姜石土工程特性及改良措施試驗(yàn)研究

李錫波，鄭志超

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250031;2.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

姜石土由重黏性土包裹一些砂礫狀的姜石(硅鈣質(zhì)結(jié)核)形成，在我國石灰?guī)r與黃土分布區(qū)大量存在。工程實(shí)踐證明，姜石土填筑路基壓實(shí)后易返潮使其密實(shí)度降低，壓實(shí)質(zhì)量難以控制和保證。因此，加強(qiáng)對不同姜石含量土填筑路基的適應(yīng)性和改良措施的研究，對于正確使用姜石土填筑路基，保護(hù)土地資源和生態(tài)環(huán)境，降低公路工程造價(jià)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料選取

本文依托山東省棗莊地區(qū)某在建公路工程，選取該地區(qū)具有代表性的姜石土進(jìn)行試驗(yàn)分析研究。試驗(yàn)分析表明:其姜石含量一般在50%左右，顆粒粒徑一般在0.5～50.0 mm，含水率在25%左右，燒失量8.90，pH值為8.02。其物質(zhì)組成如表1所示。

表1 姜石土的組成 %

姜石土的礦物成分:非黏土礦物有石英、長石、云母;黏土礦物以蒙脫石為主，伊利石為次，并含有少量高嶺石和綠泥石。土的化學(xué)成分以SiO2，Al2O3為主要成分，F(xiàn)e2O3，CaO次之，屬硅鈣質(zhì)結(jié)核。組成黏土礦物的顆粒極細(xì)，多呈片狀，比表面積很大，與水作用具有活躍的物理化學(xué)特性。

2 姜石土工程特性的試驗(yàn)研究

根據(jù)姜石土施工過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，設(shè)計(jì)對不同姜石含量的填料進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、毛細(xì)水上升試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定主要影響因素，為工程改良提供依據(jù)［1-3］。

2.1 姜石土的可塑性

姜石土呈黃褐色，濕時(shí)極黏，干時(shí)堅(jiān)硬，篩除姜石后進(jìn)行了可塑性試驗(yàn)。界限含水率采用液塑限聯(lián)合測定儀法測定，結(jié)果如表2所示。

表2 篩除姜石后姜石土的液塑性指標(biāo)

由表2可見，篩除姜石的土屬于高塑性黏土，可塑性很強(qiáng)，有強(qiáng)的吸水性，工程碾壓時(shí)的和易性差。

2.2 顆粒組成及擊實(shí)特性

姜石土顆粒組成采用篩分與比重計(jì)聯(lián)合試驗(yàn)確定，擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)Ⅱ-2法。

根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn):姜石含量 ＞50%時(shí)為粗粒土，＜50%時(shí)為細(xì)粒土，＜30%時(shí)級配不良。圖1和表3顯示:不同姜石含量土的擊實(shí)曲線具有類似的形狀，說明其壓實(shí)性狀基本相同;隨姜石含量的增加，駝峰左移，說明姜石含量是影響姜石土最大干密度和最佳含水率的主要因素。

圖1 不同姜石含量土的擊實(shí)曲線

表3 不同姜石含量土的最佳含水率和最大干密度

根據(jù)姜石土工程特性，用其填筑路基時(shí)應(yīng)取擊實(shí)曲線駝峰右側(cè)的含水率作為現(xiàn)場控制含水率，這樣壓實(shí)后的路基孔隙很小，可吸入水量就大大減少，利于緩解路基返潮密實(shí)度降低的問題。

2.3 強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)

1)CBR試驗(yàn):采用重型擊實(shí)法制件，擊數(shù)分別為30擊、50擊、98擊，飽水4晝夜后，進(jìn)行CBR貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知:①隨壓實(shí)度的提高姜石土的承載比(CBR)值隨之提高，但提升效果較小。說明姜石土作為一種懸浮結(jié)構(gòu)，僅通過提高壓實(shí)度不能有效提高其強(qiáng)度。②飽水4晝夜后姜石土的CBR值較低，較難滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［1］中對高速公路或一級公路路床填料最小強(qiáng)度的要求(上路堤CBR值≥4%)。僅姜石含量為30% ～40%時(shí)，在98擊條件下其CBR值略 ＞4%。因此，對于該地區(qū)常見姜石含量為50%的姜石土需要進(jìn)行土質(zhì)改良。

圖2 承載比隨姜石含量變化曲線

2)回彈模量試驗(yàn):根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程采用路強(qiáng)儀法對姜石土的回彈模量進(jìn)行測定，見圖3。表3中有各姜石含量下最佳含水率時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知:姜石含量相同時(shí)，姜石土的回彈模量隨其含水率的增加而逐漸減小;在最佳含水率下，隨姜石含量的增加，其回彈模量也隨之降低，姜石含量20%時(shí)回彈模量最大。

圖3 回彈模量和含水率關(guān)系曲線

2.4 毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)

選取姜石含量30%的姜石土，按照94%壓實(shí)度控制，進(jìn)行了98 h的毛細(xì)水上升高度觀測，見圖4。由圖4可知:該姜石土毛細(xì)水在前20 h內(nèi)上升劇烈，達(dá)520 mm，占98 h總觀測量的67.1%。98 h時(shí)毛細(xì)水總上升高度達(dá)775 mm，可見該類姜石土具有強(qiáng)烈的毛細(xì)作用，是路基返潮現(xiàn)象出現(xiàn)的重要原因之一。

