城市道路路基嗆灰處理過濕粘土研究

歐陽猛

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖北武漢 430023)

城市道路路基嗆灰處理過濕粘土研究

歐陽猛

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖北武漢 430023)

通過分析路基過濕粘土存在的問題,總結(jié)對比過濕軟土常用處治方法,提出利用生石灰嗆灰處理成為適應(yīng)于城市道路路基過濕粘土處治的優(yōu)先方法,并分析嗆灰處理過濕粘土的原理和作用,最終提出確定合理摻灰量的計(jì)算方法。

城市道路 路基 嗆灰 過濕粘土

1 路基過濕粘土存在的問題及常用處治方法

1.1 路基過濕粘土存在的問題

在我國的大部分沿海城市及南方城市,城市道路現(xiàn)狀表層土常常被過濕粘士覆蓋,成為城市道路路基的持力層和主要組成部分。過濕粘土若不經(jīng)處治,直接作為道路路床或路基填料,存在以下主要問題:(1)過濕粘土含水率高,塑性指數(shù)大,顆粒細(xì),壓縮性高,強(qiáng)度及滲透性低,工程特性很差,含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最佳含水率,用作路基土很難達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn);(2)過濕粘土表面極易失水干縮,產(chǎn)生收縮變形,甚至形成干縮裂縫,一旦有雨水滲入,又會造成壓實(shí)的土路堤強(qiáng)度下降而喪失穩(wěn)定。

1.2 路基過濕粘土常用處治方法

過濕粘土施工時(shí)常常出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象,無法壓實(shí);竣工后,在行車荷載的作用下,極易導(dǎo)致路基路面產(chǎn)生沉陷、變形、失穩(wěn)等破壞。根據(jù)現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)施工規(guī)范,過濕粘土無法滿足要求,因此需要對現(xiàn)狀過濕粘土進(jìn)行處治后才能鋪筑路面結(jié)構(gòu)。常用的處治方法如下。

(1)翻曬法。翻曬法即把路基一定深度范圍內(nèi)的過濕粘土整體翻挖后攤開,利用陽光晾曬,以降低粘土含水量,含水量降到一定標(biāo)準(zhǔn)后重新分層填筑壓實(shí),滿足路基設(shè)計(jì)施工規(guī)范要求。(2)淺層換填法。淺層換填法即將路基一定深度范圍內(nèi)的過濕粘土挖除后作為棄方處理,利用外來達(dá)標(biāo)土或其他路基材料填筑壓實(shí)。(3)外摻劑改良法。外摻劑改良法即在高含水量粘土中摻加具有吸濕能力和固化作用的外摻劑,降低含水量,滿足施工碾壓要求,提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性。一般采用的外摻劑有石灰、水泥、砂、粉煤灰等。

翻曬法施工方法簡單經(jīng)濟(jì),但也存在不少不足:降低含水量速度較慢,工期較長,需要施工場地較大,受天氣影響也較大,施工質(zhì)量不易控制,容易造成局部土含水率偏高。不適合運(yùn)用于城市道路狹窄的施工條件和惡劣的天氣條件。

淺層換填法施工方法簡單高效,但由于我國的大部分沿海城市及南方城市地勢低平,城市道路標(biāo)高受城市規(guī)劃限制,路基多采用零填或低填淺挖,可直接用做路基填料的達(dá)標(biāo)土匱乏或運(yùn)距較遠(yuǎn),大大增大了工程造價(jià),不夠經(jīng)濟(jì)。

外摻劑改良法在多雨潮濕地區(qū)施工方便,施工適應(yīng)于各種條件,可使工期大幅度縮短,成為適應(yīng)于城市道路路基過濕粘土處治的優(yōu)先方法。在多種可選用的外摻劑中生石灰減水能力強(qiáng),摻量容易控制,且價(jià)格低廉,購買方便,成為最常采用的一種外摻劑。利用生石灰處治過濕粘土在道路路基施工中常常被俗稱為嗆灰。本文將對城市道路路基嗆灰處理過濕粘土方法進(jìn)行探討和研究。

