石灰改良膨胀土在路基填筑中的应用

2014-12-25 09:19:22梁玉明
交通运输研究 2014年18期
关键词:液限黏粒膨胀率

梁玉明

(新疆交通建设管理局项目执行二处,新疆 乌鲁木齐830002)

膨胀土是一种对环境湿度变化敏感,由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成,具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性等特性的一种高塑性泥土。在一般情况下,膨胀土强度较高,压缩性较低,但当土中含水量变化时,膨胀土有发生胀缩变形的特性,是一种在高速公路建设中不可忽视的不良地基土。造成高速公路病害的主要因素有沉陷变形、滑坡、溜塌、纵裂、坍肩等。因对膨胀土膨胀能力估计不足而造成公路病害的损失是相当惊人的。

1 工程概况

十天高速鄂陕界至安康段是国家高速公路十堰至天水联络线(G7011)陕西境的重要一段,是陕西省“2367”高速公路规划网东西横向主轴线的重要组成部分。A—CD49 合同段起于汉滨区张滩镇石门村(K108+100),终于汉滨区新城办九里村(K113+100),全长5km,设计时速80km/h。本合同段挖方为228.5 万m3,填方88.1 万m3。其中K108+600~K109+900 段为高液限、高塑性、高含水量的膨胀土。该段挖方量为79.1 万m3,填方量为68.4万m3(含安康东服务区)。将该膨胀土作为路基填料是最经济的,然而如果不加任何处理直接利用,则会对高速公路造成严重的破坏。对K109+000 取土场膨胀土指标进行分析,从自由膨胀率、粘粒含量等指标来看,土样属于中等膨胀土;但从CBR 线膨胀率来看,土样为强膨胀土;从塑性指标看,土样为高液限黏土,具有较差的水稳性。从现场土样结构看,土样为红色,黏土中有较多粉砂,易风化为碎砾石。通过以上分析判断,取土场土样为中强膨胀土。

2 膨胀土改良方案比选

根据经验,为解决高速公路膨胀土路基填筑问题,降低其对公路工程建筑的危害,通常采取以下几种方法。

2.1 换填法

借土填筑是该段路基膨胀土处理中简单而有效的方法。即挖除膨胀土,换填非膨胀土或砂砾土。本合同段路基填筑中,若采取换填法则需进行较大规模的挖方,将产生大量的弃土且需大量取土填筑,经济性和环保性均较差。

2.2 湿度控制

湿度控制法包括水稳定法和预湿法两种,其作用机理是通过人工措施减少路基含水量受外界环境的影响,进而控制膨胀土含水量的变化。常用的方法为土工布包封法,此方法将膨胀土与外界大气隔绝开,从而减少膨胀土内部水分的变化。

2.3 改良处理

改良处理即利用水泥、石灰等材料与膨胀土之间的化学作用和物理作用来改变膨胀土的性能,从而达到提升膨胀土强度和水稳定性的目的。其中,石灰的固化作用是由于盐基交换、次生碳酸钙的胶结性、黏土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、铝酸钙等新矿物而产生的,其作用主要体现在改善膨胀土力学性能和降低其塑性指数方面。

石灰改良膨胀土技术作为路基土质改良方法之一,近年来应用十分广泛。石灰作为膨胀土的改性材料有很多优点:改性效果明显,消除胀缩性和提高强度两者兼得;石灰改良膨胀土作为一种稳定固化土,具有较高的承载力、抗剪强度和良好的水稳定性。由于石灰资源丰富,成本较低,且石灰改良土能显著提高土工结构的可碾压含水量,可有效缩短施工周期。因此,采用石灰改良膨胀土做路基填料,见效最快、最有效,而且费用最低,因而本工程的膨胀土处理采用石灰改良的方案。

3 石灰改良膨胀土的机理

3.1 离子交换作用

在土中水作用下,生石灰迅速消解,产生Ca(OH)2,进一步离解出Ca2+、Mg2+和OH-、Ca2+、Mg2+,很容易置换膨胀土中颗粒所吸附的K+、Na+等离子。二价钙镁离子结合水膜较薄,能使膨胀土的分散性、坍塌性、亲水性和膨胀性降低,塑性指数下降并容易稳定成型,形成早期强度。