圖4 毛細(xì)水上升高度與時(shí)間關(guān)系曲線

3 姜石土改良措施的試驗(yàn)研究

為了在改善姜石土工程特性的同時(shí)，提高改良措施的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬通過摻加石灰、粉煤灰(兩者質(zhì)量比取1∶3)對姜石土進(jìn)行改良處治［4-7］。通過液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、強(qiáng)度指標(biāo)測試和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，對不同摻加比例下的試樣進(jìn)行了效果對比分析。

3.1 改良后姜石土的可塑性

試驗(yàn)方法與改良前液塑限測定方法相同。由表4可知，通過摻加石灰、粉煤灰，姜石土的塑性指數(shù)能夠明顯降低，改善了姜石土的可塑性、黏結(jié)性與施工的和易性。

表4 改良后姜石土的液限、塑限指標(biāo)

3.2 改良后姜石土的擊實(shí)特性

由圖5可知:加入石灰、粉煤灰后，擊實(shí)曲線較圖1變得平緩，隨二灰含量增加駝峰愈加寬緩，表明石灰、粉煤的加入改變了姜石土的水敏感性，可碾壓的含水率范圍變寬。石灰、粉煤灰的加入，增加了重黏土中粉砂粒級的含量，改變了土的顆粒級配，可有效改變壓實(shí)性狀。從降低姜石土的可塑性和水敏感性方面來看，3%的石灰、9%的粉煤灰加上一定時(shí)間的悶料(3～4 d)，碾壓是比較合適的。

圖5 不同摻灰劑量姜石土的擊實(shí)曲線

3.3 強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)

試件制備及試驗(yàn)方法同上。圖6為摻加3%石灰、9%粉煤灰改良后不同姜石含量姜石土的測試結(jié)果。圖7為50%姜石含量姜石土不同摻料含量時(shí)的測試結(jié)果，其中石灰:粉煤灰質(zhì)量比為1∶3(圖中僅用石灰摻量表示)。由圖6和圖7可知:①摻加二灰改良后材料的CBR值具有顯著的提升，均能夠滿足高速公路路床填筑要求(上路堤CBR值≥4%);②相同灰劑量下，CBR值隨姜石含量的增加而緩慢增加，同一姜石含量下，CBR值隨灰劑量的增加呈減小趨勢;③相同材料配比下CBR值隨擊實(shí)次數(shù)的增大而明顯提高。因此，從提高路基填筑強(qiáng)度角度考慮，應(yīng)提高其壓實(shí)質(zhì)量并適當(dāng)減少石灰、粉煤灰摻量。

圖6 CBR值與姜石含量關(guān)系曲線

3.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照94%壓實(shí)度控制，制備姜石含量30%、石灰劑量3%、粉煤灰劑量9%的試件進(jìn)行毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知:改良后姜石土毛細(xì)作用顯著降低，98 h毛細(xì)水上升高度為324 mm，僅為改良前的41.8%。因此，摻加石灰、粉煤灰對姜石土進(jìn)行改良能夠有效改善其水穩(wěn)定性，減小其毛細(xì)水上升高度。這可以從減少水源的角度緩解其返潮壓實(shí)度降低的現(xiàn)象。

圖7 CBR值和摻料含量關(guān)系曲線

4 結(jié)論與建議

1)不含姜石的純土屬于高塑性重黏土，由于姜石含量的影響，不能按塑性土分類，應(yīng)劃歸特殊土，名為含姜石重黏土。

2)當(dāng)姜石含量 ＜30%時(shí)，屬于重黏土，具有黏性土的壓實(shí)性狀，壓實(shí)可采用低頻弱振或靜壓;含量30%時(shí)，土的級配最好，強(qiáng)度最高;含量30% ～50%時(shí)，壓實(shí)處于細(xì)粒土與粗粒土的過渡狀態(tài)，壓實(shí)可采用低頻強(qiáng)振;含量 ＞50%時(shí)，屬于粗粒土，可采用高頻強(qiáng)振壓實(shí)。

3)姜石土擊實(shí)后CBR值較低，毛細(xì)作用比較強(qiáng)烈，不宜直接用于高速公路及一級公路路床填料。摻加石灰、粉煤灰(質(zhì)量比1∶3)后姜石土物理、力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善，將其作為路基填料具有良好的壓實(shí)效果、強(qiáng)度特征和水穩(wěn)定性，可用作高速公路及一級公路路床填料?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，石灰劑量宜控制在3%～7%之間。

［1］中華人民共和國交通部.JTG D30—2004 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國交通部.JTG E40—2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］中華人民共和國交通部.JTG E51—2009 公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］曹培，王芳，嚴(yán)麗雪，等.石灰改良黏性土CBR值的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(增刊):298-301.

［5］楊廣慶，管振祥.高速鐵路路基改良填料的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(6):659-662.

［6］劉崢嶸.高液限黏土路用填料的改良研究［J］.路基工程，2010(1):131-133.

［7］柳墩利，趙有明.擊實(shí)延遲時(shí)間對水泥改良土壓實(shí)系數(shù)影響的研究［J］.鐵道建筑，2008(8):91-94.