白銀涌, 陳永青,陳宗輝, 孫政

?

生石灰改性膨脹土最佳施工含水率

白銀涌, 陳永青,陳宗輝, 孫政

(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南長沙, 410018)

以益婁高速膨脹土路基改性處理為例, 基于生石灰與熟石灰改性膨脹土的室內(nèi)試驗, 進行試驗結(jié)果的對比, 探討了生、熟石灰改性膨脹土的擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗確定最佳含水率的方法。研究表明: 對比生石灰和熟石灰在擊實試驗中對干密度的影響可知, 最佳含水率下生石灰改性膨脹土的干密度值較大; 當(dāng)摻灰量相同時, 無側(cè)限抗壓強度隨初試含水率的增加先增大后減小, 初始含水率大于最佳含水率3%時無側(cè)限抗壓強度值最大; 對比生石灰和熟石灰對膨脹土無側(cè)限抗壓強度的影響可知, 生石灰改性膨脹土無側(cè)限抗壓強度峰值較大。

生石灰改性膨脹土; 無側(cè)限抗壓強度; 最佳含水率; 擊實試驗

在膨脹土中摻加石灰是廣泛采用的膨脹土改性的主要方式之一[1–3]。規(guī)范[4]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、南水北調(diào)中線工程(河南段)、空軍漢口新機場主跑道等。采用生石灰改性膨脹土包邊法可迅速減少膨脹土的較高的含水量, 提高施工效率。在膨脹土中摻入一定量的石灰對膨脹土進行改性, 即“砂化”, 以此降低其塑性指數(shù)、含水量, 便于粉碎、壓實, 同時降低膨脹土的膨脹量, 提高其強度和水穩(wěn)定性。中、弱膨脹土改性后作為路堤填料在公路建設(shè)中普遍使用, 摻石灰是膨脹土改性處治的常用方法, 許多專家對此進行了廣泛而深入的研究。程鈺等[5]用消石灰作為外摻劑, 進行了2種不同的膨脹土的對比試驗, 研究了不同灰劑量和齡期對膨脹土“團?；弊饔眯Ч挠绊?。對于消石灰改性膨脹土而言, 不同性質(zhì)膨脹土界限含水率的改性效果不盡相同。崔偉等[3]通過對濟南、淄博地區(qū)膨脹土的室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)和石灰改性膨脹土系列試驗的深入分析, 確定了膨脹土的等級, 探究了改性后石灰土的脹縮性、強度與隨石灰摻量的變化規(guī)律從而給出了最佳石灰摻量的參考值。孫志亮等[6]為探討石灰改性膨脹土與紅黏土的強度發(fā)展規(guī)律, 以生石灰與消石灰改性的南陽膨脹土與郴州紅黏土為研究對象, 進行了無側(cè)限抗壓、固結(jié)快速直剪和固結(jié)壓縮試驗的對比, 發(fā)現(xiàn)生石灰改性效果比消石灰改性效果好。由于礦物成分不同, 石灰改性南陽膨脹土的效果比石灰改性郴州紅黏土好。程鈺等[7]在對石灰改性膨脹土的研究中還發(fā)現(xiàn)膨脹土摻石灰改性之后, 其粉粒組的含量顯著增加。此外, 隨著含水率的增加, 擊實功會破壞土的結(jié)構(gòu), 土體重新壓實, 擊實曲線出現(xiàn)了另一個最大干密度的峰值。因此, 擊實曲線表現(xiàn)出不穩(wěn)定的雙峰現(xiàn)象, 從而降低了擊實曲線的實用性及可靠性, 而采用修正濕法得到的擊實標(biāo)準(zhǔn), 相對于濕法更合理。汪明武等[8]通過對膨脹土與石灰改性膨脹土脹縮性的云模型分析, 研究了改性后膨脹土的脹縮改善情況。除了理論研究, 還有邊加敏等[9]、孫萬虎[10]、胡明鑒等[11]對工程實踐中石灰改性膨脹土路基的施工控制參數(shù)、施工工藝以及質(zhì)量控制進行了深入的研究。唐紅恩等[12]通過水泥土處理軟土地基, 包括地基處理的設(shè)計和施工方法、處理效果檢測和建筑物沉降觀測結(jié)果。楊明亮[13]進行了石灰處治膨脹土路基長期性能影響因素試驗, 進一步補充了石灰改性膨脹土的研究。

