高速公路石灰改良高液限紅黏土試驗(yàn)研究

劉 武

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

紅黏土是指碳酸鹽巖經(jīng)特殊的物理化學(xué)作用后形成的一類特殊性土體，廣泛分布于我國長江以南地區(qū)，尤其在云貴高原、“兩湖”“兩廣”地區(qū)較為常見[1]。我國高速公路建設(shè)發(fā)展越來越快，大量的高速公路需要穿越特殊性紅黏土地區(qū)，深入研究紅黏土的性質(zhì)對工程建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。本文結(jié)合湖南省祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路路基施工，進(jìn)行石灰改良紅黏土試驗(yàn)研究，通過施工石灰改良土試驗(yàn)路，確定了碾壓遍數(shù)、碾壓速度、松鋪厚度、松鋪系數(shù)等各項(xiàng)工藝參數(shù)，用以指導(dǎo)后續(xù)大面積的改良土填筑施工。

1 工程實(shí)例

祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路地處衡陽地區(qū)，該地區(qū)有大面積的紅黏土。室內(nèi)試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)表明，該類紅黏土液限>50%，塑性指數(shù)>26。依據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-T 3610-2019)關(guān)于路基填筑材料的要求，這類高液限土不得直接作為路堤填料，必須采用技術(shù)措施進(jìn)行處理后才能用于高速公路路基填筑。高液限紅黏土天然含水率高，毛細(xì)現(xiàn)象顯著，具有較低的模量與強(qiáng)度和較大的黏性與可塑性，且接觸雨水后能較長時(shí)間保持水分，表現(xiàn)出較低的承載力工程特性，不宜作為路堤填料[2]。

經(jīng)過實(shí)地勘察、取土調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)附近缺乏優(yōu)質(zhì)的路基填筑土源。考慮到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)和就近利用土地資源等因素，宜選擇當(dāng)?shù)丶t黏土作為路基填料。不同地區(qū)紅黏土的顆粒組成、液塑限、水穩(wěn)定性等物理特性和化學(xué)成分有很大區(qū)別，應(yīng)進(jìn)行具體的試驗(yàn)研究和分析加以區(qū)別對待。若改良失敗，將導(dǎo)致高速公路在運(yùn)營過程中存在不均勻沉降、路基軟化塌陷、邊坡垮塌等嚴(yán)重質(zhì)量隱患，從而造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。

目前處理高液限紅黏土的措施主要有物理改性、化學(xué)改良、包邊法三類。物理改性主要是通過摻加砂礫改善紅黏土的液限、塑性指數(shù)以及強(qiáng)度，當(dāng)粗粒料含量>35%～40%時(shí)，可以滿足一般的路基填筑要求?；瘜W(xué)改良是指在紅黏土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等外加劑，使之與土壤發(fā)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)，以改變原狀土的物理力學(xué)性能來穩(wěn)定紅黏土，可有效降低含水率、提高強(qiáng)度，同時(shí)又可降低塑性指數(shù)，提高水穩(wěn)性。包邊法是將強(qiáng)度低、水穩(wěn)性差的高液限紅黏土進(jìn)行隔水封閉，選擇具有良好水穩(wěn)性的低液限土作為外包封閉材料[3]。結(jié)合祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路路基工程，對紅黏土采取石灰改良措施，研究改良前后的物理性能、強(qiáng)度變化，并通過施工石灰改良紅黏土試驗(yàn)路對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2 石灰改良土試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次對紅黏土進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究，包括原狀土的物理性質(zhì)試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，通過物理試驗(yàn)對比分析紅黏土摻石灰前后的液塑限變化和最佳含水率、最大干密度變化；通過改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，對比不同石灰摻比下改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值，確定合理的摻和比[4]。

2.2 原狀土試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的紅黏土原狀土取自祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路K24+700段的取土場。原狀土的物理性能及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)表

