唐　煒

(湖南省益婁高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 益陽(yáng)　413000)

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益婁高速公路路基膨脹土物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)研究

唐煒

(湖南省益婁高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 益陽(yáng)413000)

摘要：以益陽(yáng)至婁底高速公路路基膨脹土處治為工程背景，開(kāi)展了路基膨脹土填料的物理力學(xué)特性的試驗(yàn)研究。采用室內(nèi)土工基本物性試驗(yàn)，對(duì)土樣的基本物性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)土樣的膨脹潛勢(shì)進(jìn)行了判別。采用室內(nèi)基本力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)判別為膨脹土土樣的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。針對(duì)益陽(yáng)至婁底高速公路路基膨脹土處治設(shè)計(jì)方案，提出了摻石灰的最佳摻灰比。通過(guò)試驗(yàn)研究，獲得了該高速公路膨脹土的工程特性，為膨脹土路基處治提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路； 路基； 膨脹土； 工程特性； 試驗(yàn)研究

0前言

益陽(yáng)至婁底高速公路從二標(biāo)～五標(biāo)、十二標(biāo)～十三標(biāo)段之間均斷續(xù)分布有厚薄不等的、具有弱～中等膨脹性的膨脹土，且多為挖方，總計(jì)約164.0萬(wàn)m3，其液限和自由膨脹率較高，具有弱～中膨脹土的物理力學(xué)特征。

按現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)[1]規(guī)定，膨脹土不能直接用于路基填筑，若廢棄必將導(dǎo)致大量借土，以及棄土用地的大幅增加，帶來(lái)工程造價(jià)增加及環(huán)保方面的許多問(wèn)題。為合理利用膨脹土，并確保益陽(yáng)—婁底高速公路的路基修筑質(zhì)量，解決膨脹土地帶路基及邊坡的常見(jiàn)病害，必須尋找有效的辦法對(duì)膨脹土進(jìn)行處治和利用，并建立起膨脹土路基修筑施工技術(shù)指南，作為《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)[2]的補(bǔ)充和細(xì)化。

從上述膨脹土分布較為集中的路段，取回32個(gè)代表性土樣，開(kāi)展室內(nèi)基本土工試驗(yàn)。土樣的采集、運(yùn)輸、保管，以及試樣制備等依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[3]進(jìn)行。通過(guò)室內(nèi)土工基本物性試驗(yàn)，對(duì)土樣的基本物性指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)土樣的膨脹潛勢(shì)進(jìn)行了判別。通過(guò)室內(nèi)基本力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)判別為膨脹土土樣的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。針對(duì)益陽(yáng)至婁底高速公路路基膨脹土處治設(shè)計(jì)方案，提出了摻石灰的最佳摻灰比。通過(guò)試驗(yàn)研究，獲得了該高速公路膨脹土的工程特性，為膨脹土路基處治提供參考依據(jù)。

1土樣物性指標(biāo)試驗(yàn)及膨脹性判別

1.1土樣物性指標(biāo)試驗(yàn)

土樣物性指標(biāo)試驗(yàn)包括：含水率試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)等。由于膨脹土判別采取初判和詳判2個(gè)步驟，因而土樣物性指標(biāo)還包括自由膨脹率和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率等2個(gè)指標(biāo)。

32個(gè)土樣中的部分土樣的物性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2土樣膨脹性判別

關(guān)于膨脹土的判別，國(guó)內(nèi)外尚不統(tǒng)一，根據(jù)多年來(lái)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和工程地質(zhì)特征，自由膨脹率大于40%和液限大于40%的黏性土，可初判為膨脹土。將初判為膨脹土的黏性土，根據(jù)自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率、塑性指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行膨脹土詳判。

因此，膨脹土判別試驗(yàn)分為2個(gè)步驟：第1步是測(cè)定32個(gè)土樣的液限、塑限和自由膨脹率，進(jìn)行初步判定；第2步測(cè)定土樣的標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率，通過(guò)自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率、塑性指數(shù)等進(jìn)行詳判。膨脹土的判別試驗(yàn)包括： ①液限、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)； ②自由膨脹率試驗(yàn)； ③標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)。