益陽—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, 總計約164.0萬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。基于上述研究, 本文以益婁高速公路膨脹土路基處理工程為例, 通過對生石灰與熟石灰改性膨脹土的擊實特性以及無側(cè)限抗壓強度對比, 探討了改性膨脹土的最佳施工含水率。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土土樣取自益婁高速公路K32 + 660處, 取土深度為1.0 m左右。新鮮土樣呈灰色、黃色、雜色, 并呈細(xì)小鱗片狀, 有較粗的砂粒。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[14]進行基本物理力學(xué)特性試驗, 得到土樣的基本物性指標(biāo)見表1。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2004)中膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)合表1的試驗結(jié)果, 確定該土樣為中膨脹土。

表1 膨脹土物性指標(biāo)

生石灰中CaO含量為73%(), MgO含量為2.1%(), 為Ⅲ級鈣質(zhì)石灰。摻生石灰6%改良膨脹土的CBR和脹縮總率試驗顯示CBR為8.23%, 脹縮總率為0.66%。結(jié)果滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2004)和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)的規(guī)定, 驗證了生石灰摻量為6%的合理性。

1.2 生石灰與熟石灰改性膨脹土對比試驗方案

試驗地點: 益陽市灰山港鎮(zhèn)益婁高速攪拌站實驗室。

試驗內(nèi)容: 試驗操作均按照規(guī)程[14]進行, 文中生石灰摻量是指生石灰與干土質(zhì)量之比, 生、熟石灰摻量依次為0、3%、5%、7%、9%。按照規(guī)程要求, 進行不同生石灰摻量下膨脹土的擊實試驗指標(biāo)與基本力學(xué)指標(biāo)的試驗, 驗證生石灰改性膨脹土的方法對提高膨脹土力學(xué)指標(biāo)的可行性。

試驗材料: 試驗所用膨脹土、生石灰、熟石灰與1.1中的相同。試件尺寸為直徑4 cm, 高度10 cm。

試驗方法: 分別以6%生、熟石灰改性膨脹土制作試件, 試驗方法執(zhí)行《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)的規(guī)定進行室內(nèi)擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[14]分別進行6%生石灰土樣和6%熟石灰土樣的擊實試驗。通過擊實試驗數(shù)據(jù)(表2)處理, 得到擊實試驗中干密度與含水率關(guān)系, 如圖1和圖2所示。擊實試驗結(jié)果表明: 6%生石灰改性膨脹土的最佳含水率為21%, 最大干密度為1.96 g·cm-3; 6%熟石灰改性膨脹土的最佳含水率為22%, 最大干密度為1.94 g·cm-3。對比生石灰和熟石灰改性膨脹土樣在擊實試驗中對干密度的影響可知, 最佳含水率下生石灰改性膨脹土的干密度值較大。摻入生石灰的膨脹土遇水消解不完全會產(chǎn)生團粒, 使得填料的級配較好, 因此更為密實。

表2 6%生石灰和熟石灰改性膨脹土擊實試驗結(jié)果

圖1 生石灰改性膨脹土擊實曲線

圖2 熟石灰改性膨脹土擊實曲線

表3 生石灰和熟石灰改性膨脹土無側(cè)限抗壓強度

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

用6%生石灰和熟石灰分別改性膨脹土; 按90%的壓實度即干密度為1.82 g·cm-3分別制作2組平行試件。將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護6 d, 浸泡1 d, 然后測定其無側(cè)限抗壓強度。

2組平行試件的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表3, 無側(cè)限抗壓強度與初始含水率的關(guān)系見圖3和圖4。

圖3 無側(cè)限抗壓強度與初始含水率的關(guān)系(摻生石灰)

圖4 無側(cè)限抗壓強度與初始含水率的關(guān)系(摻熟石灰)

由圖3和圖4可知, 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下, 生石灰改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強度峰值點對應(yīng)的含水率為24%, 比擊實曲線所得到的最佳含水率(21%)大3%; 同樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下, 熟石灰改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強度峰值點對應(yīng)的含水率也近似為24%。此外, 對比生石灰和熟石灰對膨脹土無側(cè)限抗壓強度的影響可知, 生石灰改性膨脹土無側(cè)限抗壓強度峰值較大。