2 嗆灰處理過濕粘土的原理

嗆灰處理過濕粘土的原理即石灰與土的相互作用一般分以下4個(gè)方面。

(1)離子交換作用。石灰在溶液中電離出來的鈣離子(Ca2+)與土中的Na+、H+、K+等產(chǎn)生離子交換作用,減少了土料表面的吸附水膜的厚度,使土粒相互之間更為接近,分子引力隨著增加,許多單個(gè)土粒聚合成小團(tuán)粒,使土的塑性降低,受外來水的影響也減小,提高了水穩(wěn)性。

(2)結(jié)晶硬化作用。消石灰Ca(OH)2摻入土中,由于水分較少,絕大部分飽和Ca(OH)2在灰土中自行結(jié)晶。這種晶體能夠相互結(jié)合,并與土粒結(jié)合起來形成共晶體,把土粒膠結(jié)成晶體。晶體溶解度很小,因而石灰土的水穩(wěn)性得到提高。

(3)火山灰作用。石灰與土中活性的氧化硅和氧化鋁起化學(xué)反應(yīng),生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣并能逐漸結(jié)硬,具有水硬性質(zhì)。而且這些膠凝物質(zhì)和氫氧化鈣結(jié)晶在土的團(tuán)粒外圍形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜,具有很強(qiáng)的粘結(jié)力,同時(shí)起到隔離作用,阻止水分進(jìn)入,是石灰土獲得強(qiáng)度和水穩(wěn)性的基本因素。

(4)碳酸化作用。碳酸化作用是熟石灰和碳酸氣生成的是堅(jiān)硬的結(jié)硬體碳酸鈣,具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性,它對土的膠結(jié)作用使土得了加固。

3 嗆灰處理過濕粘土的作用

3.1 壓實(shí)性能改善

土的壓實(shí)特性可以通過擊實(shí)曲線來了解,擊實(shí)曲線是一條具有峰值的單駝峰形曲線,最優(yōu)含水量位置對應(yīng)著最大干密度。實(shí)際施工時(shí),應(yīng)在最佳含水量附近進(jìn)行,這樣才能使土獲得最大的干密度,從而保證土基的強(qiáng)度穩(wěn)定性。然而,施工中卻很難到達(dá)最優(yōu)含水率,因此,在回填土施工中并不要求達(dá)到最優(yōu)含水率,而是用“壓實(shí)度”來控制回填土質(zhì)量。一個(gè)壓實(shí)度控制值對應(yīng)著一個(gè)相應(yīng)的控制含水量和控制干密度。

對于一般的路基粘土,由于天然含水量大于最優(yōu)含水量過多,因此,如果直接利用過濕粘土壓實(shí)填筑,無論怎么壓實(shí),壓實(shí)土的干密度均小于壓實(shí)度控制的干密度,因此不能滿足路基設(shè)計(jì)施工要求。

嗆灰處理過的粘土,其擊實(shí)曲線與原狀土是不一樣的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,粘土嗆灰后,含水量減小,最大干密度降低,而最佳含水量提高。隨著石灰摻量的增加,土體的最佳含水量值逐漸增大,而對應(yīng)的最大干密度則依次減小。摻灰土的擊實(shí)曲線朝右下方偏移,且駝峰曲線比原狀土平坦。因此,對應(yīng)于控制壓實(shí)度的控制含水量即適宜壓實(shí)的含水量在原來基礎(chǔ)上增大,原來無法壓實(shí)的高含水量土在嗆灰后能夠滿足壓實(shí)度要求了,過濕粘土的壓實(shí)性能得到了改善。

3.2 強(qiáng)度提高

土基回彈模量在路面設(shè)計(jì)中是一個(gè)基本參數(shù)。粘性土的回彈模量隨著含水量的增加而減少,隨著壓實(shí)度的增加而增加。因此,降低土的含水量對回彈模量的提高尤為重要。同時(shí),嗆灰后粘土的壓縮模量顯著增加,可顯著降低路基的壓縮變形。

