益娄高速公路膨胀土石灰掺量的试验确定

苏伟, 曾娟娟, 白银涌

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院, 湖南 长沙, 410004)

益娄高速公路膨胀土石灰掺量的试验确定

苏伟, 曾娟娟, 白银涌

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院, 湖南 长沙, 410004)

益娄高速公路从二标至五标、十二标段之间断续分布有厚薄不等、具有弱～中等膨胀性的膨胀土。为了充分利用当地膨胀土, 决定采用掺石灰的方法对膨胀土进行改良, 本文通过室内外试验确定了最佳的掺灰量。首先根据膨胀土的膨胀性、液塑性、强度指标, 通过室内试验初步确定合理掺灰量为5%～6%, 再根据加州承载比(California bearing ratio—CBR)、压实度、胀缩总率指标通过室外试验最终确定合理掺灰量为6%。采用“室内外双控掺灰量”可以充分保证掺灰量的准确性, 使改良土体达到设计要求, 满足路基施工技术规范。

益娄高速公路; 路基填筑; 膨胀土; 掺灰量; 室内外试验

膨胀土主要是有由亲水矿物蒙脱石、伊利石、高岭石等组成的黏性土, 具有明显的吸水膨胀软化、失水收缩干裂的变形特征。正是由于其具有显著的胀缩特性, 常常给膨胀土地区的工程建设造成严重的破坏, 被工程界常称之为“隐藏性灾害”[1]。这种灾害在道路工程中尤为突出, 如路基局部坍塌、隆起或裂隙、路堤边坡表层坍滑及路面出现大幅度随季节变化的波浪变形等工程问题。这些问题严重影响了交通工程的发展, 为此一些专家提出了多种不同的方案来解决膨胀土的胀缩性问题。目前处治膨胀土的方法主要是化学改性, 如掺石灰、水泥、粉煤灰等来稳定膨胀土, 其中最常用、最有效的方法是通过掺石灰进行改良[2]。膨胀土经石灰改良后可降低膨胀土的胀缩性, 提高膨胀土的强度, 成为一种膨胀性极低的普通土。然而对于改良膨胀土掺灰量的确定标准一直没有统一的规定, 各研究者对于掺灰量的确定指标也有着不同的看法: 如余湘娟[2]和高新[3]采用膨胀总率来控制掺灰量; 钱玉林[4]根据自由膨胀率控制掺灰量; 陈新民[5]提出以无侧限抗压强度作为控制指标; 程爱军[6]则提出以石灰土的加州承载比(California bearing ratio—CBR)值和CBR膨胀量作为控制指标等。可见对于改良膨胀土掺灰量的确定并没有统一的标准, 而掺灰量确定的准确性又直接影响膨胀土的改良效果。

针对上述石灰掺量不同的确定标准, 笔者认为不应采取某一个控制指标来确定石灰掺量, 应该考虑多种控制指标进行综合确定, 而且由于膨胀土分布具有地域差异性, 其物理力学特性也因地而异, 因此掺灰量并非某一定值。为了保证益娄高速膨胀土的石灰改良满足公路路基施工技术规范, 本文根据该地区膨胀土的基本特性, 通过室内外试验方法, 依据不同的指标确定合理的石灰掺量。

1 工程概况

益娄高速公路地处大陆第二级阶梯到第三级阶梯过渡带, 途经地区多为山地丘陵, 境内属亚热带大陆性季风湿润气候。益娄高速公路从二标至五标、十二标段之间断续分布有厚薄不等的、具有弱～中等膨胀性的膨胀土, 膨胀土集中分布区域主要在K9+500～K25+300、K26+692～K39+000、K41+600～K41+750、K93+600～K96+280等路段, 且多为挖方, 总计约71.8万m3。

根据《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)规范, 膨胀土不能直接用于路堤填筑。但若不利用当地膨胀土只能远距离借土, 这将增加很多额外的工程费用, 给工程带来很大的不便。为充分利用当地膨胀土, 确保益娄高速公路的路基填筑质量, 必须寻找行之有效的办法对膨胀土进行处治。综合工程经济、环保效益决定采用石灰改良膨胀土, 试验场地选在益娄高速公路K26+700～K26+900路段。

2 试验用土特性

2.1 土样选择

试验用土取自益娄高速公路膨胀土集中分布的4个区域, 即K9+500～K25+300、K26+692～K39+000、K41+600～K41+750、K93+600～K96+280路段。取土坑选择在距地表1～6 m处, 共取回32个代表性试样。取回的试样用保鲜袋及时封闭保存, 以防土壤水分蒸发。

