石灰改良黃土性能的試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用

衛(wèi) 潔

(山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000)

1 引 言

黃土在我國西北部地區(qū)廣泛分布，由于黃土自身特殊的濕陷特性，對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了保證工程質(zhì)量，在應(yīng)用中需分析合適的施工方案改良黃土濕陷性。在對黃土工程特性的改良上，國內(nèi)已有很多成功的案例，在鐵路路基施工上使用石灰改良黃土是早有先例，馬幸發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的增加石灰土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，胡大林研究了石灰土的動力特性及其應(yīng)用。相關(guān)研究表明，在水的作用下，石灰與黃土發(fā)生兩種主要形式的物理化學(xué)反應(yīng)，在前期主要表現(xiàn)為與黃土發(fā)生離子交換反應(yīng)，在后期表現(xiàn)為發(fā)生火山灰反應(yīng)，土的板體性和穩(wěn)定性得到提高。在工地現(xiàn)場，中心試驗(yàn)室對石灰的統(tǒng)一摻量一般選擇為8%～10%，不過對具體摻量和摻量影響沒有太多介紹。基于此，本文對石灰改性黃土(后稱石灰土)的石灰最佳摻量進(jìn)行性能研究，以工程當(dāng)?shù)攸S土為基礎(chǔ)，開展不同摻量石灰土的性能研究，并將結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程中，指導(dǎo)工地現(xiàn)場石灰土的路基施工。

2 材料和試驗(yàn)方案

2.1 黃土特性

黃土取自山西長臨高速K92+300工地現(xiàn)場，所取土樣以粉土為主，褐黃色色澤，孔隙大，較干燥。測得土樣的物理參數(shù)見表1。

表1 黃土土樣的物理參數(shù)

2.2 石灰特性

所用生石灰由技術(shù)參數(shù)其第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測合格，滿足鈣質(zhì)石灰的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用前過5 mm樣篩。

2.3 試驗(yàn)方案

對黃土進(jìn)行粉碎處理，以利于與石灰混合攪拌均勻。在黃土中分別加入2%、4%、6%、8%質(zhì)量比的生石灰，制成標(biāo)準(zhǔn)試件。通過擊實(shí)試驗(yàn)得到各組試件的最大干密度和最佳含水率，各試驗(yàn)見表2。在以上條件下分別進(jìn)行土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量、壓縮固結(jié)等試驗(yàn)的性能分析。

表2 石灰土的最大干密度和最佳含水率

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

按規(guī)范要求制備39.1 mm×80 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，分別測量試件不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

可以看出，各組試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長在漸漸提高，在28 d時，其強(qiáng)度是初始強(qiáng)度的2倍以上。這種強(qiáng)度提升主要是石灰的加入，所得到的改性土在水分與二氧化碳的參與下會發(fā)生一系列離子凝膠結(jié)團(tuán)反應(yīng)、火山灰凝膠團(tuán)聚反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)，土體微晶結(jié)構(gòu)不斷增加，造成石灰土強(qiáng)度的逐漸提升。這種強(qiáng)度提升過程總體上變現(xiàn)出先快后慢，后期強(qiáng)度提升反應(yīng)時間較長。素土抗壓強(qiáng)度為317.3 KPa，不同摻灰比石灰土的強(qiáng)度提升在同一齡期時增長幅度相對較小，高摻灰比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升效果在逐漸降低。考慮到工程經(jīng)濟(jì)性，最佳摻灰比應(yīng)控制在4%以上。

3.2 回彈模量

采用承載板法測定各摻灰比石灰土的回彈變形，計算得到各摻灰比石灰土的回彈變形E0，表4為試驗(yàn)結(jié)果，同時對試驗(yàn)結(jié)果做圖1?？梢钥闯觯赝恋幕貜椖Ａ枯^低，石灰土的回彈模量在石灰摻量4%之前大幅提升，6%、8%摻灰比石灰土的彈性模量遞增態(tài)勢不足5%，說明石灰對石灰土回彈模量的提高效果顯著，在低摻量時即可起到強(qiáng)度提升的效果。在摻灰比4%～6%時，石灰土回彈模量的提升幅度最大。

