市政道路路基工程改良紅黏土試驗(yàn)分析

張志剛

摘要：針對(duì)市政道路路基紅黏土改良再利用的工程問(wèn)題，本研究通過(guò)開(kāi)展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)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(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)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(guò)12;根據(jù)改良的室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)考慮施工過(guò)程中的水份散失，宜采用OMC+4的含水率進(jìn)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(shí)控制

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(zhǎng)期穩(wěn)定，且其力學(xué)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(guó)南方地區(qū)廣泛分布著由碳酸類(lèi)巖石風(fēng)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(wèn)題。目前，對(duì)于改良紅黏土的研究已取得了許多有意義的成果，一些學(xué)者就紅黏土的特殊力學(xué)性質(zhì)和改良機(jī)理展開(kāi)了討論。為了獲得改良紅黏土填筑的壓實(shí)控制指標(biāo)，本文采用湖南省長(zhǎng)沙某市政道路工程現(xiàn)場(chǎng)土樣，對(duì)石灰質(zhì)量比和含水率影響的改性紅黏土力學(xué)性能開(kāi)展一系列試驗(yàn)研究，對(duì)比分析擊實(shí)含水率與施工含水率的不同，并基于此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工壓實(shí)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(shí)際工程遇到的紅黏土填筑市政道路基問(wèn)題，本試驗(yàn)的紅黏土采用的是來(lái)自于湖南省長(zhǎng)沙某市政道路工程的現(xiàn)場(chǎng)土樣，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定其基本物理性能如表1所示，測(cè)定土樣為高液限紅黏土。同時(shí)，經(jīng)過(guò)顆粒篩分和密度計(jì)法，所得顆粒分布試驗(yàn)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(yàn)所采用生石灰粉，其有效化學(xué)成分CaO和MgO的含量百分?jǐn)?shù)分別為72.4%和4.1%。

2室內(nèi)試驗(yàn)研究

路基土的壓實(shí)特性是市政道路路基設(shè)計(jì)中非常重要的性能指標(biāo)，同時(shí)也是直接反映施工質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)石灰改性后的高液限紅黏土最佳性能，本研究通過(guò)測(cè)定一系列室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)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(shí)結(jié)果對(duì)比，總結(jié)出合適的施工控制方法。

2.1擊實(shí)試驗(yàn)

（1）素土的最佳含水率和最大干密度是紅黏土壓實(shí)的重要參考，通常采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)獲得相關(guān)的擊實(shí)曲線，其結(jié)果規(guī)律見(jiàn)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(shí)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(guò)濕法擊實(shí)的結(jié)果為1.43g/cm3的MMD，對(duì)應(yīng)的OMC為32.1%。通過(guò)對(duì)比結(jié)果可知，干法測(cè)定的OMC低于濕法，但其MDD要大于濕法擊實(shí)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(guò)程實(shí)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(guò)程不可逆，而對(duì)于濕法過(guò)程則不影響土樣中結(jié)合水的保持。

2.2直剪試驗(yàn)

（1）結(jié)合上述素土的擊實(shí)試驗(yàn)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(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明干法擊實(shí)的結(jié)果往往難以滿足實(shí)際壓實(shí)度的要求，且施工過(guò)程通常采用翻曬后的填料加工并直接用于填筑，因此，本實(shí)驗(yàn)以濕法試驗(yàn)（OMC=32.1%）作為含水率基準(zhǔn)，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(shí)，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(qiáng)度，采用ZJ-4四聯(lián)直剪儀進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試應(yīng)力范圍為50—400kPa，考慮到淺層路基的實(shí)際作用應(yīng)力，本試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

（3）通過(guò)表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：石灰的加入對(duì)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(zhǎng)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(dāng)石灰摻量達(dá)到16%時(shí)呈明顯下降趨勢(shì);

（4）通過(guò)表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：含水率對(duì)改良紅黏土的剪切性能影響與擊實(shí)試驗(yàn)相類(lèi)似，當(dāng)摻入石灰的質(zhì)量比較?。?%）時(shí)，其剪切參數(shù)（c和）變化的最大峰值點(diǎn)在OMC附近，但隨著石灰含量增加，兩個(gè)剪切參數(shù)的變化趨勢(shì)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(yàn)

（1）加州承載比CBR值在路基設(shè)計(jì)中被廣泛采用，其中規(guī)范對(duì)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(jí)道路要求。參照擊實(shí)試驗(yàn)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(guò)4d飽和后，測(cè)定試件的CBR值，結(jié)果如圖3所示。

（2）圖3中的變化趨勢(shì)表明，隨著生石灰粉的摻入，對(duì)紅黏土的CBR值有明顯的改善效果，當(dāng)石灰質(zhì)量比在8%—12%時(shí)，其飽和土樣的CBR值達(dá)到最大，較素土的強(qiáng)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(yàn)和CBR試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，生石灰對(duì)紅黏土的增強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

（1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是改良土路基填料的重要強(qiáng)度指標(biāo)之一，為了探究不同含水率對(duì)石灰改良紅黏土的影響，本試驗(yàn)以12%質(zhì)量比的石灰為例展開(kāi)研究。

（2）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程：首先通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)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(shí)度的圓柱體土樣，保濕養(yǎng)生7d;最后采用UTM伺服材料機(jī)以1mm/min的速度進(jìn)行無(wú)側(cè)限加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

（3）從圖4中的抗壓強(qiáng)度結(jié)果可以看出，不同的含水率和壓實(shí)度對(duì)應(yīng)不同的強(qiáng)度大小變化規(guī)律：1）隨著壓實(shí)度的增加，改良土的最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.0MPa左右;2）當(dāng)壓實(shí)度為98%時(shí)的強(qiáng)度是90%時(shí)土樣的133.33%—139.44%倍，可知壓實(shí)度對(duì)改良土性能的影響顯著;3）從含水率對(duì)強(qiáng)度的變化曲線分析中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(jìn)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(shí)控制的討論

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

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

（2）根據(jù)改良的室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)考慮施工過(guò)程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率進(jìn)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(duì)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(guò)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(guò)改良土強(qiáng)度的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，生石灰對(duì)改良土性能的增強(qiáng)效果并不是單調(diào)增長(zhǎng)的，與擊實(shí)試驗(yàn)相類(lèi)似，存在最優(yōu)比例，超過(guò)該比例土樣的性能反而減低，本試驗(yàn)研究的高液限紅黏土在生石灰8%—12%的質(zhì)量比時(shí)性能較佳。

4結(jié)論

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

（2）石灰的加入對(duì)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(guò)12%;

（3）根據(jù)改良的室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)考慮施工過(guò)程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率進(jìn)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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