部分土樣的膨脹潛勢(shì)判別結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土樣物性指標(biāo)及膨脹潛勢(shì)判別結(jié)果土樣號(hào)取樣地點(diǎn)自由膨脹率Fs/%標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率/%塑性指數(shù)判別結(jié)果1K12+00049.04.921.0弱2K12+10041.02.313.1非3K12+50042.02.615.1弱4K17+50053.03.115.2弱5K28+98055.04.740.6中6K29+00053.04.938.9中7K32+66061.56.226.3中8K35+60042.04.916.1弱9K36+50041.05.317.2中10K41+60044.54.425.7弱11K41+70051.64.939.6中

2膨脹土力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)

將判定為膨脹土的土樣，開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、無(wú)荷膨脹率和有荷膨脹率(50 kPa)等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膨脹土土樣的力學(xué)指標(biāo)匯總表土樣號(hào)最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%c/kPaφ/(°)無(wú)荷膨脹率/%50kPa有荷膨脹率/%11.812168.3215.322.370.9421.832067.0216.003.021.0031.852064.2216.263.381.2141.832349.9118.937.60.9151.832249.2017.907.50.9061.852348.4816.428.10.8671.7517106.5710.629.340.7681.832098.2312.6310.020.9891.992451.9219.0712.52.32101.892380.2220.1211.41.56111.681970.3224.673.980.92

3路基膨脹土改良方案

摻石灰是膨脹土改性處治的最有效方法和工程實(shí)踐中最常用的方案[4，5]，在各地相關(guān)專題研究中得到驗(yàn)證?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)[1]也推薦采用石灰改良的方法。成功的案例有：河南內(nèi)鄉(xiāng)至鄧州高速公路[6，7]、廣西南寧外環(huán)高速公路[8～10]、廣西百色至隆林高速公路[11]、湖北襄陽(yáng)至荊州高速公路[12，13]、安徽合肥至六安葉集高速公路[14，15]、空軍漢口新機(jī)場(chǎng)主跑道[16]等。

采用生石灰改性膨脹土包邊法可減少石灰用量，合理利用膨脹土，降低施工成本和難度，加快施工進(jìn)度，基本不影響公路沿線的生態(tài)環(huán)境。工程應(yīng)用情況表明，包邊法是一種施工簡(jiǎn)單、安全性較好、環(huán)保效益較好和對(duì)氣候環(huán)境具有良好針對(duì)性的方法。

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)[2]規(guī)定，石灰摻量必須由試驗(yàn)確定。以中膨脹土為例，探討生石灰改性效果和工程特性，并確定生石灰的最佳摻量。評(píng)價(jià)指標(biāo)為生石灰改性中膨脹土的： ①物理性質(zhì)(液限、塑限和塑性指數(shù))； ②脹縮性質(zhì)(自由膨脹率、無(wú)荷膨脹率和50 kPa有荷膨脹率)； ③強(qiáng)度性質(zhì)(CBR值)。試驗(yàn)方法執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[3]。

試驗(yàn)土樣取自益婁高速公路K32+660處，取土深度為1.0 m，新鮮土樣呈灰色、黃色、白色雜色，并呈細(xì)小鱗片狀，手摸感到有較粗的砂粒，灰白色土手摸有滑膩感，為中膨脹土，其物理力學(xué)指標(biāo)為：液限為59.0%，塑限為34.8%，塑性指數(shù)為24.2，抗剪參數(shù)為：c=49.0 kPa，φ=20.1°，最大干密度為1.79 g·cm-3，最佳含水量為22.0%，自由膨脹率為59.5%，無(wú)荷膨脹率為13.8%，脹縮總率為2.89%，CBR為0.35%。

