池育源

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

膨脹土路基所出現(xiàn)的邊坡坍塌、滑溜、擋墻外移等病害，嚴(yán)重影響道路使用質(zhì)量和使用壽命，因此使用膨脹土?xí)r應(yīng)給予足夠的重視，做好防護(hù)與加固工作[1]。膨脹土主要分為由蒙脫石組成為主的高膨脹土和由伊利石和高嶺土為主組成的有限膨脹土。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）通過自由膨脹率Fs將膨脹土分為弱、中和強(qiáng)膨脹土3類：40%≤ Fs＜65%為弱性膨脹土，65%≤ Fs＜90%為中等膨脹土，F(xiàn)s≥90%為強(qiáng)性膨脹土[2]。它們的共同特性都是親水性的土粒呈離散狀態(tài)，高塑性并且對溫度和濕度的變化非常敏感，從而吸水膨脹，失水收縮產(chǎn)生較大的脹縮變形。變形受束縛會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力直至發(fā)生裂縫，發(fā)生更嚴(yán)重的沉降、滑坡等邊坡失穩(wěn)病害?，F(xiàn)階段工程上主要通過在土體中摻加石灰、水泥和粉煤灰來穩(wěn)定膨脹土?？紤]到焚燒飛灰含有類似于前幾種物質(zhì)的固化體，本文依托某二級(jí)公路將使用飛灰與水泥混合對該工程所使用的膨脹土進(jìn)行改良，通過室內(nèi)試驗(yàn)來確定對該工程的最佳飛灰水泥添加量，最終運(yùn)用于實(shí)際工程。

1 膨脹土受干濕循環(huán)影響的直剪試驗(yàn)

膨脹土在經(jīng)過干濕循環(huán)后會(huì)產(chǎn)生裂縫，抗剪性能隨之減弱。在不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，通過直剪試驗(yàn)測定土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角來表征土體抗剪強(qiáng)度的變化。

試驗(yàn)方案：制作6組土體試樣，每組3個(gè)平行試樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取3個(gè)試樣的平均值以減少離散性。取其中5組土體進(jìn)行干濕循環(huán)，一組在20℃溫度，無風(fēng)干燥的條件下靜置。每一次干濕循環(huán)的具體操作為用噴壺往試樣澆水至土體吸水飽和，靜置2 h，把吸水后的試樣放在30℃烘箱里并開吹風(fēng)，直至試樣干燥至澆水前狀態(tài)。用干濕循環(huán)處理后的試樣和自然狀態(tài)土樣做直剪試驗(yàn)時(shí)土體需再澆水至飽和，用來模擬路基在存在水的滲透力的情況下的最不利狀態(tài)。為達(dá)到以上目的需要采用快剪法來進(jìn)行試驗(yàn)，保持孔隙水壓力不變。另外加載的垂直荷載不應(yīng)小于設(shè)計(jì)荷載。經(jīng)過試驗(yàn)測得黏聚力c數(shù)值和內(nèi)摩擦角f數(shù)值如表1以及變化曲線如圖1。

表1 干濕循環(huán)對固結(jié)直剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖1 內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

由表1可知，5次干濕循環(huán)后土的黏聚力指標(biāo)從84.2 kPa降到37.9 kPa，降低了55%；內(nèi)摩擦角指標(biāo)從17.9°降到12.9°，降低了28%，其中以黏聚力指標(biāo)下降更明顯。由圖1試驗(yàn)曲線可知，在經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，兩強(qiáng)度指標(biāo)已變化不大，也就是說明經(jīng)過5次干濕循環(huán)土體的裂縫已經(jīng)充分發(fā)展了，該強(qiáng)度即可作為殘余強(qiáng)度參考指標(biāo)。

2 膨脹土的飛灰處理試驗(yàn)

處理方式是用垃圾焚燒飛灰和水泥當(dāng)作穩(wěn)定劑來穩(wěn)定膨脹土，由于焚燒飛灰中含有大量的二氧化硅，三氧化二鋁和氧化鈣，成分組合和火山灰相似，可與親水土粒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使土體形成一定力學(xué)強(qiáng)度[3]，因此可以與水泥一起固化穩(wěn)定膨脹土，這樣既可以實(shí)現(xiàn)對垃圾焚燒產(chǎn)物的再利用，減少環(huán)境的污染，又能提升膨脹土的物理指標(biāo)，達(dá)到穩(wěn)定路基的目標(biāo)。由于垃圾焚燒飛灰含有大量重金屬，例如鉛、鎘、錳和銅等，還有一定含量的可溶性鹽，所以在使用前必須進(jìn)行水洗預(yù)處理。