2.2 土样的表观特性

通过观察发现土样的表面特征大致分为A、B、C、D四类情况, 具体描述见表1, 部分土样照片见图1。通过对取回土样的观察, 根据土样的颜色、手摸感、湿水前后的状态, 结合实践经验初步确定为膨胀土。

表1 4类代表性土样土性描述

2.3 膨胀土基本物理特性

项目施工前期阶段, 对取回的32个试样进行了室内物理特性试验, 得到膨胀土的基本物理特性见表2。

表2 32个代表性土样物理特性指数 /%

由表2可知, 32个代表性土样的最大吸湿含水率在3.8%～5.4%之间, 塑性指数在15.2%～39.6%之间, 根据膨胀土的详判指标可以确定该土为膨胀性土。然后在最大吸水含水率和塑性指数的基础上考虑到土的自由膨胀率在30.1%～51.6%, 根据膨胀土的潜势分级可以判定为弱中膨胀土。再根据土的液限在51.8%～68.4%, 可判定为高液限土, 综合上述分析最终确定益娄高速公路的路基土为高液限弱中膨胀土。

图1 部分取样点土样图片

3 室内试验初步确定石灰掺量

3.1 试验材料

膨胀土。益娄高速公路杂乱地分布有弱中膨胀土, 若依据弱膨胀土确定石灰掺量,则中膨胀土的改良效果不能保证, 若依据中膨胀土确定石灰掺量, 可能导致浪费材料。综合考虑施工因素和经济效益, 决定采用弱中膨胀土土质结合后再确定石灰掺量。首先选择A、B、C、D四类弱中膨胀土进行烘干、磨碎、拌匀、筛选, 颗粒粒径≤0.5 mm, 作为试验标准土样; 然后根据试验需要进行试验, 对需要控制含水量的试验要进行拌和闷料8～10 h, 确保土样水分均匀。

石灰。采用生石灰, 化学成分, CaO质量分数为73%, MgO质量分数为2.1%, 为三类钙质石灰。掺灰量分别取0%、3%、5%、7%、9%, 通过对比液塑限、膨胀性指标和强度指标确定合理的石灰掺量, 试验方法执行《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的T0118-2007。

3.2 液塑性联合试验

选取结合后的试验土样, 按掺灰量0%、3%、5%、7%、9%拌合均匀, 再依照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)规定的液塑限联合试验进行操作, 所得结果见图2。通过对比液塑限的变化趋势确定合理的石灰掺量。

通过液塑限联合试验发现: 随着石灰掺量的增加, 液限不断降低, 尤其石灰掺量在0%～5%之间, 当石灰掺量超过5%后, 液限基本不再变化, 甚至有稍许反弹的趋势; 塑限随着掺灰量的增加变化不明显, 石灰掺量小于5%呈稍许下降状态, 大于5%出现稍许的反弹; 塑性指数随着掺灰量的增加不断下降, 尤其石灰掺量在0%～5%之间下降迅速, 然而7%～9%之间出现稍许反弹, 经对比液塑限确定合理的石灰掺量为5%～6%。

图2 不同生石灰掺量下土性指标

3.3 膨胀率试验

配土掺灰同液塑性联合试验一样, 试验方法参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)规定进行操作, 所得结果见图3。通过对比自由膨胀率、无荷膨胀率、有荷膨胀率确定合理的石灰掺量。根据膨胀率试验发现: 随着掺灰量的增加自由膨胀率不断下降, 尤其石灰掺量在0%～5%之间下降迅速, 在5%～9%下降不太明显; 无荷膨胀率在0%～5%之间呈下降趋势, 但在5%～9%却呈现上升态势; 有荷膨胀率呈不断下降趋势, 掺灰量在7%的时候几乎为0。通过对比自由膨胀率、无荷膨胀率、有荷膨胀率确定合理的石灰掺量为5%～6%。

图3 不同生石灰掺量下膨胀性指标

3.4 直剪试验

配土掺灰同液塑性联合试验一样, 试验方法参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)规定中直剪试验步骤进行操作, 所得结果见图4。通过对比黏聚力、内摩擦角确定合理的石灰掺量。

通过直剪试验发现: 随着石灰掺量的不断增加内摩擦角不断增大, 然而当掺灰量达到7%以上时, 内摩擦角几乎没有变化; 黏聚力受掺灰量的影响波动稍大, 在0%～3%之间时黏聚力呈平缓上升状态, 在3%～5%黏聚力呈下降状态, 在5%～7%又成上升状态, 当掺灰量为5%时出现了黏聚力最小的峰值, 而在7%之后又呈平缓下降趋势; 鉴于A、B、C、D这4类土基本上都含砂粒成分, 掺石灰改性后的膨胀土的力学性能主要受到内摩擦角的影响, 因此石灰合理掺量为5%～6%。

