石灰改良膨脹土填料試驗研究

劉曉義,楊有海

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

膨脹土廣泛分布在世界范圍內(nèi)。我國是世界膨脹土分布最廣、面積最大的國家之一。到目前為止,我國發(fā)現(xiàn)膨脹土的地區(qū)已達20余個省、市、自治區(qū)。膨脹土指的是具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限黏土,其礦物成分主要是蒙脫石,為一種高塑性黏土,一般承載力較高,具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、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。從顏色上看,膨脹土有兩種典型的顏色：黃褐色和灰白色。鑒于膨脹土的這些性質(zhì),它給工程建設帶來了極大的危害。此種危害不僅表現(xiàn)在地表建筑物上,也反應在地下工程中。它不僅對鐵路、公路、渠道的邊坡、路基和路面，也對房屋基礎、地坪，同時對地下洞室及隧道圍巖、襯砌，甚至對這些工程所采取的穩(wěn)定性措施,如護坡、擋土墻和樁等也產(chǎn)生破壞。

高速鐵路和高等級公路的修建中,必然遇到大量的膨脹土問題,出于保護土地資源和環(huán)境保護的目的,不得不利用當?shù)氐闹信蛎浲粱蛉跖蛎浲吝M行路基填筑。膨脹土若直接作為鐵路路基填料會引起其上部鐵路軌道的過量變形,從而危害鐵路行車安全。而這種過量變形是由于含水量變化時膨脹土體積發(fā)生變化。所以必須對鐵路所經(jīng)過的膨脹土路基填料進行改良。目前改良的方法很多,有摻石灰、水泥、粉煤灰、二灰(石灰和粉煤灰、水泥和粉煤灰)、分析純氯化鈣等無機改良材料、聚丙烯酰胺等有機改良材料、微生物改良法和工程棄渣改性等[1-2]。本文主要探討石灰改良膨脹土用于鐵路路基填料的試驗研究。

1 試驗目的及方案

滬漢蓉通道武康二線建設中,遇到顏色為黃褐色的膨脹土,所以從現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)試驗研究。包括物理性質(zhì)試驗、擊實試驗、脹縮試驗、強度試驗,其中物理性質(zhì)試驗是為了確定出石灰改良土的基本物理性質(zhì)指標,為強度試驗提供一定的設計參數(shù)；擊實試驗是為了分析膨脹土及其改良土的力學特性；脹縮試驗是為了分析其膨脹和收縮特性,將其結果與素膨脹土的脹縮特性進行比較,分析石灰改良膨脹土的合理性及其改良機理；強度試驗是為了研究影響石灰改良土強度的敏感因素,確定出合理的石灰摻和比。

上述試驗中物理性質(zhì)試驗和脹縮試驗是對摻5%石灰改良土進行的。通過三軸試驗來完成強度試驗,試樣的石灰摻和比分別為：3%、5%、7%、10%、13%；每種摻和比分別有兩種壓實系數(shù)η：0.90和0.95；每種壓實系數(shù)下進行2種含水量試驗,一種是在石灰改良土最優(yōu)含水量附近,另一種是飽和試樣；所有工況養(yǎng)護齡期為7 d和28 d兩種情況。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗段膨脹土基本性質(zhì)

從顏色上看,該膨脹土是黃褐色的。通過室內(nèi)試驗得出膨脹土的基本性質(zhì)指標如下：顆粒比重Gs=2.72,液限WL=39.0%,塑限WP=22.0%,塑性指數(shù)Ip=17.0,最大干密度ρd,max=1.78 g/cm3,最佳含水量Wopt=15.4%,自由膨脹率Fs=43%。該膨脹土塑性指數(shù)IP大于15,自由膨脹率Fs大于40%,根據(jù)現(xiàn)行分類判別標準,可判定該試驗段內(nèi)的膨脹土屬于弱膨脹土。