2.1 飛灰與水泥的配比試驗(yàn)

作為穩(wěn)定劑的飛灰水泥混合物摻入膨脹土通過固結(jié)等一系列物理化學(xué)作用增加土體的穩(wěn)定性，固結(jié)作用越好，其混合物的抗壓強(qiáng)度也應(yīng)越高[4]，因此以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)選取水泥和飛灰的配比，試驗(yàn)選取了水泥70%，垃圾焚燒飛灰30%；水泥50%，垃圾焚燒飛灰50%；水泥30%，垃圾焚燒飛灰70%三組試驗(yàn)作為對比。養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別3 d、7 d、14 d和28 d，并測試其對應(yīng)強(qiáng)度。

試驗(yàn)方案：垃圾焚燒飛灰水洗時(shí)間為30 min，水灰比25∶1，過濾處理后的飛灰，去掉多余的水分，然后在50℃的烘箱中放置15 h至恒重，把形成的塊狀物敲碎再混合均勻。按照所設(shè)計(jì)的飛灰水泥配比將混合物用水泥砂漿攪拌機(jī)攪拌，攪拌時(shí)間為2 min，加入3%的水再繼續(xù)攪拌5 min，將攪拌好的漿液加入模型制成40 mm×40 mm×60 mm的試塊并進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，并在成型的第3天、7天、14天和28天測量其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。經(jīng)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)如表2。

由表2可以看出，當(dāng)水泥與飛灰的配比為3∶7時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d強(qiáng)度僅為155 MPa；當(dāng)配比為1∶1時(shí)，第28天養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為311 MPa，提高了1倍；當(dāng)配比為 7∶3 時(shí)，28 d 養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為 445.75 MPa，相比 1∶1 配比提高了43%。表明當(dāng)水泥與飛灰配比越高，養(yǎng)護(hù)末期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高，原因是當(dāng)水泥越多時(shí)固化程度越高，但考慮到膨脹土本身強(qiáng)度很高，摻加穩(wěn)定劑主要目的是為了降低膨脹率。但飛灰摻量過高時(shí)，由于飛灰本身遇水會(huì)發(fā)生較大的膨脹變形并且出現(xiàn)裂縫，這樣反而增加了膨脹土的不穩(wěn)定性。經(jīng)過綜合分析決定采用水泥與飛灰的配比為1∶1。

表2 飛灰固化試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2 不同劑量穩(wěn)定劑處治膨脹土試驗(yàn)

對該公路某路段路基膨脹土選取不同劑量的摻加劑進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，膨脹率試驗(yàn)和濕養(yǎng)6 d保水1 d的浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測算。試驗(yàn)取樣穩(wěn)定劑摻量為0%、3%、5%、7%。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 摻加穩(wěn)定劑前后膨脹土物理參數(shù)對比

由表3可以看出，擊實(shí)后的膨脹土膨脹力隨穩(wěn)定劑摻量增加而減少，當(dāng)摻量為7%時(shí)，膨脹力為40 MPa，僅為不加穩(wěn)定劑的15%，自由膨脹率為37%，為不加穩(wěn)定劑的57%。摻入穩(wěn)定劑后膨脹率和收縮系數(shù)都有所減少，并且在摻量為5%的范圍內(nèi)脹縮總率與脹縮系數(shù)隨著穩(wěn)定劑摻量增加而減小，說明穩(wěn)定劑確實(shí)增加了土體的水穩(wěn)定性，且強(qiáng)度大幅增加，減少了裂縫的發(fā)生。當(dāng)摻加量為5%時(shí)膨脹土的脹縮總率為0.16%，脹縮系數(shù)為0.15，接近于0，而且浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.35 MPa，為4組試驗(yàn)中最大值。

在加入穩(wěn)定劑后土體的最佳含水率隨著產(chǎn)量的增加而減少，而最大干密度是先增加后減少，摻量為5%時(shí)達(dá)到最大值1.93 g/cm3，原因是飛灰水泥的密度比膨脹土大，所以最大干密度在一定摻量范圍內(nèi)會(huì)隨著穩(wěn)定劑增加而增大，但是穩(wěn)定劑摻入量過多時(shí)由于其物理化學(xué)作用使土體的孔隙率增大，難以壓實(shí)，所以最大干密度數(shù)值有所下降。綜上，為達(dá)到最佳水穩(wěn)定性和減少裂縫的目標(biāo)，確定穩(wěn)定劑施工摻量為5%。

