水泥改良膨胀土路基施工技术研究与应用

万红波,孙 广,龚 宋,王 晨

(1.中国五冶集团有限公司,四川 成都 610063;2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004)

膨胀土是一种高塑性黏土,主要成分为亲水性蒙脱石和伊利石等矿物。膨胀土具有胀缩性、裂隙性以及超固结性,表现为吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等,性质极不稳定[1]。

在干湿循环过程中,膨胀土内部结构发生变化,土体将会产生大量裂缝。在降雨作用下,水更容易通过裂缝进入土中,使得土体的抗剪强度降低,进而导致膨胀土区域的土路基发生纵裂、沉陷、滑坡等不良病害。为了保证较长时间内道路路基的稳定和路面的平整度,解决因膨胀土造成的工程问题是必要的。

膨胀土的处理方法一般有换填法、改良法和保湿法[2]。其中,改良法在改良土体性质的同时,还可以充分利用土资源,性价比较高,在工程中应用较广。常见的改良材料有水泥、石灰、粉煤灰,水泥因购买容易、价格便宜、水化反应后强度高,更适用于膨胀土的改良。在已有文献研究中,水泥改良土主要集中在干湿循环、强度特性、掺灰量、作用机理、水稳定性、胀缩性等方面[3-6],在实际工程中,水泥改良路基膨胀土的施工技术研究较少,本文以成都市中德智能汽车试验场地项目某路段为依托,针对水泥改良路基膨胀土的施工技术参数进行研究,以期施工质量达到最佳。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验用土取自成都市中德智能网联汽车试验场地某路段膨胀土,根据地质勘察调查报告,土样自由膨胀率为40%～69%,总体呈弱、中膨胀潜势,基本物性参数如表1所示。改良所用水泥采用复合硅酸盐水泥P·C42.5。

表1 弱、中膨胀土物性参数

1.2 试样制备

依据《水泥土配合比设计规程》[7]要求,水泥土配置时,宜采用3种配合比,其中1个配合比的水泥掺入比为基准值,另外2个配合比的水泥掺入比宜比基准值增、减3%,水泥改良膨胀土水泥掺入比基准值确定为5%。为研究不同水泥掺量对膨胀土的影响,确定中膨胀土的水泥掺入比分别为0%、3%、5%、8%、11%,对于弱膨胀土水泥掺量适当降低,水泥掺入比分别为0%、1%、3%、5%、8%。

1.3 施工技术参数研究方法

1.3.1 最佳水泥掺量试验

根据土的塑限制备不同含水率试样,养护24 h后进行轻型击实试验,测定不同水泥掺量水泥改良膨胀土的最大干密度和最优含水率。

制备标准试样,通过室内试验测定无侧限抗压强度、自由膨胀率和压缩系数3个指标,研究不同水泥掺量对膨胀土的强度、自由膨胀率、压缩性的影响,确定最佳水泥掺量[8]。

1.3.2 拌合均匀性试验

由于膨胀土自然含水率较高,为使水泥与膨胀土拌合均匀,本工程采用“一次掺灰”和“二次掺灰”的方法,用旋耕机与拌合机进行拌合,同时采用EDTA(乙二胺四乙酸)滴定法对一段区域的水泥剂量进行检测,根据检测结果的标准差进行水泥拌合均匀性的评定。评定标准差值:中膨胀土为0.7、弱膨胀土为0.5。

由于土的粒径会影响EDTA滴定标准差。当粒径小于20 mm时,水泥拌合的均匀性最好;当混合粒径中最大粒径不超过80 mm、大于20 mm的粒径含量不超过30%且小于5 mm的粒径含量不低于20%时,能满足评定标准差0.7的要求[9]。因此,首先应进行翻耕遍数的试验,确定颗粒均匀性最优时的翻拌遍数。再采用不同掺入方法掺拌水泥,最终通过EDTA滴定试验的标准差确定最佳拌合方式。

1.3.3 碾压遍数对压实度的影响试验

采用控制变量法设计试验,在铺筑厚度为30 cm、碾压速度为5.3 km/h、强振动效果的情况下,研究不同压实阶段不同压实遍数对压实度的影响[10]。

在相似工程中,初压和终压一般采用钢轮静压,复压一般开启振动碾压。按初压、复压、终压的不同碾压遍数采用正交试验对不同压实阶段的不同压实遍数进行研究,初步确定压实遍数。对应试验因素水平如表2所示。