3.2 碳酸化作用

Ca(OH)2和Mg(OH)2在土中会不断和空气中的CO2反应,生成CaCO3和MgCO3坚硬的固体颗粒,具有较高的强度和水稳性,由于CaCO3对土体的胶结作用使得土体形成石灰稳定土。经过长期化学作用,会体现出石灰土的后期强度。

3.3 凝胶反应

离子交换反应后期,随龄期增长,膨胀土中的硅酸、铝酸将与石灰进一步反应形成含水硅酸钙、碳酸钙。这两种材料能在水环境下发生硬化,在膨胀土的粘粒外围形成稳定的保护膜,具有很强的粘结力,形成网状结构,从而提升石灰强度并保持稳定。与此同时,保护膜还有隔离水分、提升膨胀土水稳定性的作用。

3.4 结晶作用

石灰渗入膨胀土后,由于溶解度较小,除了离子交换和碳酸化作用以外,绝大部分的氢氧化钙以结晶水的形式析出,进而有效提升了膨胀土的水稳定性和强度。

4 石灰改良膨胀土试验分析

本工程路基施工前,通过试验对石灰改良膨胀土的基本物理强度、力学性能及胀缩性等问题进行了分析,对不同参量对膨胀土性质的影响及相应的变化规律进行了研究,并对改良土的CBR特性进行了试验分析,结果如下。

4.1 界限含水量

在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%、6%、8%计量的石灰后得出液塑限数据如表1 所示,液限、塑性指数变化如图2所示。

表1 土样液塑限试验结果

图1 液限、塑性指数变化示意图

由以上数据可以看出:两个土场的膨胀土在外掺石灰后其液限和塑性指数都发生了很大的改变:液限含水量有明显下降,塑性指数减小至6%左右,大大改善了膨胀土的水稳定性,降低了膨胀土中土粒对液相水的灵敏性。从灰剂量角度看,随着灰剂量的增加,液限和塑性指数都在降低,但在灰剂量达到5%之后若再增大含量,其对膨胀土的界限含水量指标改善不再明显。较高灰剂量(8%)对于改善膨胀土的液塑限性质已不太明显。

4.2 黏粒含量

在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%、6%、8%计量的石灰后得出黏粒含量数据如表2所示,黏粒含量变化如图2所示。

表2 黏粒含量试验结果

由以上分析可知,对膨胀土进行改良后,在灰土联接作用下,土体的粒度成分发生了明显变化,黏粒大幅度减少。

图2 黏粒含量变化示意图

4.3 自由膨胀率

在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%、6%、8%计量的石灰后得出自由膨胀率数据如表3所示,自由膨胀率变化如图3所示。

表3 自由膨胀率试验结果

图3 自由膨胀率变化示意图

从表3中可以看出,掺加消石灰之后膨胀土的自由膨胀率明显下降,由原来的60%以上下降到30%以下。随着灰剂量的增加自由膨胀率都出现了先下降后升高的趋势,在较低灰剂量(4%~6%)时各土样的自由膨胀率都在30%左右,在灰剂量达到8%后,灰土的自由膨胀率反而有所升高。

4.4 承载比

在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%计量的石灰后得出CBR线膨胀率数据如表4所示。

表4 CBR试验结果

线膨胀率与浸水CBR 之间存在很好的负相关性,随着CBR 的增加,线膨胀率不断减小。掺消石灰之后,CBR 值显著提高,甚至是原来的40 倍以上,且与膨胀率呈负相关。这说明在膨胀土中掺石灰之后,经过膨胀土与石灰发生一系列的化学、物理反应,从根本上改变了膨胀土的性质,从而达到降低膨胀性、提高CBR 的目的。

5 结语

本文根据以上试验结果,同时结合工程实际情况,制订了石灰改良膨胀土路基施工方案。截至目前,该段路基工程已建成通车,通过观察,路基质量稳定,完全达到设计及施工的安全要求,为利用石灰改良膨胀土填筑路基提供了非常成功的施工经验。

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