3.5 石灰掺灰量的初步确定

液塑性联合试验、膨胀率试验、直剪试验得到了不同掺灰量作用下对应的液塑性指标、膨胀性指标、强度指标。分别分析这3种指标在不同掺灰量下的变化趋势, 根据变化趋势确定每种指标下合理掺灰量。综合考虑这3项指标可初步确定益娄高速膨胀土合理掺灰量为5%～6%。但是由于室内试验与工程实际存在差距, 实际工程中的合理掺灰量为5%或是6%还有待于根据现场施工情况确定。

图4 不同生石灰掺量下强度指标

4 室外试验最终确定石灰掺量

4.1 试验段情况

选取益娄高速公路K26+700～K26+900作为试验路段, 试验路段再分成各100 m的1＃、2＃路段。其中1＃路段为K26+700～K26+800, 掺灰量为5%; 2＃路段为K26+800～K26+900, 掺灰量6%。1＃、2＃路段除了掺灰量不同外, 其他的施工工艺都相同。石灰拌合采用一次路拌法, 在石灰改良土达到最佳含水率时, 采用压路机往复压实5遍。施工过程严格按照《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)操作, 其中5%、6%的掺灰量对应的最佳含水率分别为21%和23%。

4.2 现场CBR试验

室内试验由于配比参数相对精确, 现场路拌配比参数相对粗糙, 这就可能造成室内外承载比存在差异性, 但是路基的承载比最终是由现场施工决定的并作用于整个生命周期, 因此决定采用现场路拌后的改良土进行CBR试验。试验采用3个试件进行对比,采用平均值确定承载比, 所得结果见表3。

通过CBR试验可知, 经过改良后的膨胀土CBR值远远大于我国《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)对CBR的要求值, 承载比均达到了80%以上。胡龙[7]也认为采用5%～8%的生石灰改良膨胀土, 可以大幅提升工程质量, 而且采用6%的生石灰粉对膨胀土处理,可以显著地提高承载比, 这进一步验证了掺灰量选择5%、6%是合理的。从试验数据来看, 5%和6%的掺灰量均满足路基承载比的要求, 但是6%掺灰量所对应的CBR值相对更大, 更能有效地保证路基的承载比。

表3 不同掺灰量的现场路拌土的CBR值/%

4.3 现场压实度试验

路基压实的效果最终是由压实度决定的, 压实度是检验路基压实效果最直接的指标, 在相同的施工工艺条件下, 填土的性质是影响压实度的主要原因。因此决定采用灌砂法来测定不同掺灰量下的压实度, 最终根据压实度来确定准确的掺灰量, 试验结果见表4。

表4 路面下深度0～30 cm处不同掺灰量下的路基压实度/%

通过灌砂法试验测定了在不同掺灰量下的路基压实度, 根据测定结果可知掺灰量6%时, 路基中桩的压实度达到高速公路压实度设计值, 边桩部分范围没有达到压实度设计值, 整个路基的压实度基本在95%以上。根据以往路基施工经验, 路基的压实度很难达到规范设计要求, 程平[8]认为在满足强度和变形要求的条件下, 石灰土的压实度可以低于一般基础层的压实度, 即少于95%的要求; 周葆春[9]也认为压实度控制在95%左右不仅具有较大的刚度与强度, 而且胀缩变形小。通过对比2个试验路段, 不难发现6%的掺灰量明显优于5%的掺灰量, 因此根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015), 确定石灰改良膨胀土的掺灰量应为6%。

4.4 现场胀缩总率试验

《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)和《公路路基施工技术规范》(JTG F30-2006)规定, 掺石灰的最佳配比, 以处理后的膨胀土的胀缩率不超过0.7%为宜。孔令伟[10]也认为, 膨胀土路基施工控制除综合考虑膨胀土的压实度与强度CBR外, 尚需要考虑其胀缩总率的影响。因此, 需要对石灰改性土进行进一步验证, 检验胀缩总率是否满足规范要求, 以便更有效地控制路基施工。

