市政道路路基工程改良紅黏土試驗分析

張志剛

摘要：針對市政道路路基紅黏土改良再利用的工程問題，本研究通過開展一系列室內(nèi)試驗，根據(jù)試驗規(guī)律變化以確定最優(yōu)的石灰摻量和施工含水率，并與素土擊實試驗結(jié)果對比，總結(jié)出合適的施工控制方法。結(jié)果表明：石灰的加入對紅黏土性能有較大的改善作用，生石灰的摻配推薦質(zhì)量比在10左右且不宜超過12;根據(jù)改良的室內(nèi)試驗結(jié)果，最優(yōu)的施工含水率應(yīng)該在OMC+2到OMC+4之間，同時考慮施工過程中的水份散失，宜采用OMC+4的含水率進行改良土路基填筑。

關(guān)鍵詞：紅粘土;石灰改良;施工含水率;壓實控制

0引言

紅黏土是一種具有高液限和高裂隙的特殊土，其遇水膨脹、失水收縮等典型特性十分不利于填土長期穩(wěn)定，且其力學性能難以滿足路基施工的要求，通常不能直接用于路基填料。然而，由于特殊氣候和地質(zhì)條件，我國南方地區(qū)廣泛分布著由碳酸類巖石風化、紅土化產(chǎn)生紅黏土，市政道路建設(shè)異地取土困難，這就面臨著紅黏土等不良填料改良再利用的工程問題。目前，對于改良紅黏土的研究已取得了許多有意義的成果，一些學者就紅黏土的特殊力學性質(zhì)和改良機理展開了討論。為了獲得改良紅黏土填筑的壓實控制指標，本文采用湖南省長沙某市政道路工程現(xiàn)場土樣，對石灰質(zhì)量比和含水率影響的改性紅黏土力學性能開展一系列試驗研究，對比分析擊實含水率與施工含水率的不同，并基于此對現(xiàn)場施工壓實控制提出建議和參考。

1材料基本物理性能

南方地區(qū)氣候條件濕熱多雨、紅黏土分布廣泛，為研究實際工程遇到的紅黏土填筑市政道路基問題，本試驗的紅黏土采用的是來自于湖南省長沙某市政道路工程的現(xiàn)場土樣，通過試驗測定其基本物理性能如表1所示，測定土樣為高液限紅黏土。同時，經(jīng)過顆粒篩分和密度計法，所得顆粒分布試驗結(jié)果如圖1，其中黏粒含量約為52.3%，為土樣高液限的主要原因，礦物成分如表2所示。試驗所采用生石灰粉，其有效化學成分CaO和MgO的含量百分數(shù)分別為72.4%和4.1%。

2室內(nèi)試驗研究

路基土的壓實特性是市政道路路基設(shè)計中非常重要的性能指標，同時也是直接反映施工質(zhì)量的控制標準。為實現(xiàn)石灰改性后的高液限紅黏土最佳性能，本研究通過測定一系列室內(nèi)試驗，根據(jù)試驗規(guī)律變化以確定最優(yōu)的石灰摻量和施工含水率，并與素土干法和濕法擊實結(jié)果對比，總結(jié)出合適的施工控制方法。

2.1擊實試驗

（1）素土的最佳含水率和最大干密度是紅黏土壓實的重要參考，通常采用標準重型擊實試驗獲得相關(guān)的擊實曲線，其結(jié)果規(guī)律見圖2所示，本研究分別采用干法和濕法制樣;

（2）由圖2的結(jié)果表明，由干法擊實確定的最佳含水率（OMC）為30.6%，最大干密度（MDD）為1.54g/cm3;

（3）而通過濕法擊實的結(jié)果為1.43g/cm3的MMD，對應(yīng)的OMC為32.1%。通過對比結(jié)果可知，干法測定的OMC低于濕法，但其MDD要大于濕法擊實結(jié)果;

（4）紅黏土中含有大量的黏土礦物，在自然沉積中這些礦物獲得了大量的結(jié)合水，而干法土樣在烘箱中的脫水過程實際上破壞了其原狀土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得礦物內(nèi)結(jié)合水散失且過程不可逆，而對于濕法過程則不影響土樣中結(jié)合水的保持。

2.2直剪試驗

（1）結(jié)合上述素土的擊實試驗結(jié)果，可以初步確定改良紅黏土的施工含水率范圍。由于實際工程經(jīng)驗表明干法擊實的結(jié)果往往難以滿足實際壓實度的要求，且施工過程通常采用翻曬后的填料加工并直接用于填筑，因此，本實驗以濕法試驗（OMC=32.1%）作為含水率基準，分別按照28%、30%、32%、34%、36%的含水率，采用濕法拌合成土膏并置于塑料袋中，扎好袋口于陰涼處悶料24小時，然后摻入質(zhì)量比為0%、4%、8%、12%、16%的生石灰粉，最后拌合均勻后制成試樣。

（2）為了研究紅黏土路基填料的強度，采用ZJ-4四聯(lián)直剪儀進行測試，其測試應(yīng)力范圍為50—400kPa，考慮到淺層路基的實際作用應(yīng)力，本試驗設(shè)置50、100、150、200kPa的加荷方案，剪切速率控制在0.8mm/min左右，所得試驗結(jié)果如表3和表4所示。