表2 各碾压阶段碾压遍数试验因素水平表

1.3.4 其他因素对压实度的影响试验

1.3.3节的试验主要是在一定条件状况下进行不同压实阶段碾压遍数的初步设计,明确对压实度影响最大的压实阶段,但这一阶段与其他因素对压实度的综合作用不明确。由于影响压实的因素很多,综合考虑碾压遍数与铺筑厚度、压实速度、振动效果不同组合对压实度的作用,采用正交试验,其中施工机械采用自重20 t的单钢轮振动压路机,速度范围为2.6～5.3 km/h,振动分为弱振、强振2个等级,对应试验因素水平如表3所示。

表3 其他因素综合试验因素水平表

2 试验结果与分析

2.1 最佳水泥掺量确定

2.1.1 击实试验

对水泥改良膨胀土进行轻型击实试验,得到不同水泥掺量的最佳含水率,如图1所示。在本试验的水泥掺量范围内,膨胀土的最佳含水率随着水泥掺量增加而逐渐增大。

图1 水泥掺量与最佳含水率关系

2.1.2 自由膨胀率

根据击实试验所得的最佳含水率,制备不同水泥掺量的试样,进行28 d养护,测得改良弱、中膨胀土的自由膨胀率如图2所示,改良膨胀土随着水泥掺量的增多,自由膨胀率在不断减少。在水泥掺量超过5%时,随着水泥剂量的增加,中膨胀土的自由膨胀率减少幅度降低,而对于弱膨胀土,水泥量超过3%时,自由膨胀率减缓速率降低。

图2 水泥掺量与自由膨胀率关系

2.1.3 无侧限抗压强度

根据击实试验所得的最佳含水率,制备不同水泥掺量的试样,进行28 d养护,测得改良弱、中膨胀土的无侧限抗压强度如图3所示。当养护龄期一定时,随着水泥掺量的增加,膨胀土的强度也在不断增大;弱、中膨胀土的水泥掺量分别超过3%、5%时,其各自强度增长幅度相应变缓。当水泥掺量为3%时,弱膨胀土强度大于中膨胀土强度;当水泥掺量为5%时,两者强度相接近,且随着水泥掺量继续增加至8%时,弱膨胀土强度低于中膨胀土。

图3 水泥掺量与无侧限抗压强度关系

造成以上现象的原因可能是弱膨胀土遇水膨胀性低,失水产生空隙少,而水泥过量掺入产生过多水泥水化物,侵入土体,进而产生开裂,外力作用下使得土体呈脆性破坏,造成强度降低。中膨胀土遇水的膨胀性强,有更多空隙可以容纳水化物,使土体内部不易产生开裂,因此其强度大于弱膨胀土[11]。由于水泥的初始水解需要消耗土中的水分,随着水泥掺量的增加,当水泥水化所需水超过土中可消耗自由水的总量时,水泥进一步水化生成的水化产物与土颗粒的反应会消耗吸附水,致使土体干燥收缩,引起土体开裂。这时,水泥掺量的继续增加导致稳定土的收缩性能变差,影响最终的改良效果[12]。

2.1.4 收缩试验

按照不同水泥掺量的最佳含水率制备试件后,进行收缩试验,结果如图4所示,弱、中膨胀土的收缩系数随着水泥掺量的增加逐渐降低,当水泥掺量超过5%时,收缩系数变化不明显。

图4 水泥掺量与收缩系数关系

综上所述,通过自由膨胀率、无侧限抗压强度和收缩试验结论可以得出,水泥的掺入对于膨胀土的性质改善显著,但随着水泥掺量进一步增加,改良效果变化不大。因场地弱、中膨胀土区域难以明确,综合考虑施工经济性及合理性,将5%的掺量作为弱、中膨胀土的最佳水泥掺量,考虑到最不利因素,以改善中膨胀土特性作为后续试验研究对象。

2.2 施工技术参数的确定

2.2.1 均匀性试验

采用不同的水泥掺拌法:一次掺灰法为先用旋耕机翻土,再用拌合机一次性将水泥拌合进入;二次掺灰法为先用旋耕机翻拌膨胀土掺入2%水泥,放置3 d后再用拌合机进行第二次拌合掺入剩余剂量的水泥,自然风干后筛分土颗粒,其结果如图5所示。

a 弱膨胀土

翻拌总次数为5次时(翻耕机4次,拌合机1次),弱膨胀土颗粒尺寸含量满足拌合要求,但中膨胀土中大于20 mm的粒径含量处于临界值,因此综合两者取总翻土次数6次,其中翻耕机5次,拌合机1次作为最佳翻土拌合次数。