生石灰摻量的質(zhì)量百分比為：3%、5%、7%和9%。試驗(yàn)用石灰的化學(xué)成分為：CaO含量為78%，MgO含量為3.1%，為III級(jí)鈣質(zhì)石灰。

試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3。

表3 生石灰改良膨脹土試驗(yàn)結(jié)果匯總%石灰摻量液限塑限塑性指數(shù)自由膨脹率無(wú)荷膨脹率脹縮總率CBR059.034.824.259.513.82.890.35350.830.620.241.87.72.01.65539.428.610.816.52.60.93.80739.631.68.012.33.70.38.82939.930.69.39.44.90.19.16

通過(guò)上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生石灰改性膨脹土的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)較天然膨脹土均有明顯改善，特別當(dāng)摻灰率介于5%～7%時(shí)，顯著改善了膨脹土的各項(xiàng)物性指標(biāo)；當(dāng)摻灰量大于7%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)變化不明顯。

當(dāng)生石灰摻量大于5%時(shí)，CBR大于3%，且脹縮總率(50 kPa有荷膨脹率)大于0.7%。因此，無(wú)論在何種壓實(shí)區(qū)下，生石灰摻量都應(yīng)大于6%。

補(bǔ)做生石灰摻量為6%的CBR和脹縮總率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：CBR為4.23%；脹縮總率為0.58%。驗(yàn)證了生石灰摻量為6%的合理性。

因此，益婁高速公路膨脹土路堤包邊方案中，生石灰摻入量取6%是比較合理的?，F(xiàn)場(chǎng)施工要解決的關(guān)鍵技術(shù)則是摻灰工藝、壓實(shí)度和碾壓含水量的控制。

4結(jié)論

在膨脹土物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)中，需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 在天然含水率測(cè)定中應(yīng)注意2個(gè)方面的問(wèn)題：一是土樣采集、運(yùn)輸和保管；二是烘干后應(yīng)立即稱重，否則含水率試驗(yàn)結(jié)果將有3%～5%的誤差。

2) 在液限、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)中，試樣制備對(duì)液限、塑限測(cè)定結(jié)果的精度產(chǎn)生重要影響。土樣制備應(yīng)均勻、密實(shí)，一般應(yīng)制備3個(gè)土試樣，其含水率分別接近液限、塑限、液限與塑限之間。其中含水率接近塑限的土樣對(duì)液限塑限聯(lián)合測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生的影響最大。采用滾搓法(《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)T0119-1993[3])對(duì)塑限進(jìn)行校核。

3) 土樣的制備、量筒容積對(duì)自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果影響較大。在土樣試驗(yàn)制備中，首先是土樣過(guò)篩的孔徑，本實(shí)驗(yàn)采用0.5 mm篩作為標(biāo)準(zhǔn)，四分法和標(biāo)準(zhǔn)烘干法(烘干溫度為105～110 ℃)制備土樣。量筒容積100 mL測(cè)定的結(jié)果大于50 mL測(cè)定的結(jié)果。

4) 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)中，土樣尺寸、土樣的自然狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響。本實(shí)驗(yàn)選用6 h內(nèi)變形不超過(guò)0.01 mm作為無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。有荷膨脹率試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)則是在2 h內(nèi)讀數(shù)差不超過(guò)0.01 mm，并且應(yīng)測(cè)定試驗(yàn)前后的含水率，防止產(chǎn)生假穩(wěn)定。

在石灰摻量試驗(yàn)研究中，由于石灰摻量大于6%時(shí)，脹縮總率才小于0.7%，因此，益婁高速公路膨脹土路堤包邊方案中，無(wú)論在何種壓實(shí)區(qū)下，生石灰摻量都應(yīng)大于6%?，F(xiàn)場(chǎng)施工要解決的關(guān)鍵技術(shù)則是摻灰工藝、壓實(shí)度和碾壓含水量的控制。

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中圖分類號(hào)：U 416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0022-03