長沙機場GTC項目紅黏土綠色生態(tài)改良技術(shù)*

劉加強，蔣 成，陳鏡丞，劉 彪，舒 毅，黃 華

(1.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410114；2.湖南省機場管理集團有限公司，湖南 長沙 410137)

0 引言

紅黏土是一種廣泛存在于我國南方地區(qū)的一類特殊土，具有干縮濕脹大、裂隙發(fā)育、強度劣化、工程敏感性強等特點[1-2]。在季節(jié)性降雨作用下，紅黏土力學(xué)強度迅速劣化，裂隙急劇擴展，極易誘發(fā)翻漿冒泥、基坑路堤失穩(wěn)等工程災(zāi)害[3-4]。工程上一般采用水泥、石灰等傳統(tǒng)膠凝材料改良紅黏土的工程性能[5-6]，并取得良好的改良效果，但傳統(tǒng)膠凝材料具有用量大，嚴重污染當?shù)丨h(huán)境，且改良后土體極易發(fā)生開裂等副作用。

近年來，利用木質(zhì)素、植物纖維及微生物等對紅黏土進行改良已成為工程發(fā)展的趨勢[7-8]。董吉等[9]利用木質(zhì)素纖維改良紅黏土的強度，發(fā)現(xiàn)2%木質(zhì)素摻量下，改良紅黏土的力學(xué)性能最佳，且具有典型的應(yīng)變硬化特征，不具有類似水泥改良土易開裂特征。王連銳等[10]利用巴氏芽孢桿菌和鐵細菌2種微生物固化紅黏土，發(fā)現(xiàn)微生物改良后的土樣密度增加，孔隙比下降，抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度提高，物理力學(xué)性質(zhì)得到極大改善。此外，許多學(xué)者利用堿激發(fā)劑改善紅黏土工程性能，如張瑤丹等[11]采用堿液加固紅黏土，提高其力學(xué)強度，探討在不同溫度、干密度和加固方式下的堿液加固效果。上述研究雖能有效提高紅黏土的工程性能，但這些方法具有污染環(huán)境、成本較高、改良效果不穩(wěn)定等副作用，影響了土體的改良效果。

生態(tài)樹脂類材料是一種有機高分子酯類材料，其分子量大、黏度高、粒徑小[12]，且在自然狀態(tài)下不影響植物的生長，降解后不污染環(huán)境[13]。本文采用生態(tài)樹脂類材料改良長沙地區(qū)的紅黏土，通過無側(cè)限抗壓強度、直剪試驗和干濕循環(huán)試驗探討改良紅黏土的力學(xué)強度變化規(guī)律，并將其應(yīng)用于實際工程。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1)紅黏土

試驗所用紅黏土取自湖南省長沙市黃花鎮(zhèn)長沙機場擴建工程施工現(xiàn)場某處基坑邊坡。經(jīng)篩分試驗得到該紅黏土的粒徑級配曲線，如圖1所示。由圖1可知，<0.075mm的細粒黏粒含量約為23.3%。依據(jù)JTG E40—2007《公路工程試驗規(guī)程》測得其天然干密度為1.32g/cm3，天然含水率為31.7%，液限為53.5%，塑限為32.3%，塑性指數(shù)為21.2，土的相對密度為2.68g/cm3，最優(yōu)含水率為24.2%，最大干密度為1.51g/cm3，自由膨脹率為17.2%，線收縮量為1.89%。經(jīng)XRD分析可得，該地區(qū)紅黏土的主要成分為高嶺石、伊利石、云母、方解石等。

圖1 紅黏土級配曲線

2)生態(tài)高分子材料

本文所用生態(tài)樹脂類材料是一種耐水解改性樹脂類材料，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，形成具有黏附性的乳膠粒，其懸濁液呈淺黃色黏稠狀(見圖2)。干燥后生態(tài)高分子材料具有較好的成膜性，其密度為1.03g/cm3，固含量為36%，粒徑<0.2μm，黏度為50 000～100 000Pa·s，pH值為6.5～7.5。

圖2 生態(tài)樹脂類材料懸濁液

1.2 試驗方案

為分析生態(tài)樹脂對紅黏土力學(xué)性能的增強效果，開展不同摻量、養(yǎng)護時間及干濕循環(huán)作用下生態(tài)樹脂改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度及直剪試驗，具體試驗方案如表1所示。按表1中的試驗方案，分別對0, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%摻量、養(yǎng)護1～7d的生態(tài)樹脂改良紅黏土進行無側(cè)限抗壓強度試驗，并通過SEM揭示其改性機理。