（3）通過表3和表4的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：石灰的加入對紅黏土性能有較大的改善作用，相同初始含水率條件下改良紅黏土的黏聚力c最大可提升17%—42%，最大內(nèi)摩擦角max從初始的35.38°增長至37.45°，隨著石灰質(zhì)量比從0%增加到12%，其黏聚力c和內(nèi)摩擦角均單調(diào)增加，而當石灰摻量達到16%時呈明顯下降趨勢;

（4）通過表3和表4的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：含水率對改良紅黏土的剪切性能影響與擊實試驗相類似，當摻入石灰的質(zhì)量比較?。?%）時，其剪切參數(shù)（c和）變化的最大峰值點在OMC附近，但隨著石灰含量增加，兩個剪切參數(shù)的變化趨勢仍基本保持一致，但其最優(yōu)的含水率從OMC增大到34%—36%。

2.3 CBR試驗

（1）加州承載比CBR值在路基設(shè)計中被廣泛采用，其中規(guī)范對路基填料規(guī)定其最小值不應(yīng)小于3%，且若CBR值大于8則滿足各等級道路要求。參照擊實試驗和OMC值，分別制備生石灰粉質(zhì)量比為0%、4%、8%、12%、16%的CBR試件，并經(jīng)過4d飽和后，測定試件的CBR值，結(jié)果如圖3所示。

（2）圖3中的變化趨勢表明，隨著生石灰粉的摻入，對紅黏土的CBR值有明顯的改善效果，當石灰質(zhì)量比在8%—12%時，其飽和土樣的CBR值達到最大，較素土的強度增加了15.3倍，且其結(jié)果完全滿足市政道路基填筑的要求。將直剪試驗和CBR試驗結(jié)果綜合分析，生石灰對紅黏土的增強作用存在最優(yōu)值，最佳的生石灰質(zhì)量比在8%—12%范圍內(nèi)。

2.4無側(cè)限抗壓強度試驗

（1）無側(cè)限抗壓強度是改良土路基填料的重要強度指標之一，為了探究不同含水率對石灰改良紅黏土的影響，本試驗以12%質(zhì)量比的石灰為例展開研究。

（2）無側(cè)限抗壓強度試驗過程：首先通過擊實試驗測定最佳含水率OMC條件下改良土的干密度;

然后采用靜壓成型方法制備分別控制90%、92%、94%、96%和98%壓實度的圓柱體土樣，保濕養(yǎng)生7d;最后采用UTM伺服材料機以1mm/min的速度進行無側(cè)限加載試驗，試驗結(jié)果見圖4。

（3）從圖4中的抗壓強度結(jié)果可以看出，不同的含水率和壓實度對應(yīng)不同的強度大小變化規(guī)律：1）隨著壓實度的增加，改良土的最大抗壓強度可達到1.0MPa左右;2）當壓實度為98%時的強度是90%時土樣的133.33%—139.44%倍，可知壓實度對改良土性能的影響顯著;3）從含水率對強度的變化曲線分析中不難發(fā)現(xiàn)，對于12%質(zhì)量比的石灰改良土，其最優(yōu)的含水率在34%—36%;4）采用最佳含水率OMC進行紅黏土填料的施工并不能完全發(fā)揮石灰改良的效果。

3關(guān)于施工壓實控制的討論

將上述試驗結(jié)果作為路基填筑的重要依據(jù)，可以對得到如下壓實控制結(jié)論：

（1）對于含水率，在紅黏土路基填筑時宜采用濕法擊實得到的最佳含水率作為參考設(shè)計值，施工含水率為OMC+4%;

（2）根據(jù)改良的室內(nèi)試驗結(jié)果，最優(yōu)的施工含水率應(yīng)該在OMC+2%到OMC+4%之間，同時考慮施工過程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率進行改良土路基填筑，較采用OMC條件下碾壓，不僅效果更加，且在一定程度上縮減了填土翻曬的工期;

（3）對于摻灰量，生石灰的摻配推薦質(zhì)量比在10%左右且不宜超過12%。摻入生石灰能顯著改善土樣的CBR值，使其滿足路基填筑的要求;

（4）通過改良土強度的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，生石灰對改良土性能的增強效果并不是單調(diào)增長的，與擊實試驗相類似，存在最優(yōu)比例，超過該比例土樣的性能反而減低，本試驗研究的高液限紅黏土在生石灰8%—12%的質(zhì)量比時性能較佳。

4、結(jié)論

（1）干法擊實和濕法擊實獲得的最佳含水率和最大干密度均不相同，采用濕法擊實得到的含水率大于干法擊實，在紅黏土路基填筑時宜采用濕法擊實得到的最佳含水率作為參考設(shè)計值;

（2）石灰的加入對紅黏土性能有較大的改善作用，生石灰的摻配推薦質(zhì)量比在10%左右且不宜超過12%;

（3）根據(jù)改良的室內(nèi)試驗結(jié)果，最優(yōu)的施工含水率應(yīng)該在OMC+2%到OMC+4%之間，同時考慮施工過程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率進行改良土路基填筑，較采用OMC條件下碾壓，不僅效果更加，且在一定程度上縮減了填土翻曬的工期。

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