2.2 石灰改良土界限含水率試驗

試驗表明(表1),在膨脹土中摻入石灰后,液限WL變化不明顯,塑限WP有所提高,塑性指數(shù)Ip降低,說明在膨脹土中摻入石灰能夠降低土的塑性。石灰改良土的脹縮性主要通過減小土的塑性來實現(xiàn)的,塑性指數(shù)降低,親水性減弱,土的結構也發(fā)生了變化,所以膨脹性也減弱。從液塑限判斷,素土屬于膨脹土,石灰改良后其性質(zhì)由膨脹土轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥蛎浲?。塑性指?shù)的變化在一定程度上也顯示出了不同摻灰率對土體膨脹性改善效果。

表1 膨脹土及其石灰改良土的液塑限

2.3 石灰改良土的擊實特性試驗

通過擊實試驗得出素膨脹土的最大干密度ρd,max=1.78 g/cm3,最佳含水量Wopt=15.4%,摻5%石灰的改良土的最大干密度ρd,max=1.76 g/cm3,最佳含水率Wopt=16.5%。結合膨脹土及其石灰改良土的擊實試驗曲線(圖1),石灰改良土的最大干密度在減小。且石灰改良土擊實曲線的峰值區(qū)比素土的要平緩,即擊實區(qū)域比較寬泛,這說明改良土的干密度對含水量的敏感性比素土小。改良土的最佳含水量與素土相比,其最佳含水量有所提高。

擊實試驗表明膨脹土在改良后,其結構發(fā)生了改變(素膨脹土主要是由親水性礦物成分組成的,顆粒較細,弱結合水的水膜較厚,縮限與塑限間的距離較大[3]),改良土新的結構有助于增強膨脹土的穩(wěn)定性。

圖1 膨脹土及其石灰改良土擊實曲線

2.4 石灰改良土的壓縮試驗

重塑膨脹土及5%石灰改良土壓縮指標如表2所示,重塑素膨脹土屬于中等壓縮性土,壓縮系數(shù)av隨壓實系數(shù)η增大而減小,壓縮模量Es隨壓實系數(shù)η增大而增大,這是因為同一含水量下壓實系數(shù)小時,土的結構較為疏松,土顆粒容易相互錯動而產(chǎn)生高的壓縮變形。隨著壓實系數(shù)η的增大,土顆粒相對移動不顯著,產(chǎn)生很小的壓縮變形,即壓縮模量Es較大。相比素土,5%石灰改良土的壓縮系數(shù)av降低,壓縮模量Es增加,由中等壓縮性土變成低壓縮性土,可見在膨脹土中摻入石灰對降低膨脹土的壓縮性有較好的效果。

表2 重塑膨脹土及5%石灰改良土壓縮指標

2.5 石灰改良土的脹縮特性試驗

重塑素膨脹土的膨脹力試驗指標如表3所示,壓實系數(shù)η越大,即干密度ρd越大,膨脹土的膨脹力Pp也越大,而在膨脹土中摻入5%石灰其膨脹力基本消失,這說明石灰能夠抑制膨脹土的膨脹性。

表3 素膨脹土膨脹力 kPa

由表4的無荷膨脹率試驗指標可看出,重塑膨脹土的無荷膨脹率VH在起始含水量相同的情況下,隨著壓實系數(shù)的增大而增加,因為起始干密度越大,親水黏土礦物與水分接觸的比表面積就越大,因此膨脹潛勢也越高[4]。5%石灰改良土較素土的無荷膨脹率VH有較大的減小。

表4 重塑膨脹土及5%石灰改良土的無荷載膨脹率

表5是重塑膨脹土和石灰改良土的收縮指標,從表中可看出,摻入石灰后,線縮率eSL和收縮系數(shù)CSL均變??；在同一含水量不同壓實系數(shù)下,線縮率eSL變化不大,收縮系數(shù)CSL變化很小,即壓實系數(shù)η對收縮指標影響不明顯；這表明石灰能夠降低膨脹土的收縮性。

表5 重塑膨脹土及石灰改良土收縮指標

2.6 石灰改良土強度特性試驗

2.6.1 石灰改良膨脹土的破壞特征

石灰改良膨脹土隨著摻和比的增大其應力-應變曲線均屬于應變軟化型,試樣發(fā)生明顯的脆性破壞。在發(fā)生干濕循環(huán)后,試樣的破壞應變較在標準養(yǎng)護條件下的大。

