益婁高速公路膨脹土石灰摻量的試驗(yàn)確定

蘇偉, 曾娟娟, 白銀涌

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙, 410004)

益婁高速公路膨脹土石灰摻量的試驗(yàn)確定

蘇偉, 曾娟娟, 白銀涌

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙, 410004)

益婁高速公路從二標(biāo)至五標(biāo)、十二標(biāo)段之間斷續(xù)分布有厚薄不等、具有弱～中等膨脹性的膨脹土。為了充分利用當(dāng)?shù)嘏蛎浲? 決定采用摻石灰的方法對膨脹土進(jìn)行改良, 本文通過室內(nèi)外試驗(yàn)確定了最佳的摻灰量。首先根據(jù)膨脹土的膨脹性、液塑性、強(qiáng)度指標(biāo), 通過室內(nèi)試驗(yàn)初步確定合理摻灰量為5%～6%, 再根據(jù)加州承載比(California bearing ratio—CBR)、壓實(shí)度、脹縮總率指標(biāo)通過室外試驗(yàn)最終確定合理摻灰量為6%。采用“室內(nèi)外雙控?fù)交伊俊笨梢猿浞直ＷC摻灰量的準(zhǔn)確性, 使改良土體達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 滿足路基施工技術(shù)規(guī)范。

益婁高速公路; 路基填筑; 膨脹土; 摻灰量; 室內(nèi)外試驗(yàn)

膨脹土主要是有由親水礦物蒙脫石、伊利石、高嶺石等組成的黏性土, 具有明顯的吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的變形特征。正是由于其具有顯著的脹縮特性, 常常給膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)造成嚴(yán)重的破壞, 被工程界常稱之為“隱藏性災(zāi)害”[1]。這種災(zāi)害在道路工程中尤為突出, 如路基局部坍塌、隆起或裂隙、路堤邊坡表層坍滑及路面出現(xiàn)大幅度隨季節(jié)變化的波浪變形等工程問題。這些問題嚴(yán)重影響了交通工程的發(fā)展, 為此一些專家提出了多種不同的方案來解決膨脹土的脹縮性問題。目前處治膨脹土的方法主要是化學(xué)改性, 如摻石灰、水泥、粉煤灰等來穩(wěn)定膨脹土, 其中最常用、最有效的方法是通過摻石灰進(jìn)行改良[2]。膨脹土經(jīng)石灰改良后可降低膨脹土的脹縮性, 提高膨脹土的強(qiáng)度, 成為一種膨脹性極低的普通土。然而對于改良膨脹土摻灰量的確定標(biāo)準(zhǔn)一直沒有統(tǒng)一的規(guī)定, 各研究者對于摻灰量的確定指標(biāo)也有著不同的看法: 如余湘娟[2]和高新[3]采用膨脹總率來控制摻灰量; 錢玉林[4]根據(jù)自由膨脹率控制摻灰量; 陳新民[5]提出以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為控制指標(biāo); 程愛軍[6]則提出以石灰土的加州承載比(California bearing ratio—CBR)值和CBR膨脹量作為控制指標(biāo)等?？梢妼τ诟牧寂蛎浲翐交伊康拇_定并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 而摻灰量確定的準(zhǔn)確性又直接影響膨脹土的改良效果。

針對上述石灰摻量不同的確定標(biāo)準(zhǔn), 筆者認(rèn)為不應(yīng)采取某一個控制指標(biāo)來確定石灰摻量, 應(yīng)該考慮多種控制指標(biāo)進(jìn)行綜合確定, 而且由于膨脹土分布具有地域差異性, 其物理力學(xué)特性也因地而異, 因此摻灰量并非某一定值。為了保證益婁高速膨脹土的石灰改良滿足公路路基施工技術(shù)規(guī)范, 本文根據(jù)該地區(qū)膨脹土的基本特性, 通過室內(nèi)外試驗(yàn)方法, 依據(jù)不同的指標(biāo)確定合理的石灰摻量。

1 工程概況

益婁高速公路地處大陸第二級階梯到第三級階梯過渡帶, 途經(jīng)地區(qū)多為山地丘陵, 境內(nèi)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤氣候。益婁高速公路從二標(biāo)至五標(biāo)、十二標(biāo)段之間斷續(xù)分布有厚薄不等的、具有弱～中等膨脹性的膨脹土, 膨脹土集中分布區(qū)域主要在K9+500～K25+300、K26+692～K39+000、K41+600～K41+750、K93+600～K96+280等路段, 且多為挖方, 總計(jì)約71.8萬m3。