3.3 穩(wěn)定性提高

過濕粘土表面極易失水干縮,產(chǎn)生收縮變形,形成干縮裂縫,一旦有雨水滲入,又會造成壓實(shí)的土路堤強(qiáng)度下降而喪失穩(wěn)定。過濕粘土經(jīng)過嗆灰后,土的線縮率和收縮系數(shù)顯著減小,嗆灰土的水穩(wěn)性提高。因此,摻灰可明顯改善路基的穩(wěn)定性。

4 嗆灰量分析研究

石灰的劑量對石灰土強(qiáng)度影響顯著,石灰的含量較低時(shí),石灰主要其穩(wěn)定作用,使土的塑性、膨脹性降低,初步具有水穩(wěn)性,密實(shí)度和強(qiáng)度得到穩(wěn)定。隨著劑量的增加,強(qiáng)度和穩(wěn)定性均提高。但石灰的含量超過一定數(shù)量后,過多的石灰將沉積在土中孔隙而不參加反應(yīng),會導(dǎo)致孔隙比增加、石灰土強(qiáng)度降低。因此,對于嗆灰處理過濕粘土,存在一個(gè)滿足施工壓實(shí)要求的生石灰粉合理摻量。如何確定合理的摻灰量成為過濕粘土嗆灰處治的最實(shí)際問題。

目前,研究者得出了一系列適合各個(gè)地區(qū)的嗆灰量計(jì)算公式。如上海市政工程研究院根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果得出的摻灰量回歸公式如下:

式中:a——生石灰摻量(以小數(shù)計(jì));

w0——原狀過濕粘土含水量(以小數(shù)計(jì));

w1——嗆灰土的施工壓實(shí)含水量(以小數(shù)計(jì));

——生石灰中活性CaO含量(以小數(shù)計(jì));

n——蒸發(fā)系數(shù),可按下式計(jì)算:

上面(1)、(2)兩式中,w0和q均為已知量。至于w1為嗆灰土的施工壓實(shí)含水量,根據(jù)上述對嗆灰土壓實(shí)性能改善的分析,綜合參考各種資料,由于最佳含水量及擊實(shí)曲線寬度的增加, 石灰土的施工壓實(shí)含水量比原狀土可增加約2%～4%,因此可將原狀土的壓實(shí)含水量提高2%～4%(視摻灰量而定,石灰摻量低取低值,石灰摻量高取高值),作為石灰土的施工壓實(shí)含水量。原狀土的壓實(shí)含水量即最優(yōu)含水量一般由擊實(shí)試驗(yàn)取得,無擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)粘土的最優(yōu)含水量大約比塑限高2%,而塑限數(shù)據(jù)一般可由勘察報(bào)告提供。因此,聯(lián)立(1)、(2)兩式,可計(jì)算出a即摻灰量?？紤]到現(xiàn)場施工中拌和的均勻程度及誤差,建議現(xiàn)場最終摻灰量比計(jì)算結(jié)果大0.5%。

5 結(jié)語

(1)過濕粘土若不經(jīng)處治,直接作為道路路床或路基,存在難以壓實(shí)、強(qiáng)度低和穩(wěn)定性差等問題,利用生石灰嗆灰處理成為適應(yīng)于城市道路路基過濕粘土處治的優(yōu)先方法。(2)嗆灰處理過的粘土,含水量減小,最大干密度降低,而最佳含水量提高。過濕粘土的壓實(shí)性能得到了改善,土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也得到了提高。(3)對于嗆灰處理過濕粘土,存在一個(gè)滿足施工壓實(shí)要求的生石灰粉合理摻量?？衫糜?jì)算公式計(jì)算摻灰量,考慮到現(xiàn)場施工拌和和誤差,應(yīng)對計(jì)算值應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

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