表4 石灰土的回彈模量

圖1 回彈模量與摻灰比的關(guān)系

3.3 壓縮固結(jié)

使用快速固結(jié)法測定石灰土的壓縮性能。在快速固結(jié)法中飽和土的壓縮系數(shù)越大則土越容易被壓縮。試驗(yàn)中土樣的孔隙比e和壓力p組成的e-p曲線斜率為壓縮模量。壓縮模量越大，土的壓縮性越差。在95%壓實(shí)度下，對養(yǎng)護(hù)7d的各摻灰比石灰土的壓縮系數(shù)和壓縮模量進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。素土的壓縮系數(shù)最大，石灰改良土的壓縮系數(shù)均低于素土，摻灰比4%時，石灰土的壓縮系數(shù)最低，石灰土達(dá)到最不易被壓縮的狀態(tài)。石灰土壓縮模量的變化趨勢與壓縮系數(shù)呈相反的狀態(tài)，在摻灰比4%時，壓縮模量為22.7 MPa，土的固結(jié)狀態(tài)最好。

圖2 石灰土的壓縮系數(shù)和壓縮模量

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

結(jié)合工地試驗(yàn)室確定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在4%～6%摻灰量時開展工程應(yīng)用，考慮到工地現(xiàn)場石灰用量不易精準(zhǔn)控制，減少石灰用量過小石灰土強(qiáng)度不夠，現(xiàn)場確定選用推薦摻量上限6%進(jìn)行工程驗(yàn)證，在工地現(xiàn)場選取K92+230-K97+200作為工程試驗(yàn)段。采用的石灰材料技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求?，F(xiàn)場采用路拌法，盡量保證灑水和拌和的均一性，整形碾壓平整。為保證路拌法摻灰比滿足設(shè)計要求，在石灰放樣時盡量控制好堆放間距，沿路線方向均勻堆放。

4.2 現(xiàn)場壓實(shí)度檢測

在K94+300～K94+900路段采用環(huán)刀法進(jìn)行石灰土的壓實(shí)度測試，現(xiàn)場各樁號的測點(diǎn)中壓實(shí)度最高可達(dá)99%，平均壓實(shí)度達(dá)97%，該試驗(yàn)段壓實(shí)度符合現(xiàn)場施工要求。

圖3 工地現(xiàn)場取樣

4.3 彎沉檢測

完成鋪筑后在K96+310、K97+030橫斷面采用貝克曼梁測定路基的彎沉值，按照質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)開展測試，測試結(jié)果見表5，測試結(jié)果滿足評定要求。

表5 現(xiàn)場彎沉測量值

4.4 回彈模量檢測

對試驗(yàn)路K96+310、K97+030橫斷面進(jìn)行不同齡期的回彈模量檢測，檢測結(jié)果見表6。石灰土的回彈模量在7 d時為52.7 MPa和54.1 MPa，28 d時為78.8 MPa和84.3 MPa，石灰土的回彈模量遞增隨齡期增長較為平穩(wěn)，石灰土的回彈模量滿足施工要求。

表6 現(xiàn)場回彈模量檢測結(jié)果

5 小 結(jié)

石灰加入黃土后，由于石灰與黃土發(fā)生火山灰反應(yīng)等物理化學(xué)變化，石灰土的物理性質(zhì)得到有效提高。在摻灰比為6%時，石灰土的回彈模量提升最為顯著，且該摻量下石灰土的壓縮系數(shù)最低，石灰土達(dá)到最不易被壓縮的狀態(tài)。以摻灰比6%進(jìn)行實(shí)體工程驗(yàn)證，根據(jù)現(xiàn)場壓實(shí)度、彎沉值和回彈模量的跟蹤試驗(yàn)檢測結(jié)果，驗(yàn)證了該摻量石灰土能較好改善黃土的工作性能，滿足工程需求。