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)規(guī)范, 膨脹土不能直接用于路堤填筑。但若不利用當(dāng)?shù)嘏蛎浲林荒苓h(yuǎn)距離借土, 這將增加很多額外的工程費(fèi)用, 給工程帶來很大的不便。為充分利用當(dāng)?shù)嘏蛎浲? 確保益婁高速公路的路基填筑質(zhì)量, 必須尋找行之有效的辦法對膨脹土進(jìn)行處治。綜合工程經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益決定采用石灰改良膨脹土, 試驗(yàn)場地選在益婁高速公路K26+700～K26+900路段。

2 試驗(yàn)用土特性

2.1 土樣選擇

試驗(yàn)用土取自益婁高速公路膨脹土集中分布的4個區(qū)域, 即K9+500～K25+300、K26+692～K39+000、K41+600～K41+750、K93+600～K96+280路段。取土坑選擇在距地表1～6 m處, 共取回32個代表性試樣。取回的試樣用保鮮袋及時封閉保存, 以防土壤水分蒸發(fā)。

2.2 土樣的表觀特性

通過觀察發(fā)現(xiàn)土樣的表面特征大致分為A、B、C、D四類情況, 具體描述見表1, 部分土樣照片見圖1。通過對取回土樣的觀察, 根據(jù)土樣的顏色、手摸感、濕水前后的狀態(tài), 結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)初步確定為膨脹土。

表1 4類代表性土樣土性描述

2.3 膨脹土基本物理特性

項(xiàng)目施工前期階段, 對取回的32個試樣進(jìn)行了室內(nèi)物理特性試驗(yàn), 得到膨脹土的基本物理特性見表2。

表2 32個代表性土樣物理特性指數(shù) /%

由表2可知, 32個代表性土樣的最大吸濕含水率在3.8%～5.4%之間, 塑性指數(shù)在15.2%～39.6%之間, 根據(jù)膨脹土的詳判指標(biāo)可以確定該土為膨脹性土。然后在最大吸水含水率和塑性指數(shù)的基礎(chǔ)上考慮到土的自由膨脹率在30.1%～51.6%, 根據(jù)膨脹土的潛勢分級可以判定為弱中膨脹土。再根據(jù)土的液限在51.8%～68.4%, 可判定為高液限土, 綜合上述分析最終確定益婁高速公路的路基土為高液限弱中膨脹土。

圖1 部分取樣點(diǎn)土樣圖片

3 室內(nèi)試驗(yàn)初步確定石灰摻量

3.1 試驗(yàn)材料

膨脹土。益婁高速公路雜亂地分布有弱中膨脹土, 若依據(jù)弱膨脹土確定石灰摻量,則中膨脹土的改良效果不能保證, 若依據(jù)中膨脹土確定石灰摻量, 可能導(dǎo)致浪費(fèi)材料。綜合考慮施工因素和經(jīng)濟(jì)效益, 決定采用弱中膨脹土土質(zhì)結(jié)合后再確定石灰摻量。首先選擇A、B、C、D四類弱中膨脹土進(jìn)行烘干、磨碎、拌勻、篩選, 顆粒粒徑≤0.5 mm, 作為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)土樣; 然后根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行試驗(yàn), 對需要控制含水量的試驗(yàn)要進(jìn)行拌和悶料8～10 h, 確保土樣水分均勻。

石灰。采用生石灰, 化學(xué)成分, CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%, MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%, 為三類鈣質(zhì)石灰。摻灰量分別取0%、3%、5%、7%、9%, 通過對比液塑限、膨脹性指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)確定合理的石灰摻量, 試驗(yàn)方法執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中的T0118-2007。

3.2 液塑性聯(lián)合試驗(yàn)

選取結(jié)合后的試驗(yàn)土樣, 按摻灰量0%、3%、5%、7%、9%拌合均勻, 再依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)規(guī)定的液塑限聯(lián)合試驗(yàn)進(jìn)行操作, 所得結(jié)果見圖2。通過對比液塑限的變化趨勢確定合理的石灰摻量。

通過液塑限聯(lián)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 隨著石灰摻量的增加, 液限不斷降低, 尤其石灰摻量在0%～5%之間, 當(dāng)石灰摻量超過5%后, 液限基本不再變化, 甚至有稍許反彈的趨勢; 塑限隨著摻灰量的增加變化不明顯, 石灰摻量小于5%呈稍許下降狀態(tài), 大于5%出現(xiàn)稍許的反彈; 塑性指數(shù)隨著摻灰量的增加不斷下降, 尤其石灰摻量在0%～5%之間下降迅速, 然而7%～9%之間出現(xiàn)稍許反彈, 經(jīng)對比液塑限確定合理的石灰摻量為5%～6%。

