益婁高速公路石灰改良膨脹土最佳含水量的研究

馬吉倩

(湖南省高速公路管理局， 湖南 長沙　410022)

?

益婁高速公路石灰改良膨脹土最佳含水量的研究

馬吉倩

(湖南省高速公路管理局， 湖南 長沙410022)

摘要：結(jié)合益陽至婁底高速公路路基膨脹土處治方案，開展了石灰改良膨脹土填料的最佳含水量的試驗(yàn)研究。首先采用室內(nèi)基本土工試驗(yàn)，確定石灰改良膨脹土的石灰最佳摻量。然后采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)，研究石灰改良膨脹土的擊實(shí)特性，并確定其最佳含水量。最后采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究石灰改良膨脹土的最佳含水量，并與擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的最佳含水率比擊實(shí)試驗(yàn)大3%左右。通過試驗(yàn)研究，獲得了石灰改良膨脹土的路基施工參數(shù)，為益婁高速公路石灰改良膨脹土路基施工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：石灰改良膨脹土； 最佳含水量； 擊實(shí)試驗(yàn)； 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

摻石灰是膨脹土處治行之有效的方法[1]，公路相關(guān)規(guī)范也推薦采用石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良[2]。工程實(shí)踐中的成功案例有：南京蕪申線胥河邊坡東壩航道段膨脹土處治[3]，南水北調(diào)中線工程膨脹土處治[4]，廣西南寧外環(huán)高速公路膨脹土處治[5]，合肥新橋國際機(jī)場(chǎng)工程膨脹土處治[6]，湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路膨脹土處治[7]，寧淮高速公路淮安段膨脹土處治[8]，廣西隆林-百色高速公路膨脹土處治[9]等。

在石灰改良膨脹土路基施工中，首先需要解決石灰最佳摻量、石灰土最佳含水量及最大干密度等主要施工控制參數(shù)。根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)和施工規(guī)范[2，10]，以石灰土的CBR值和脹縮總率等2個(gè)指標(biāo)來確定石灰最佳摻量。根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)和施工規(guī)范[2，10]，以及公路土工試驗(yàn)規(guī)程[11]，采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)確定石灰土的最佳含水量和最大干密度。但有些學(xué)者認(rèn)為，擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水量不能準(zhǔn)確反映施工含水量的要求[12]，因此，除了采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)外，還采用強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行校核[12，13]。

益陽至婁底高速公路從二標(biāo)～五標(biāo)、十二標(biāo)～十三標(biāo)段之間均斷續(xù)分布、挖方總計(jì)約164.0萬m3的弱～中等膨脹性的膨脹土。為合理利用膨脹土并確保該高速公路路基修筑質(zhì)量，本文在遵循公路相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，開展石灰改良膨脹土路基施工參數(shù)研究。研究思路為： ①采用CBR和脹縮總率試驗(yàn)，確定石灰改良膨脹土的石灰最佳摻量； ②采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)，研究石灰改良膨脹土的擊實(shí)特性，并確定其最佳含水量和最大干密度； ③采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究石灰改良膨脹土的最佳含水量，并與擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1石灰改良膨脹土的石灰合理用量

公路路基施工技術(shù)規(guī)范[10]規(guī)定，石灰摻量必須由試驗(yàn)確定。確定石灰摻量的評(píng)定指標(biāo)為CBR值和脹縮總率。

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自益婁高速公路K28+980處，取土深度為1.5 m，新鮮土樣呈黃褐色，夾白色，有較粗的砂粒、碎石，濕水后成粘泥巴狀，干燥時(shí)呈硬塊、或細(xì)小鱗片狀，其物性指標(biāo)見表1，可判斷為中膨脹土。

石灰為生石灰，其化學(xué)成分為：CaO含量為74%，MgO含量為3.1%，為III級(jí)鈣質(zhì)石灰。生石灰摻量的質(zhì)量百分比為：3%、5%、7%和9%。

表1 膨脹土物性指標(biāo)液限/%塑限/%塑性指數(shù)<0.002mm含量/%c/kPaφ/(°)62.034.028.056.052.118.5最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%自由膨脹率/%無荷膨脹率/%50kPa有荷膨脹率/%1.6523.055.013.52.85

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[11]。其中CBR值試驗(yàn)方法為試驗(yàn)方法執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中的T0134-1993。脹縮總率為50 kPa有荷膨脹率，試驗(yàn)方法依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)T0126-1993。

1.3試驗(yàn)結(jié)果

先按干法重型擊實(shí)試驗(yàn)確定各石灰摻量下的石灰土的最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果為：石灰各摻量下，石灰改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果較為接近，其最大干密度為1.91 g·cm-3，最佳含水率為16.0%。在制作土樣試件時(shí)，統(tǒng)一采用90%的壓實(shí)度，即干密度為1.71 g·cm-3，最佳含水率為18%。CBR值和脹縮總率值的試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖1。

表2 CBR和脹縮總率試驗(yàn)結(jié)果%生石灰摻量CBR脹縮總率00.352.331.622.054.710.978.650.399.760.08

圖1　CBR、脹縮總率與生石灰摻量的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)生石灰摻量不小于7%時(shí)，CBR值和脹縮總率符合規(guī)范要求。補(bǔ)做生石灰摻量為6%的CBR和脹縮總率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：CBR為8.23%；脹縮總率為0.66%。因此生石灰摻量可采用6%。