表1 試驗方案

1.3 測試流程

1)試樣制備 將0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%摻量的生態(tài)樹脂加入到干燥的紅黏土中，再加入純凈水配制成含水率為24%的混合物。采用靜壓法分3層制備尺寸為φ50cm×100cm的圓柱形試樣，試樣干密度為1.4g/cm3。試樣制備完成后，將其置于標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d。

2)干濕循環(huán)試驗 將試樣置于三軸飽和器中，再將其放入盛有純凈水的真空飽和缸中真空飽和24h；取出飽和試樣，放于106℃的烘箱中烘干24h，直至試樣完全烘干，此為一次完整的干濕循環(huán)。重復(fù)上述操作，直至完成8次干濕循環(huán)。

3)無側(cè)限抗壓強度試驗 將養(yǎng)護完成的試樣在電液伺服液壓萬能試驗機進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗過程中控制加載速率為1mm/min。

4)直剪試驗 將試樣在四聯(lián)式自動剪切儀上進行直剪試驗，控制其剪切速率為0.8mm/min，當其剪切應(yīng)變超過15%，停止試驗。

5)SEM測試 選取養(yǎng)護齡期7d的原狀紅黏土和摻量2%的改良紅黏土為試驗對象，先將試樣在106℃烘箱干燥后，切割成1cm3立方體試樣，噴金處理后，進行SEM測試。

2 改良材料性能分析

2.1 養(yǎng)護時間對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響

不同養(yǎng)護時間下，生態(tài)樹脂含量對紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響如圖3所示。

圖3 生態(tài)樹脂含量對紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖3可知，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度均隨養(yǎng)護時間的增長而增大。對于原狀紅黏土，隨著養(yǎng)護時間的增長，前5d無側(cè)限抗壓強度增長較快，后期增長緩慢；養(yǎng)護5d后，原狀紅黏土的無側(cè)限抗壓強度可達541kPa，增長約341kPa；養(yǎng)護7d后，其無側(cè)限抗壓強度為560kPa，與養(yǎng)護5d相比，僅增長19kPa。對于生態(tài)樹脂含量為0.5%，1.0%的改良紅黏土，其無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律與原狀紅黏土類似，增長均較緩慢；養(yǎng)護7d后，無側(cè)限抗壓強度的增幅分別為400，430kPa。當生態(tài)樹脂的含量增加至1.5%后，其無側(cè)限抗壓強度增長迅速，養(yǎng)護3，5，7d的無側(cè)限抗壓強度的增幅分別為302，499，580kPa。隨著生態(tài)樹脂含量的進一步增長，其無側(cè)限抗壓強度持續(xù)增長，2.0%，2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土養(yǎng)護7d后的無側(cè)限抗壓強度924，1 083kPa。

2.2 生態(tài)樹脂含量對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響

生態(tài)樹脂含量對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響如圖4所示。

圖4 生態(tài)樹脂含量對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖4可知，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度均隨生態(tài)樹脂含量的增長而增大。若試樣養(yǎng)護0d，改良前、后紅黏土的無側(cè)限抗壓強度幾乎無增長。養(yǎng)護1～7d，隨著生態(tài)樹脂含量的增長，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度先緩慢增長，含量超過1.5%后，無側(cè)限抗壓強度增幅逐漸增大，后趨于穩(wěn)定。以養(yǎng)護5d為例，當生態(tài)樹脂含量<1.0%時，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度增長較小，增長百分比分別為5.0%，7.4%。當生態(tài)樹脂含量為1.5%時，其無側(cè)限抗壓強度增長29.2%。但當生態(tài)樹脂含量>1.5%時，其無側(cè)限抗壓強度急劇增長，2.0%，2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土養(yǎng)護5d的無側(cè)限抗壓強度分別可達837，941kPa。

2.3 生態(tài)樹脂含量對黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響

黏聚力與內(nèi)摩擦角隨生態(tài)樹脂含量的變化曲線如圖5所示。

圖5 黏聚力與內(nèi)摩擦角隨生態(tài)樹脂含量的變化曲線

由圖5可知，養(yǎng)護0d后，改良紅黏土的黏聚力隨生態(tài)樹脂含量的增長快速增大，當生態(tài)樹脂含量為2.5%時，其黏聚力可達61.2kPa，較原狀紅黏土增長28.8kPa。養(yǎng)護3d后，改良紅黏土的黏聚力隨生態(tài)樹脂含量的增長先快速增長后趨于緩慢，2.5%含量生態(tài)樹脂改良紅黏土的黏聚力可達83.2kPa，為原狀紅黏土黏聚力的2.35倍。

