市政道路項目路基改良紅黏土試驗研究

何宏進(jìn)

（長沙市湘行交通建設(shè)管理有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

紅黏土是一種特殊土壤，裂隙及液限均較高，因具有遇水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，難以用于填土施工，力學(xué)性能亦存在不足。為獲取改良紅黏土填筑的相關(guān)數(shù)據(jù)，于某市市政道路施工現(xiàn)場采集土壤樣本，通過系列試驗研究改性紅黏土力學(xué)性能受生石灰質(zhì)量比、含水率的影響情況。根據(jù)試驗結(jié)果對該市市政道路施工提出有針對性的建議。

1 材料基本物理性能

我國南方地區(qū)濕熱多雨，廣泛分布紅黏土，為研究紅黏土作為市政道路路基填筑存在的問題，采集國內(nèi)南方某市市政道路施工現(xiàn)場的紅黏土樣本，對其物理性能進(jìn)行測定。表1為試驗測定的物理性能詳細(xì)情況，選擇土壤樣本是高液限紅黏土。再者，通過篩分顆粒試驗結(jié)果可知，含黏粒量約為52.3%，因此紅黏土的液限較高，表2為采集土壤樣本各礦物質(zhì)組分情況。開展系列試驗所使用的生石灰粉，有效成分為氧化鎂、氧化鈣，含量分別為4.1%、72.4%[1]。

表1 土樣的基本物理性能

表2 紅黏土的礦物含量

2 室內(nèi)試驗研究

為實現(xiàn)摻入生石灰改性后的高液限紅黏土的最佳性能，進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗，根據(jù)試驗變化規(guī)律以確定最優(yōu)的生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

壓實紅黏土的重要參考指標(biāo)為素土的最大干密度及最佳含水率，實踐中使用此試驗獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，圖1為試驗結(jié)果。制樣分兩種形式，干法和濕法。

通過干法測定最優(yōu)含水率為30.6%，最大干密度是1.54g/cm3；通過濕法測定最優(yōu)含水率為32.1%，最大干密度為1.43g/cm3。對比兩種方法測定結(jié)果可知，濕法測定的最優(yōu)含水率大于干法測定的結(jié)果，濕法測定的最大干密度小于干法測定數(shù)值[2]。

紅黏土中黏土礦物含量較多，因自然沉降作用，該礦物結(jié)合大量水分，使用干法需將土樣置于烘箱中脫水，該過程破壞了土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相較于干法，濕法則不存在上述問題，土樣的結(jié)合水對測定結(jié)果不造成影響。

2.2 直剪試驗

根據(jù)上述試驗結(jié)果，初步確定改良紅黏土施工所需含水量的范圍。工程實踐發(fā)現(xiàn)，干法獲取的結(jié)果與實際壓實度相比，難以滿足需求，因此以濕法試驗測定結(jié)果為準(zhǔn)，即含水率為32.1%。設(shè)計5 種不同含水率，從小到大分別為28%、30%、32%、34%、36%，按照質(zhì)量計算分別摻入生石灰粉，摻入量分別為0、4%、8%、12%、16%，然后均勻攪拌制作試樣，準(zhǔn)備試驗。

研究紅黏土路基填料強(qiáng)度，進(jìn)行測試分析，測試儀器選擇ZJ-4 四聯(lián)直剪儀，能夠測試50～400kPa 范圍內(nèi)的應(yīng)力，因淺層路基應(yīng)力較小，試驗選擇四種加荷方案，分別為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，嚴(yán)格控制剪切速度，實踐中該速率維持在0.8mm/min 左右，表3和表4所示為具體試驗結(jié)果[3]。

表3 摻灰量不同和含水率不同影響?zhàn)ぞ哿Φ脑囼炃闆r

表4 摻灰量不同和含水率不同影響內(nèi)摩擦角的試驗情況

分析表3和表4可知，紅黏土中加入生石灰對其影響較大，改善較為顯著。相對初始條件下的紅黏土性能，最大可提升黏聚力17%～42%，初始內(nèi)摩擦角為35.38o，經(jīng)改性后提升至37.45o。隨著摻入生石灰量的增加，無論內(nèi)摩擦角或黏聚力，均相應(yīng)增加，直至摻入生石灰量達(dá)到16%時，內(nèi)摩擦角、黏聚力顯著下降。綜上可知，摻入生石灰量在0～12%時，摻入量與內(nèi)摩擦角、黏聚力呈正相關(guān)關(guān)系，即增加生石灰摻入量，內(nèi)摩擦角、黏聚力隨之增加，減少生石灰摻入量，黏聚力、內(nèi)摩擦角隨之降低。

分析表3和表4可知，改良紅黏土的剪切性能亦受到含水率的影響，影響情況與擊實試驗相當(dāng)。當(dāng)摻入較少量（4%）的生石灰時，在OMC 附近出現(xiàn)剪切參數(shù)（c 和φ）變化的最大峰值，隨著增加生石灰的摻入量，2 個剪切參數(shù)變化情況幾乎相同，但最優(yōu)含水率出現(xiàn)一定的變化，由34%增大至36%。