在翻拌次数确定的情况下,针对不同水泥掺拌方法的均匀性采用EDTA滴定标准差试验来判定。试验结果显示,采用一次掺拌法的标准差为0.42、二次掺拌法的标准差为0.24,即采用二次掺拌法比一次掺拌法所得改良膨胀土的均匀性好,因此,采用二次掺拌的方法拌合水泥。二次掺拌水泥的施工方法中,应在第一次翻拌后放置3 d,使膨胀土中的水与水泥充分反应初步降低含水率,但要在碾压前保证含水率至少高于最佳含水率的2%,防止施工环境使水分蒸发散失,达不到压实最佳含水率要求,影响压实质量。

2.2.2 碾压遍数初步确定试验

铺筑试验段,对施工碾压遍数进行正交试验,结果如表4所示。由表中极差R值可知,3个因素对压实度的影响大小为振动复压>初压>终压。压实度最佳的初步碾压遍数组合是初压2遍,复压8遍,终压1遍。

表4 碾压遍数正交试验方案与结果

表5为碾压遍数试验结果方差分析,其中应变量为压实度,表中复压的0.010<0.05,与初压、终压相比,复压对于压实度的影响更显著。

表5 碾压遍数试验结果方差分析

结合实际施工,初压主要是在翻土后压实,为复压提供一个良好平整基础工作面,碾压遍数一般较少。振动复压碾压遍数较多,为道路提供作用功最大,是路基压实度形成的主要来源,而终压一般是为了路基达到平整度的要求,碾压遍数较少,所以本次压实遍数的确定较符合工程施工要求,能准确反映压实效果。

2.2.3 其他主要技术参数的确定

由于初压、终压碾压遍数对压实度影响不大,因此进一步考虑复压碾压遍数与碾压速度、铺筑厚度和振动效果这些因素在不同水平条件下对压实度的影响,进一步确定不同压实度下的各因素的最佳施工参数,其他因素正交试验方案与结果如表6所示。

表6 其他因素正交试验方案与结果

由表6可知,不同因素对于压实度的综合影响为:碾压遍数>振动效果>碾压速度>铺筑厚度。最佳压实度组合为:强振效果、碾压8遍、铺筑25 cm、碾压速度为2.6 km/h。对试验结果进行方差分析结果如表7所示,碾压遍数和振动效果的显著性值分别为0.035和0.021,皆小于0.05,两者对于压实度的影响作用显著。

表7 其他因素试验结果方差分析

从实际施工综合考虑,在各参数作用下压实度指标应能达到设计要求,而并非一定要在最佳组合下达到最大压实度值。试验4、6、7、8的组合压实度均满足不小于95%,综合考虑采用试验4(强振、碾压6遍、压实厚度20 cm、速度4 km/h)作为现场施工技术参数进行改良膨胀土施工,养护28 d后,选取3组,每组选6个测点对改良膨胀土的各项参数指标进行检测,结果如表8所示。各个检测指标均满足设计要求,现场施工取得了良好的质量效果,采用该施工技术参数可以对膨胀土进行较好的改良。

表8 改良膨胀土的各检测结果

3 结论

根据项目室内试验结果和模拟现场施工试验段所得施工方法和技术参数,对中德智能汽车试验场地区域内膨胀土进行水泥改良施工,在实际现场施工中取得了较为良好的施工效果,得到如下结论:

(1)旋耕机和拌合机组合施工后测量土质粒径,确定翻拌最佳遍数为翻耕机5次,拌合机1次。在最佳翻拌遍数下,采用EDTA滴定试验标准差评定一次掺灰和二次掺灰法的效果,确定二次掺灰使改良膨胀土拌合均匀性最佳。

(2)采用控制变量法,在碾压速度、铺筑厚度、振动效果一致的状况下,通过正交试验研究不同压实阶段的压实遍数,进行方差分析确定复压阶段对压实度影响最显著,确定不同压实阶段最佳遍数为初压2遍、复压8遍、终压1遍。

(3)研究复压碾压遍数与碾压速度、铺筑厚度、振动效果综合作用下对压实度的影响,结合实际施工经济合理性,确定现场施工参数为初压、终压分别在静压状态下碾压2遍、1遍,复压在强振状态下碾压6遍,压实厚度为20 cm,速度为4 km/h,采用该法进行施工后的膨胀土满足规范的各项指标,取得了较好的效果。