2.3 石灰改良紅黏土試驗(yàn)研究

目前處理紅黏土的方法主要是化學(xué)改良，即在原狀土中摻入一定比例的石灰、水泥等外加劑，拌和均勻后與土壤顆粒充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，原狀土的物理力學(xué)性能隨之改變，結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。依據(jù)路基施工規(guī)范，改良濕黏土宜采用磨細(xì)的生石灰粉或者消石灰，石灰顆粒應(yīng)<20 mm，石灰質(zhì)量等級不低于三級標(biāo)準(zhǔn)[3]。試驗(yàn)采用磨細(xì)的生石灰粉，質(zhì)量等級為三級，摻配比例分別為0、3%、5%、7%、9%，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及CBR試驗(yàn)(對應(yīng)96%的壓實(shí)度)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 紅黏土及其石灰改良土的液塑限、擊實(shí)、強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

2.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

在紅黏土摻入石灰過程中，石灰與土壤顆粒充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)使得原來的土結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微細(xì)顆粒的凝絮和絮聚導(dǎo)致原狀土的黏土顆粒形成粒徑較大的粗顆粒，徹底改變了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和壓實(shí)性能。如圖1所示，石灰改良土的最佳含水率明顯大于原狀紅黏土，且隨著石灰摻比增大而增大；石灰改良土的最大干密度明顯小于紅黏土的最大干密度，且隨著石灰摻比增大而減小[5]。摻入石灰后，由于土顆粒的凝聚以及石灰與土的水化反應(yīng)要消耗土中一部分水分，導(dǎo)致改良土的最佳含水率增大，由于石灰的比重小于紅黏土的比重使得改良土的最大干密度減小[6]。

圖1 不同石灰摻比的改良土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對比曲線圖

2.3.2 液塑限試驗(yàn)

摻入石灰后，紅黏土顆粒與石灰之間發(fā)生離子交換，原來的黏性細(xì)顆粒絮聚成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。如圖2所示，隨著石灰摻比的增加，石灰改良土的液限隨之降低，塑限隨之提高，塑性指數(shù)顯著降低。由此可知，高液限紅黏土摻入石灰后，親水性能減弱、水穩(wěn)定性提高，工程性質(zhì)得到改善[7]。

2.3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及CBR試驗(yàn)

如圖3所示，隨著紅黏土中石灰摻比增大，改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值呈現(xiàn)增大的趨勢，石灰摻比增大能顯著影響改良土強(qiáng)度。石灰在摻比<7%時(shí)主要起到穩(wěn)定紅黏土的作用，有效降低紅黏土的高液限和塑性指數(shù)，使其水穩(wěn)定性得到改善，強(qiáng)度明顯提高。但是石灰含量>7%時(shí)，由于過量的石灰沉積在土壤間隙中不參與反應(yīng)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高不再明顯。7%石灰改良土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.64 MPa，能夠滿足≥0.5 MPa的設(shè)計(jì)要求，且CBR值滿足高速公路對于路基路床填料的要求，最終確定最佳石灰摻比為7%[7]。

圖2 不同石灰摻比的改良土液塑限對比曲線圖

圖3 不同石灰摻比對改良土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線圖

3 結(jié)語

根據(jù)室內(nèi)紅黏土改良試驗(yàn)研究表明，在紅黏土中摻入石灰后，有效降低了紅黏土的高液限和塑性指數(shù)，水穩(wěn)定性得到改善，密實(shí)度和強(qiáng)度得到穩(wěn)定，工程性質(zhì)顯著改善。根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，石灰最佳摻比為7%，且CBR值滿足高速公路對于路基路床填料的要求，7%石灰改良土可作為高速公路路基路床的填料?？紤]到拌和時(shí)石灰的損耗，現(xiàn)場施工時(shí)石灰的摻量應(yīng)該比室內(nèi)試驗(yàn)確定的最佳摻量適當(dāng)提高0.5%～1.0%。