2石灰改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)公路相關(guān)規(guī)范及相關(guān)研究成果，石灰改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)宜采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)。濕法擊實(shí)首先將膨脹土樣破碎，碎塊最大粒徑小于5 cm，摻加預(yù)定石灰劑量的40%左右，悶料1 d并翻拌2次，之后再摻加其余石灰劑量，拌勻并養(yǎng)護(hù)，達(dá)到預(yù)定齡期后將土樣均分5～7份，按照含水率從高到低分別風(fēng)干制成試樣，兩土樣含水率相差2%～3%左右，將備好的土樣用塑料袋裝好、密封養(yǎng)護(hù)相應(yīng)的齡期之后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。干法擊實(shí)試驗(yàn)中，首先要將土體粉碎風(fēng)干后再摻石灰拌和，這種摻灰方式的均勻性很好，但與實(shí)際施工程序不符，因而在石灰改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)中，宜采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)[14]。

2.1試驗(yàn)材料

膨脹土、生石灰與第1節(jié)中相同。石灰土中的生石灰摻量為6%。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)T0131-2007。

制作土樣時(shí)，剔除粒徑大于40 mm的顆粒，第1個(gè)土樣的含水量為膨脹土的天然含水量，其余4個(gè)土樣分別風(fēng)干，含水量按2%～3%遞減。

2.3試驗(yàn)結(jié)果

濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果為：最大干密度為1.85 g·cm-3，最佳含水率為18.0%。對(duì)比第1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干法擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度偏大，而最佳含水量則偏小。

3石灰改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

目前，公路部門對(duì)改性膨脹土強(qiáng)度評(píng)價(jià)的主要依據(jù)是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是試件在無側(cè)向限制的條件下所承受的最大軸向應(yīng)力。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，以應(yīng)變15%的抗壓強(qiáng)度作為破壞標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)進(jìn)行到應(yīng)變達(dá)20%；試件的高度與直徑比值一般為2～2.5，直徑應(yīng)為3.5～4 cm。

試驗(yàn)試件的制備是在濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率條件下，按預(yù)定的干密度壓實(shí)成型。但這種方法沒有充分考慮初始含水率對(duì)石灰改性土后期強(qiáng)度的影響，使得其強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)未能得到充分發(fā)揮。

3.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨脹土、生石灰與第1節(jié)相同。試件尺寸為直徑4 cm，高度10 cm。6%生石灰改良膨脹土的最佳含水率為18.0%，最大干密度為1.85 g·cm-3。

3.2試驗(yàn)方法

以6%生石灰改性膨脹土制作試件，試驗(yàn)方法執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)的規(guī)定。

3.3自然氣溫條件下保濕養(yǎng)生1月齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對(duì)2組平行擊實(shí)成型試件(干密度為1.67 g·cm-3，即壓實(shí)度為90%)，在自然溫度下保濕養(yǎng)生1個(gè)月，測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，模擬石灰改性膨脹土在實(shí)際施工條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果平均值見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，自然氣溫條件下保濕養(yǎng)生1月齡期后，生石灰改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率為21%，較濕法擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最佳含水率18.0%大3%。

表3 生石灰改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度初始含水率/%無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/kPa16990181050211220231120

4結(jié)論

1) 在石灰改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)中，干法重型擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水量小于濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)2%左右。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的石灰改良膨脹土的最佳含水率比擊實(shí)試驗(yàn)大3%左右。

2) 在益婁高速公路膨脹土路堤施工中，生石灰改良膨脹土的最佳含水量宜在濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加3%，或以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定其最佳含水量。最大干密度則以濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)為準(zhǔn)。

3) 在摻灰、碾壓過程中，石灰土的含水量是不斷變化的，現(xiàn)場(chǎng)施工要解決的關(guān)鍵技術(shù)則是摻灰工藝、壓實(shí)度和碾壓含水量的控制等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉林，劉坤巖.膨脹土改良機(jī)理及改良劑對(duì)比試驗(yàn)研究[J].公路工程，2011，36(1)：142-144.

[2] JTG D30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 邊加敏.石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2016，33(1)：77-82.

[4] 劉新利，汪小茂.南水北調(diào)中線膨脹土高填方路基填筑方案研究[J].人民長江，2013，44(20)：1-3.

[5] 唐咸遠(yuǎn)，李迎春，羅得把.南寧膨脹土化學(xué)改良的路用性能試驗(yàn)研究[J].公路，2015(2)：169-173.

[6] 汪明武，秦帥，李健，等.合肥石灰改良膨脹土的非飽和強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(S2)：4233-4238.

[7] 楊俊，許威，張國棟，等.不同材料對(duì)宜昌弱膨脹土膨脹性的改良效果研究[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，27(1)：149-152.

[8] 陳雷，張福海，范云中，等.石灰改良膨脹土擊實(shí)樣膨脹特性和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14(4)：269-272.

[9] 阮志新，藍(lán)日彥，陳宏飛.石灰處治膨脹土填筑路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，37(2)：215-223.

[10] JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[11] JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[12] 邊加敏，蔣玲，王保田.石灰土強(qiáng)度與最優(yōu)施工含水率關(guān)系研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(4)：865-870.

[13] 邊加敏，蔣玲，王保田.石灰改良膨脹土路基施工控制參數(shù)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(2)：51-58.

[14] 程鈺，石名磊.石灰改性膨脹土擊實(shí)曲線的雙峰特性研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(4)：979-983.

文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0007-03

收稿日期:2016-04-18

基金項(xiàng)目:湖南省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目( 200944)

作者簡(jiǎn)介:馬吉倩( 1983-) ，男，碩士研究生，從事高速公路建設(shè)與管理工作。

中圖分類號(hào)：U 416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A