降低。以压力为50kpa来分析，当贝壳掺量为4％时，有荷膨胀率相对于素土减少了16.88％；当贝壳掺量为8％时，有荷膨胀率相对于素土减少了47.62％；当贝壳掺量为12％时，有荷膨胀率相对于素土减少了71.00％；当贝壳掺量为16％时，有荷膨胀率相对于素土减少了75.76％。由此可以得出，随着贝壳掺量的增加，有荷膨胀率逐渐降低，可以证明改良土中掺入贝壳对土体的膨胀变形作用起到了约束作用。并且贝壳掺量达到12％时，试样的无荷膨胀率降低趋势变缓，继续添加贝壳降低效果并不大，因此可以认为12％的贝壳掺量是较为合理的贝壳掺量。

当荷载达到150kpa和200kpa时，土样的有荷膨胀率结果中出现了负值，这是因为当上覆荷载产生的压力超过土体内所发挥的膨胀力时，土样会被压缩。因此曲线图中，膨胀率为0的点表明此刻试样的膨胀力与上覆荷载相等。由图10中可以看出，贝壳掺量为8％、12％和16％时的试样的膨胀力大约为171.58kpa、94.77kpa和82.40kpa。试样的膨胀力随着贝壳掺量的增加逐渐降低，呈现单调递减的关系。这是因为贝壳的掺入，隔离了一部分土体颗粒之间的接触，内力传递在贝壳颗粒上衰减，同时贝壳颗粒与土体颗粒的接触面产生摩擦，膨胀力与摩擦力相互抵消的作用，从而抑制土体的膨胀，使得土样的膨胀力变小。

计算得出本次试验土样的胀缩总率与贝壳掺量的关系，并绘制柱状图，如图11所示。

根据《公路路基设计规范》的规定：“若采用弱膨胀土及中等膨胀土作为路床填料，应经改性处理后方可填筑，改性后的胀缩总率不得超过0.7％”。本次试验中素土的胀缩总率为2.31％，不满足规范要求。从图11中可以看出，掺入贝壳后，膨胀土的胀缩总率均有降低，当贝壳掺量为12％时，土样的胀缩总率降到0.67％，达到了路基填料的标准。因此12％的贝壳掺量是较为合理的贝壳掺量。

实施例6

贝壳掺量对膨胀土压缩特性的影响

由图12可以看出，素土样在第一次加压到600kpa时的曲线比掺入贝壳的试样的曲线要陡，即素土试样的压缩指数相比贝壳改良土的要大，说明贝壳的掺入能减小膨胀土样的压缩特性，能减小试样承受垂直荷载时的变形量。掺入贝壳的试样在压缩过程中的曲线基本平行，表明掺入贝壳的改良试样的压缩指数相差不大。试样回弹曲线与再加压曲线其直线斜率近似相等，即在再加压50kpa～600kpa阶段的回弹指数与压缩指数相差不大。

从图13中可以看出，素土样在加压到600kpa时的曲线比掺入贝壳的试样明显要陡，这就表明素土样的压缩系数明显大于掺入贝壳的试样。工程上习惯用100kpa和200kpa范围内的压缩系数来衡量土的压缩性高低。从图14、图15中可以看出，对比分析第一次加压与回弹后再加压的压缩系数，发现第二次所获得的压缩系数明显小于第一次加压所获得，表明试样的应力历史对试样的压缩性有很大影响。根据我国《建筑地基基础设计规范》中地基土的划分，当av<0.1mpa-1时，属低压缩性土；当0.1mpa-1≤av<0.5mpa-1时，属中压缩性土；当av≥0.1mpa-1时，属高压缩性土。因此本次试验中素土属于高压性土，掺入贝壳后的试样属于中压缩性土。这表明掺入贝壳后能有效降低土的压缩性。

通过以上试验发现，4％～12％贝壳改良膨胀土不仅可以降低膨胀土的膨胀率、减小膨胀土的膨胀压力，提高膨胀土的无侧限抗压强度、抗剪强度，减小膨胀土的压缩性、提高膨胀土的地基承载力，而且还可以减少固废物对环境的污染。