胀缩总率试验试样采用不同试验段、不同掺灰量及不同压实度对应的试样, 具体土样的胀缩总率见表5。

表5 不同掺灰量下现场取土的胀缩总率值 /%

通过现场取土, 测定了2个试验路段不同掺灰量、不同压实度、不同含水率下的膨胀总率值。从表5可知, 6%掺灰量明显优于5%的掺灰量的胀缩总率, 胀缩总率平均值达到0.36%, 小于规范值0.7%近一半; 而5%掺灰量的胀缩总率在规范值的0.7%左右。考虑到施工因素, 掺灰的均匀性、最佳含水率以及压实度都是很难精确保证的, 而这些因素对胀缩总率都有很大影响, 因此为了保证填筑土体的胀缩总率也能够满足路基施工技术规范, 选择6%的掺灰量是最合理的选择。

4.5 石灰掺量的最终确定

最终石灰掺量是根据现场取土进行CBR试验、现场检测压实度、现场取土的胀缩总率试验3个指标共同确定的。由于掺灰量5%、6%都满足承载比的要求, 因此采用路基的压实度确定掺灰量更具有合理性。根据现场的压实度检测数据, 可知6%的石灰掺量比5%的石灰掺量压实度高, 而且总体能达到设计要求, 所以把石灰掺量确定为6%。通过现场取土进行胀缩总率试验, 可知6%的石灰掺量比5%的石灰掺量的胀缩总率要小, 小于规范值0.7%近一半, 故进一步验证了石灰掺量确定为6%是合理的。而且施工过程中, 掺加6%的生石灰可以迅速降低膨胀土的含水率, 从而达到最佳含水率要求, 因此最终确定石灰掺量为6%是合理的。

5 结语

(1) 膨胀土分布具有地域差异性, 导致其基本特性因地而异, 因此掺灰量的确定不能固化采用某一定值, 应根据土质情况进行试验确定。益娄高速公路石灰掺量是在充分掌握该地区膨胀土特性的基础上,通过试验采用多种控制指标综合确定为6%。本试验结果只适用于土质相似地区的膨胀土, 对于土质差异较大的膨胀土地区还需进一步通过试验确定改良土的石灰掺量。

(2) 改良膨胀土的石灰掺量一般都是采用室内试验进行确定的, 但是现场施工的粗放性与室内试验的精准性不接轨。如果以室内试验的结果确定石灰掺量应用于现场施工, 往往导致改良土的压实效果不理想, 因此石灰掺量应采用“室内试验初步确定, 现场试验最终确定”的“双定”指标共同确定, 这种方法更符合工程实际, 保证改良土的压实效果满足设计规范要求。

(3) 关于改良膨胀土石灰掺量的确定方法一直没有统一的标准, 综合研究发现石灰掺量多以膨胀总率、自由膨胀率、无侧限抗压强度、CBR值等某一个指标控制, 这就容易导致石灰掺量因控制指标的不同存在差异性。益娄高速公路根据改性土的膨胀性、液塑性、强度指标的变化初步判定掺灰量, 再根据现场CBR、压实度、胀缩总率指标的变化最终确定掺灰量, 采用多个指标综合控制掺灰量可以充分保证掺灰量的准确性。

(4) 根据室内试验初步确定的合理石灰掺量为5%～6%, 具体选择5%或6%的石灰掺量需根据室外试验进步一确定。通过室外试验发现6%的石灰掺量在承载比、压实度、胀缩总率值上明显优于5%的石灰掺量, 故确定6%的石灰掺量更具有合理性。

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[10] 孔令伟, 郭爱国, 赵颖文, 等. 荆门膨胀土的水稳定性及其力学效应[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(6): 727–732.

(责任编校: 江河)

Determination of the amount of lime improving expansive soil of Yi-Lou highway

Su Wei, Zeng JuanJuan, Bai Yinyong
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South Forestry University of Science and Technology,Changsha 410004, China )

Yi-Lou highway exists a weak-middle expansive soil from two to five and twelve block that present discontinuous distribution between thickness range. In order to make full use of local expansive soil, it is decided to adopt mixing lime. By indoor and outdoor tests, the optimal amount of lime is determined. First of all, according to the expansibility of expansive soil, liquid plastic, intensity index, through indoor test, it is preliminarily determined that the reasonable amount of lime is 5%～6%, and then according to the California bearing ratio (California bearing ratio, CBR), degree of compaction, swell-shrink total rate index by outdoor test, it is eventually determined that the reasonable amount of lime is 6%. The way “inside and outside double control quantity of adding in lime” can fully guarantee the accuracy of the amount of adding in lime, which can make the improvement of soil mass to meet the design requirements and the technical specification for construction of subgrade.

Yi-Lou highway; subgrade filling; expansive soil; the amount of lime; the indoor and outdoor test

U 416

: A

1672–6146(2017)03–0083–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.018

苏伟, 1479506494@qq.com。

: 2017–02–18

湖南省重点学科建设项目(2013ZDXK006)。