2.6.2 摻和比對石灰改良膨脹土強度的影響

圖2 石灰改良土摻和比與強度指標的關系(T=28 d,η=0.95)

石灰改良膨脹土的強度隨摻和比的增加而增大。如圖2所示,相同條件下,石灰改良膨脹土隨著石灰摻量aw的增加,其黏聚力c值有明顯的增長,且當aw=5%～7%時,c值的增長趨勢更加明顯,這說明石灰改良土的強度和穩(wěn)定性均有很大程度的提高。但當石灰的含量超過一定數(shù)量后(aw=7%), 石灰改良土的c值提高不明顯甚至降低,其無側(cè)限抗壓強度qu在非飽和狀態(tài)下增長變得緩慢,飽和狀態(tài)下qu提高不明顯甚至降低,這說明石灰改良土存在最佳石灰摻和比,進而可說明該地區(qū)膨脹土的最佳摻和比約為7%。

2.6.3 齡期對石灰改良膨脹土強度的影響

石灰改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強度qu與養(yǎng)護齡期T的關系如圖3所示,以摻灰量aw為5%的石灰改良土為例,在兩種含水量(飽和與非飽和)狀態(tài)下,可看出石灰改良土初期的強度增長較快,特別是0～7 d齡期的強度增長最快,在養(yǎng)護約10 d后強度增長緩慢,但增長并未終止；60 d后飽和狀態(tài)下石灰改良土的強度仍有很大的增長趨勢,說明石灰改良黃褐色膨脹土具有明顯的齡期效應。進而說明在施工現(xiàn)場保證養(yǎng)護齡期能使石灰改良膨脹的抗剪強度得到最大的發(fā)揮。

圖3 石灰改良土強度與齡期的關系(aw=5%)

2.6.4 石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性

素膨脹土與石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性指標如表6所示,在壓實系數(shù)η為0.90和0.95兩種情況下素膨脹土的軟化系數(shù)K和無側(cè)限抗壓強度qu都很低,摻了石灰的改良土的軟化系數(shù)K和無側(cè)限抗壓強度qu要遠大于素膨脹土,相同條件下,石灰改良土的無側(cè)向抗壓強度大約是素膨脹土的10倍多,這表明石灰改良土具有良好的水穩(wěn)定性,可有效地保證路基工程的穩(wěn)定性。

表6 不同改性方案的水穩(wěn)定性指標(飽和狀態(tài))

3 結語

(1)石灰能夠降低膨脹土的脹縮性,其主要是通過減小土的塑性來實現(xiàn)的。

(2)石灰改良膨脹土的抗剪強度與摻和比、養(yǎng)護齡期和壓實系數(shù)均呈正相關性。且石灰改良土具有明顯的齡期效應,這說明在實際施工過程中保證一定的養(yǎng)護齡期和壓實質(zhì)量是非常重要的。

(3)石灰改良膨脹土具有良好的水穩(wěn)定性,這在一定程度上能改善膨脹土的濕脹干縮特性。

本文通過對石灰改良膨脹土進行大量的室內(nèi)試驗研究,驗證了石灰用于改良膨脹土能起到很好的改良作用,為在實際工程中應用此項技術提供了良好的技術支持,而且石灰改良膨脹土用做路基填料還能取得良好的經(jīng)濟效益。

[1] 譚羅榮,張梅英,邵梧敏，等.災害性膨脹土的微結構特征及其工程性質(zhì)[J].巖土工程學報,1994,16(2):48-57.

[2] 夏 瓊,楊有海.石灰改良膨脹土填料試驗研究[J].蘭州交通大學學報,2009,28(4):30-33.

[3] 王躍其.膨脹土擊實試驗及參數(shù)分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2002，12(4)：158-159.

[4] 鄭健龍,楊和平.膨脹土處治理論、技術與實踐[M].北京：人民交通出版社,2004：265-269.