圖2 不同生石灰摻量下土性指標(biāo)

3.3 膨脹率試驗(yàn)

配土摻灰同液塑性聯(lián)合試驗(yàn)一樣, 試驗(yàn)方法參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)規(guī)定進(jìn)行操作, 所得結(jié)果見圖3。通過對比自由膨脹率、無荷膨脹率、有荷膨脹率確定合理的石灰摻量。根據(jù)膨脹率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 隨著摻灰量的增加自由膨脹率不斷下降, 尤其石灰摻量在0%～5%之間下降迅速, 在5%～9%下降不太明顯; 無荷膨脹率在0%～5%之間呈下降趨勢, 但在5%～9%卻呈現(xiàn)上升態(tài)勢; 有荷膨脹率呈不斷下降趨勢, 摻灰量在7%的時候幾乎為0。通過對比自由膨脹率、無荷膨脹率、有荷膨脹率確定合理的石灰摻量為5%～6%。

圖3 不同生石灰摻量下膨脹性指標(biāo)

3.4 直剪試驗(yàn)

配土摻灰同液塑性聯(lián)合試驗(yàn)一樣, 試驗(yàn)方法參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)規(guī)定中直剪試驗(yàn)步驟進(jìn)行操作, 所得結(jié)果見圖4。通過對比黏聚力、內(nèi)摩擦角確定合理的石灰摻量。

通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 隨著石灰摻量的不斷增加內(nèi)摩擦角不斷增大, 然而當(dāng)摻灰量達(dá)到7%以上時, 內(nèi)摩擦角幾乎沒有變化; 黏聚力受摻灰量的影響波動稍大, 在0%～3%之間時黏聚力呈平緩上升狀態(tài), 在3%～5%黏聚力呈下降狀態(tài), 在5%～7%又成上升狀態(tài), 當(dāng)摻灰量為5%時出現(xiàn)了黏聚力最小的峰值, 而在7%之后又呈平緩下降趨勢; 鑒于A、B、C、D這4類土基本上都含砂粒成分, 摻石灰改性后的膨脹土的力學(xué)性能主要受到內(nèi)摩擦角的影響, 因此石灰合理摻量為5%～6%。

3.5 石灰摻灰量的初步確定

液塑性聯(lián)合試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)得到了不同摻灰量作用下對應(yīng)的液塑性指標(biāo)、膨脹性指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)。分別分析這3種指標(biāo)在不同摻灰量下的變化趨勢, 根據(jù)變化趨勢確定每種指標(biāo)下合理摻灰量。綜合考慮這3項(xiàng)指標(biāo)可初步確定益婁高速膨脹土合理摻灰量為5%～6%。但是由于室內(nèi)試驗(yàn)與工程實(shí)際存在差距, 實(shí)際工程中的合理摻灰量為5%或是6%還有待于根據(jù)現(xiàn)場施工情況確定。

圖4 不同生石灰摻量下強(qiáng)度指標(biāo)

4 室外試驗(yàn)最終確定石灰摻量

4.1 試驗(yàn)段情況

選取益婁高速公路K26+700～K26+900作為試驗(yàn)路段, 試驗(yàn)路段再分成各100 m的1＃、2＃路段。其中1＃路段為K26+700～K26+800, 摻灰量為5%; 2＃路段為K26+800～K26+900, 摻灰量6%。1＃、2＃路段除了摻灰量不同外, 其他的施工工藝都相同。石灰拌合采用一次路拌法, 在石灰改良土達(dá)到最佳含水率時, 采用壓路機(jī)往復(fù)壓實(shí)5遍。施工過程嚴(yán)格按照《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)操作, 其中5%、6%的摻灰量對應(yīng)的最佳含水率分別為21%和23%。

4.2 現(xiàn)場CBR試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)由于配比參數(shù)相對精確, 現(xiàn)場路拌配比參數(shù)相對粗糙, 這就可能造成室內(nèi)外承載比存在差異性, 但是路基的承載比最終是由現(xiàn)場施工決定的并作用于整個生命周期, 因此決定采用現(xiàn)場路拌后的改良土進(jìn)行CBR試驗(yàn)。試驗(yàn)采用3個試件進(jìn)行對比,采用平均值確定承載比, 所得結(jié)果見表3。