2.3 CBR 試驗

在路基設(shè)計中，加州承載比CBR 值應(yīng)用更廣泛。國家現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)定，路基填料最小值CBR 值不應(yīng)低于3%，如CBR 超過8 則各等級均滿足。根據(jù)上述試驗結(jié)果，分別按照摻入0、4%、8%、12%、16%生石灰制備CBR 試件，靜置4 天后，對試件進(jìn)行檢測，分別讀取CBR 值，圖2為具體結(jié)果。

通過圖2的數(shù)據(jù)變化情況可知，隨著摻入生石灰數(shù)量的不斷增加，能夠顯著改善紅黏土的CBR 值。當(dāng)摻入8%～12% 的生石灰時，測試試件的飽和土樣CBR 值最高，強(qiáng)度遠(yuǎn)超素土強(qiáng)度，高達(dá)15.3 倍。這一試驗結(jié)果表明，經(jīng)改性后的紅黏土CBR 值完全符合國家規(guī)定的公路路基填筑標(biāo)準(zhǔn)。綜合分析CBR 試驗、直剪試驗，表明在增強(qiáng)紅黏土強(qiáng)度方面，生石灰（量）存在最優(yōu)值，若想獲取最佳的強(qiáng)度，需嚴(yán)格控制摻入的生石灰量，保持在8%～12%之間[4]。

2.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

紅黏土路基填料經(jīng)改良后，通過測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，詳細(xì)了解改良情況，明確改良效果，決定是否應(yīng)用于路基填料施工。為了解生石灰改良紅黏土過程中不同含水量的影響情況，研究了摻入生石灰量12%的情況[5]。

試驗的具體過程如下：其一，通過擊實試驗對最優(yōu)含水率OMC 環(huán)境下的改良土干密度進(jìn)行測定，獲取干密度數(shù)據(jù)；其二，使用靜壓成型方法制備圓柱體土樣，壓實度主要有5 種，分別為90%、92%、94%、96%、98%，然后科學(xué)養(yǎng)護(hù)一周的時間；其三，使用UTM 伺服材料機(jī)開展無側(cè)限加載試驗，速度控制在1mm/min。圖3為試驗的具體結(jié)果和相關(guān)情況[6]。

通過上述抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果可知，含水率不同、壓實度不同，對應(yīng)的強(qiáng)度大小亦不相同。試驗發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：其一，不斷增加壓實度，可以顯著提升改良紅黏土的抗壓強(qiáng)度，其中最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.0MPa，由此可以判定，改良紅黏土的性能受壓實度影響較大；其二，通過含水率與強(qiáng)度變化情況可以得知，紅黏土中摻入12%的生石灰，最優(yōu)含水率為34%～36%。

3 施工壓實控制的討論

此次試驗為路基填筑做重要支撐，根據(jù)試驗結(jié)果，得出壓實控制結(jié)論如下：

其一，從含水率角度來看，使用紅黏土填筑市政道路路基施工，為了得到最優(yōu)含水率，可以使用濕法擊實，得出的含水率更具參考意義。

其二，根據(jù)改良試驗結(jié)果可知，使用生石灰改良紅黏土存在最優(yōu)含水率，介于OMC+2%～OMC+4%之間。因施工過程中存在水分流失，考慮這一外界影響因素，建議使用改良土填筑路基施工時，最適宜的含水率為OMC+4%，能夠獲得更好的填筑路基質(zhì)量和效果。

其三，使用生石灰改良紅黏土的相關(guān)性能，不能無限增加生石灰摻入量，應(yīng)嚴(yán)格控制摻灰量，經(jīng)試驗可知，最佳的生石灰摻入量為10%，最大摻入生石灰量不能超過12%，否則會起到反作用。

其四，經(jīng)探析紅黏土改良后強(qiáng)度變化情況可知，紅黏土改良性能并不隨著生石灰摻入量的增加而無限增強(qiáng)，經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，高液限紅黏土摻入生石灰量最佳為8%～12%，嚴(yán)禁多摻入生石灰[7]。

4 結(jié)語

試驗顯示，濕法擊實測定的最大干密度小于干法擊實測定數(shù)值，綜合紅黏土實際特性，分析填筑路基施工實際，選擇最優(yōu)含水率參考值時，建議使用濕法擊實法；使用生石灰改良紅黏土相關(guān)性能，最佳的生石灰摻入量為10%，最大摻入生石灰量不能超過12%；根據(jù)改良試驗結(jié)果可知，使用生石灰改良紅黏土存在最優(yōu)含水率，介于OMC+2%～OMC+4%之間，因施工過程中存在水分流失，考慮這一外界影響因素，改良土填筑路基施工時，建議適宜的含水率為OMC+4%，對比OMC 條件下碾壓，不僅保證了實際效果，還能提升施工效率。