3 回彈模量實(shí)驗(yàn)

回彈模量是衡量路基承載能力的重要參數(shù)，反映路基在瞬時(shí)荷載作用下恢復(fù)變形的能力。在干濕循環(huán)作用下，膨脹土強(qiáng)度會(huì)減弱，回彈模量也隨之改變?；貜椖Ａ窟^小會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度增加，使工程成本增加。為了探究膨脹土在經(jīng)受干濕循環(huán)后的回彈模量變化規(guī)律，筆者做了在不同循環(huán)次數(shù)下穩(wěn)定劑摻量為0%、3%、5%和7%的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良膨脹土回彈模量 MPa

由表4可知，當(dāng)穩(wěn)定劑摻量一定時(shí)，膨脹土回彈模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而減少。尤其是在第一次干濕循環(huán)后回彈模量下降最快，穩(wěn)定劑摻量為0%時(shí)衰減28%，摻量為3%時(shí)衰減22%，摻量為5%時(shí)衰減18%，摻量為7%時(shí)也是衰減18%。后面幾次干濕循環(huán)衰減程度相對較小，原因是第一次干濕循環(huán)后土體內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂縫，使土體強(qiáng)度大幅下降，后面幾次循環(huán)裂縫發(fā)展緩慢，因此回彈模量數(shù)值衰減變緩。另外摻加穩(wěn)定劑后衰減速度變低，同比降低10%左右。

當(dāng)循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，摻加5%和7%比例穩(wěn)定劑后回彈模量明顯提升，尤其在末期回彈模量數(shù)值趨于穩(wěn)定時(shí)，摻加5%穩(wěn)定劑時(shí)土體回彈模量提升到57.20 MPa，比未摻加穩(wěn)定劑提升了1倍，主要原因是穩(wěn)定劑的固結(jié)作用減少并且延緩了內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，維持了土體強(qiáng)度的穩(wěn)定。摻量7%比例穩(wěn)定劑時(shí)回彈模量相較提升很小，在干濕循環(huán)末期只提升了2.07 MPa，原因是當(dāng)摻量為5%時(shí)，穩(wěn)定劑已經(jīng)和土體充分發(fā)生固結(jié)反應(yīng)，因此提升穩(wěn)定劑摻量對回彈模量的數(shù)值影響很小。

4 工程應(yīng)用及現(xiàn)場檢驗(yàn)

由室內(nèi)試驗(yàn)研究可知，飛灰和水泥穩(wěn)定劑的摻量為5%時(shí)對膨脹土的改良效果最好，因此將該結(jié)論運(yùn)用于該公路，并對該公路的K4+400—K6+970段（挖方段）進(jìn)行取樣進(jìn)行壓實(shí)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，并觀察施工后效果。

4.1 壓實(shí)度檢驗(yàn)

養(yǎng)生60 d后用環(huán)刀法對該路段進(jìn)行壓實(shí)度測量，取樣點(diǎn)間隔50 m，檢測結(jié)果表明平均壓實(shí)度為97%，土樣最低壓實(shí)度為95%，可知該路段壓實(shí)度滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F10—2006）要求（壓實(shí)度大于等于95%）。

4.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度鉆芯取樣檢測

養(yǎng)生60 d后對該路段每隔50 m進(jìn)行鉆芯取樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，土樣平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.27 MPa，強(qiáng)度符合要求。

在膨脹土中摻加5%的飛灰水泥穩(wěn)定劑，施工結(jié)束60 d后路基未發(fā)生明顯沉降，路面平整，在降雨天氣邊坡未出現(xiàn)明顯裂縫。

5 結(jié)論

a）膨脹土吸水膨脹，失水收縮的特性使得邊坡在干濕循環(huán)下出現(xiàn)裂縫并快速發(fā)展，使得土體強(qiáng)度降低并在極限狀態(tài)下發(fā)生失穩(wěn)。

b）添加垃圾焚燒飛灰和水泥混合的穩(wěn)定劑對膨脹土具有良好的穩(wěn)定效果，就該路段而言飛灰和水泥的最佳配比為1∶1，穩(wěn)定劑的最佳摻入量為5%。

c）摻加5%穩(wěn)定劑后使膨脹土回彈模量大幅提升，在4次干濕循環(huán)后能達(dá)到57.20 MPa，并且在干濕循環(huán)條件下回彈模量衰減變緩。