通過CBR試驗(yàn)可知, 經(jīng)過改良后的膨脹土CBR值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我國《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)對CBR的要求值, 承載比均達(dá)到了80%以上。胡龍[7]也認(rèn)為采用5%～8%的生石灰改良膨脹土, 可以大幅提升工程質(zhì)量, 而且采用6%的生石灰粉對膨脹土處理,可以顯著地提高承載比, 這進(jìn)一步驗(yàn)證了摻灰量選擇5%、6%是合理的。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看, 5%和6%的摻灰量均滿足路基承載比的要求, 但是6%摻灰量所對應(yīng)的CBR值相對更大, 更能有效地保證路基的承載比。

表3 不同摻灰量的現(xiàn)場路拌土的CBR值/%

4.3 現(xiàn)場壓實(shí)度試驗(yàn)

路基壓實(shí)的效果最終是由壓實(shí)度決定的, 壓實(shí)度是檢驗(yàn)路基壓實(shí)效果最直接的指標(biāo), 在相同的施工工藝條件下, 填土的性質(zhì)是影響壓實(shí)度的主要原因。因此決定采用灌砂法來測定不同摻灰量下的壓實(shí)度, 最終根據(jù)壓實(shí)度來確定準(zhǔn)確的摻灰量, 試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 路面下深度0～30 cm處不同摻灰量下的路基壓實(shí)度/%

通過灌砂法試驗(yàn)測定了在不同摻灰量下的路基壓實(shí)度, 根據(jù)測定結(jié)果可知摻灰量6%時, 路基中樁的壓實(shí)度達(dá)到高速公路壓實(shí)度設(shè)計(jì)值, 邊樁部分范圍沒有達(dá)到壓實(shí)度設(shè)計(jì)值, 整個路基的壓實(shí)度基本在95%以上。根據(jù)以往路基施工經(jīng)驗(yàn), 路基的壓實(shí)度很難達(dá)到規(guī)范設(shè)計(jì)要求, 程平[8]認(rèn)為在滿足強(qiáng)度和變形要求的條件下, 石灰土的壓實(shí)度可以低于一般基礎(chǔ)層的壓實(shí)度, 即少于95%的要求; 周葆春[9]也認(rèn)為壓實(shí)度控制在95%左右不僅具有較大的剛度與強(qiáng)度, 而且脹縮變形小。通過對比2個試驗(yàn)路段, 不難發(fā)現(xiàn)6%的摻灰量明顯優(yōu)于5%的摻灰量, 因此根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015), 確定石灰改良膨脹土的摻灰量應(yīng)為6%。

4.4 現(xiàn)場脹縮總率試驗(yàn)

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30-2006)規(guī)定, 摻石灰的最佳配比, 以處理后的膨脹土的脹縮率不超過0.7%為宜。孔令偉[10]也認(rèn)為, 膨脹土路基施工控制除綜合考慮膨脹土的壓實(shí)度與強(qiáng)度CBR外, 尚需要考慮其脹縮總率的影響。因此, 需要對石灰改性土進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證, 檢驗(yàn)脹縮總率是否滿足規(guī)范要求, 以便更有效地控制路基施工。

脹縮總率試驗(yàn)試樣采用不同試驗(yàn)段、不同摻灰量及不同壓實(shí)度對應(yīng)的試樣, 具體土樣的脹縮總率見表5。

表5 不同摻灰量下現(xiàn)場取土的脹縮總率值 /%

通過現(xiàn)場取土, 測定了2個試驗(yàn)路段不同摻灰量、不同壓實(shí)度、不同含水率下的膨脹總率值。從表5可知, 6%摻灰量明顯優(yōu)于5%的摻灰量的脹縮總率, 脹縮總率平均值達(dá)到0.36%, 小于規(guī)范值0.7%近一半; 而5%摻灰量的脹縮總率在規(guī)范值的0.7%左右?？紤]到施工因素, 摻灰的均勻性、最佳含水率以及壓實(shí)度都是很難精確保證的, 而這些因素對脹縮總率都有很大影響, 因此為了保證填筑土體的脹縮總率也能夠滿足路基施工技術(shù)規(guī)范, 選擇6%的摻灰量是最合理的選擇。