3 結(jié)語

本文以益婁高速膨脹土路基改性處理為例, 基于生石灰與熟石灰改性膨脹土的室內(nèi)試驗, 進行試驗結(jié)果的對比, 得到如下結(jié)論: 擊實試驗中, 通過對比生石灰和熟石灰對膨脹土干密度的影響可知, 最佳含水率下生石灰改性膨脹土的干密度值較大, 未消解的生石灰的團粒作用使得膨脹土路基填料級配更好, 更為密實; 無側(cè)限抗壓強度試驗中, 對比生石灰和熟石灰對膨脹土的影響可知, 生石灰改性膨脹土無側(cè)限抗壓強度峰值較大; 當(dāng)摻灰量相同時, 無側(cè)限抗壓強度隨初試含水率的增加先增大后減小。無側(cè)限抗壓強度值最大時, 其含水率比擊實試驗中最佳含水率大3%。生石灰處理膨脹土路基不僅具有較好的改良效果, 而且更為經(jīng)濟。

[1] Kavak A, Akyarl A. A field application for lime stabilization [J]. Environmental Geology, 2007, 51(6): 987–997.

[2] 郭愛國, 孔令偉, 胡明鑒, 等. 石灰改性膨脹土施工最佳含水率確定方法探討[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(3): 517–521.

[3] 崔偉, 李華鑾, 穆乃敏. 石灰改性膨脹土工程性質(zhì)的試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2003, 24(4): 606–609.

[4] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組. 公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTG F10-2006)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[5] 程鈺, 石名磊, 周正明. 消石灰對膨脹土團粒化作用的研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(8): 2 209–2 214.

[6] 孫志亮, 郭愛國, 太俊. 膨脹土與紅黏土石灰改性對比試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2013, 32(z2): 150–155.

[7] 程鈺, 石名磊. 石灰改性膨脹土擊實曲線的雙峰特性研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(4): 979–983.

[8] 汪明武, 李健, 徐鵬, 等. 膨脹土與石灰改良膨脹土脹縮性的云模型評價[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 44(2): 396–400.

[9] 邊加敏, 蔣玲, 王保田. 石灰改良膨脹土路基施工控制參數(shù)[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 34(2): 51–58.

[10] 孫萬虎. 膨脹土路基施工工藝及質(zhì)量控制[J]. 建設(shè)科技, 2012(10): 91–92.

[11] 胡明鑒, 孔令偉, 郭愛國, 等. 襄十高速公路石灰改性膨脹土填筑路基施工工藝和影響因素分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004, 23(z1): 4 623–4 627.

[12] 楊明亮. 石灰處治土膨脹土路基長期性能影響因素試驗研究[D]. 武漢: 中國科學(xué)院研究生院武漢巖土力學(xué)研究所, 2010.

[13] 唐紅恩, 楊宏潤, 肖湘輝, 等. 水泥土攪拌法處理高層建筑軟土地基的試驗研究[J]. 湖南文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 19(02): 79–81.

[14] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組. 公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

(責(zé)任編校:劉剛毅)

Optimum moisture content of the expansive soil modified by quick lime

Bai Yinyong, Chen Yongqing, Chen Zonghui, Sun Zheng

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha410018, China)

Based on engineering background of expansive soil subgrade modification in YI-LOU High-Speed, the comparative analysis of test results is carried out based on the laboratory test of quicklime and hydrated lime-modified expansive soil. The compaction test and the unconfined compressive strength test of raw and expansive lime-modified expansive soil are studied deeply to determine the optimum moisture content. The results are listed as follows: (1) Comparing the effect of quick lime and hydrated lime on dry density in compaction test, it can be seen that the dry density value of quicklime modified expansive soil under optimum water content is larger; (2) When the ash content is the same, the unconfined compressive strength increases first and then decreases with the increase of initial moisture content. When the initial moisture content is more than 3%, the unconfined compressive strength is the higher; (3) compared with the effect of quicklime and hydrated lime on the unconfined compressive strength of expansive soil, it means that the unconfined compressive strength peak value of quicklime modified expansive soil is larger.

lime modified expansive soil; unconfined compressive strength; optimum moisture content; compaction test

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.016

U 416.1

A

1672–6146(2017)01–0070–04

白銀涌, byy351x@163.com。

2016–12–01

湖南省重點學(xué)科建設(shè)項目(2013ZDXK006)。