養(yǎng)護0d后，改良紅黏土內(nèi)摩擦角為17.6°～22.4°，變化幅度較小。養(yǎng)護3d后，改良紅黏土內(nèi)摩擦角為37.7°～43.6°，變化幅度仍較小。說明同一養(yǎng)護時間下，改良紅黏土力學(xué)性能主要受其黏聚力影響。但與養(yǎng)護0d時的內(nèi)摩擦角相比，各含量的改良紅黏土內(nèi)摩擦角均有較大提升，幅度為 89%～116%。

2.4 干濕循環(huán)次數(shù)對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響

干濕循環(huán)次數(shù)對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響如圖6所示。

圖6 干濕循環(huán)次數(shù)對改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖6可知，改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長而減小。原狀紅黏土初始狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強度為560kPa，干濕循環(huán)8次后，其無側(cè)限抗壓強度為200kPa，降幅達360kPa，強度保持率僅為35.7%。對于2.0%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土，干濕循環(huán)3次后，其無側(cè)限抗壓強度基本保持不變，干濕循環(huán)超過3次后，無側(cè)限抗壓強度逐漸減??；當干濕循環(huán)8次后，無側(cè)限抗壓強度為705kPa，與初始狀態(tài)相比，降幅僅為219kPa，強度保持率可達76.3%，遠大于原狀紅黏土。這主要是由于生態(tài)樹脂在紅黏土中形成黏附性的乳膠粒，使紅黏土顆粒黏結(jié)在一起；此外，干燥后的生態(tài)樹脂在紅黏土內(nèi)部形成具有彈性的膜，進一步約束了紅黏土顆粒。

3 工程應(yīng)用

生態(tài)樹脂改性紅黏土目前已應(yīng)用于湖南省寧鄉(xiāng)市岳寧大道鳳凰山—南田坪公路工程及長沙機場改擴建場內(nèi)道路路基工程中。由于紅黏土改性成本較高，難以用于全幅路基填筑。一般采用紅黏土填筑路基后，再采用2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土對路基進行包邊處理。具體步驟如下。

1)測量放樣 施工前施工路段按20m一個斷面對包邊紅黏土施工邊線進行放樣。

2)下層清理和碾壓 清除下層原地面碎石、雜草、垃圾等，并對其進行整平、灑水、碾壓，待壓實度滿足要求后方可進行下一步施工。

3)臺階開挖 對路基進行分層填筑，即在每層包邊土與紅黏土接頭處采用推土機總線推鏟、局部人工配合的方式開挖臺階，臺階寬度為100cm。

4)填筑布土 利用自卸車將紅黏土運至路基頂部，沿路基縱向開始填筑，內(nèi)芯填筑完后，將包邊土填筑至包邊臺階中，以便后續(xù)推土機推平。

5)整平和壓實 布土后，推土機依據(jù)路基縱坡由高至低進行推進、平整，并利用壓路機進行碾壓，以保證其達到填筑要求。

6)邊坡修整和植被防護 碾壓完成后，及時利用挖掘機對包邊土邊坡進行修整，并進行客土噴播，對路基邊坡進行植被防護。

7)監(jiān)測 布設(shè)監(jiān)測點對路基頂部沉降進行監(jiān)測(見圖7)，監(jiān)測頻率為3d一次，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，路基填筑完成后前期沉降較大，隨著時間的增長，其沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，且監(jiān)測點1，2，3的沉降為15～20mm，沉降較小，完全滿足公路運營要求。

圖7 黃花機場改擴建公路路基工程監(jiān)測點布設(shè)(單位：m)

圖8 路基工程監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

1)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護時間的增長而增大。與原狀紅黏土相比，2.0%，2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土養(yǎng)護7d后的無側(cè)限抗壓強度可分別增長1.65倍和1.93倍。

2)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強度隨生態(tài)樹脂含量的增長而增大，但生態(tài)樹脂含量<1.0%時，其無側(cè)限抗壓強度增長較緩，當生態(tài)樹脂含量≥1.5%時，其無側(cè)限抗壓強度急劇增長。

3)改良紅黏土黏聚力隨生態(tài)樹脂含量的增長快速增大，但其內(nèi)摩擦角的變化較小。因此，生態(tài)樹脂主要是通過增強其黏聚力以提升紅黏土力學(xué)性能。

4)由于生態(tài)樹脂在紅黏土中形成黏附性的乳膠粒，使紅黏土顆粒結(jié)合更緊密，在干濕循環(huán)8次后，其強度保持率仍可達76.3%，遠大于原狀紅黏土的35.7%。

5)采用包邊處理的方式對湖南黃花機場改擴建公路紅黏土路基進行處置，處置完成后180d后最大沉降量約為16.52mm，沉降較小，完全滿足公路運營要求。