4.5 石灰摻量的最終確定

最終石灰摻量是根據(jù)現(xiàn)場取土進(jìn)行CBR試驗(yàn)、現(xiàn)場檢測壓實(shí)度、現(xiàn)場取土的脹縮總率試驗(yàn)3個指標(biāo)共同確定的。由于摻灰量5%、6%都滿足承載比的要求, 因此采用路基的壓實(shí)度確定摻灰量更具有合理性。根據(jù)現(xiàn)場的壓實(shí)度檢測數(shù)據(jù), 可知6%的石灰摻量比5%的石灰摻量壓實(shí)度高, 而且總體能達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 所以把石灰摻量確定為6%。通過現(xiàn)場取土進(jìn)行脹縮總率試驗(yàn), 可知6%的石灰摻量比5%的石灰摻量的脹縮總率要小, 小于規(guī)范值0.7%近一半, 故進(jìn)一步驗(yàn)證了石灰摻量確定為6%是合理的。而且施工過程中, 摻加6%的生石灰可以迅速降低膨脹土的含水率, 從而達(dá)到最佳含水率要求, 因此最終確定石灰摻量為6%是合理的。

5 結(jié)語

(1) 膨脹土分布具有地域差異性, 導(dǎo)致其基本特性因地而異, 因此摻灰量的確定不能固化采用某一定值, 應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況進(jìn)行試驗(yàn)確定。益婁高速公路石灰摻量是在充分掌握該地區(qū)膨脹土特性的基礎(chǔ)上,通過試驗(yàn)采用多種控制指標(biāo)綜合確定為6%。本試驗(yàn)結(jié)果只適用于土質(zhì)相似地區(qū)的膨脹土, 對于土質(zhì)差異較大的膨脹土地區(qū)還需進(jìn)一步通過試驗(yàn)確定改良土的石灰摻量。

(2) 改良膨脹土的石灰摻量一般都是采用室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行確定的, 但是現(xiàn)場施工的粗放性與室內(nèi)試驗(yàn)的精準(zhǔn)性不接軌。如果以室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果確定石灰摻量應(yīng)用于現(xiàn)場施工, 往往導(dǎo)致改良土的壓實(shí)效果不理想, 因此石灰摻量應(yīng)采用“室內(nèi)試驗(yàn)初步確定, 現(xiàn)場試驗(yàn)最終確定”的“雙定”指標(biāo)共同確定, 這種方法更符合工程實(shí)際, 保證改良土的壓實(shí)效果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(3) 關(guān)于改良膨脹土石灰摻量的確定方法一直沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 綜合研究發(fā)現(xiàn)石灰摻量多以膨脹總率、自由膨脹率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR值等某一個指標(biāo)控制, 這就容易導(dǎo)致石灰摻量因控制指標(biāo)的不同存在差異性。益婁高速公路根據(jù)改性土的膨脹性、液塑性、強(qiáng)度指標(biāo)的變化初步判定摻灰量, 再根據(jù)現(xiàn)場CBR、壓實(shí)度、脹縮總率指標(biāo)的變化最終確定摻灰量, 采用多個指標(biāo)綜合控制摻灰量可以充分保證摻灰量的準(zhǔn)確性。

(4) 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)初步確定的合理石灰摻量為5%～6%, 具體選擇5%或6%的石灰摻量需根據(jù)室外試驗(yàn)進(jìn)步一確定。通過室外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)6%的石灰摻量在承載比、壓實(shí)度、脹縮總率值上明顯優(yōu)于5%的石灰摻量, 故確定6%的石灰摻量更具有合理性。

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(責(zé)任編校: 江河)

Determination of the amount of lime improving expansive soil of Yi-Lou highway

Su Wei, Zeng JuanJuan, Bai Yinyong
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South Forestry University of Science and Technology,Changsha 410004, China )

Yi-Lou highway exists a weak-middle expansive soil from two to five and twelve block that present discontinuous distribution between thickness range. In order to make full use of local expansive soil, it is decided to adopt mixing lime. By indoor and outdoor tests, the optimal amount of lime is determined. First of all, according to the expansibility of expansive soil, liquid plastic, intensity index, through indoor test, it is preliminarily determined that the reasonable amount of lime is 5%～6%, and then according to the California bearing ratio (California bearing ratio, CBR), degree of compaction, swell-shrink total rate index by outdoor test, it is eventually determined that the reasonable amount of lime is 6%. The way “inside and outside double control quantity of adding in lime” can fully guarantee the accuracy of the amount of adding in lime, which can make the improvement of soil mass to meet the design requirements and the technical specification for construction of subgrade.

Yi-Lou highway; subgrade filling; expansive soil; the amount of lime; the indoor and outdoor test

U 416

: A

1672–6146(2017)03–0083–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.018

蘇偉, 1479506494@qq.com。

: 2017–02–18

湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(2013ZDXK006)。