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        高速公路含紅黏土路段路基穩(wěn)定性及改良措施研究

        2022-04-01 23:25:13甘軍玉郭雷劉峰馬吉坤李明宇于文寶張帥
        粘接 2022年2期

        甘軍玉 郭雷 劉峰 馬吉坤 李明宇 于文寶 張帥

        摘 要:針對紅黏土作為路基填料時具有含水量高、液限和塑限值高以及遇水易軟化等特點(diǎn),以某高速公路路基現(xiàn)場紅黏土樣品為研究對象,通過擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)評價(jià)了紅黏土的穩(wěn)定性,并提出了采用固化劑HRT-3進(jìn)行改良的措施。結(jié)果表明:紅黏土的天然承載性能和穩(wěn)定性較差,通過加入固化劑HRT-3能夠很好地提高其承載能力。當(dāng)固化劑HRT-3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,紅黏土的最佳含水率明顯降低;擊實(shí)試驗(yàn)曲線隨含水率的變化趨勢明顯趨于平緩;紅黏土的CBR值指標(biāo)顯著提高,最大值可以達(dá)到55%以上;紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高,經(jīng)過5次干濕循環(huán)試驗(yàn)后其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍能維持在3 MPa以上,改良效果顯著。

        關(guān)鍵詞:高速公路路基;紅黏土;承載性能;改良措施;固化劑

        中圖分類號:U213.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1001-5922(2022)02-0185-05

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,高速公路交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也在不斷的完善,據(jù)統(tǒng)計(jì),到2016年為止,我國的高速公路總里程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了12萬多 km,位居世界第一,這為加快我國全面建成小康社會的進(jìn)程提供了很好的助力。然而我國地域遼闊,在很多高速公路的建設(shè)過程中均會不可避免的穿越一定的紅黏土層,紅黏土由于具有較高的液限值,并且天然含水率較高、孔隙大以及結(jié)構(gòu)性較強(qiáng),極容易遇水膨脹,再加上旱季以及雨季的輪番交替,對高速公路含有紅黏土層的路基容易產(chǎn)生嚴(yán)重的開裂破壞現(xiàn)象,導(dǎo)致其承載性能降低,容易造成高速公路建設(shè)工程的隱患,甚至可能危及行車安全[1-4]。因此,開展高速公路含紅黏土路段路基穩(wěn)定性及改良措施研究具有十分重要的意義。

        目前,針對含紅黏土層路基材料的改良措施主要包括化學(xué)改良和物理改良,其中化學(xué)改良方法是指在紅黏土填料中添加一定的添加劑(如石灰、水泥、礦渣、粉煤灰、固化劑以及其他化學(xué)活性物質(zhì)等),讓填料與添加劑在混合過程中發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生一種或多種新的化學(xué)物質(zhì),對填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充或改變,從而提高紅黏土填料的工程性能,達(dá)到化學(xué)改良的目的[5-10]。水泥和石灰改良紅黏土的研究報(bào)道相對較多,并取得了比較多的研究成果和經(jīng)驗(yàn),在高速公路含紅黏土層路段路基的現(xiàn)場施工中也得到了良好的應(yīng)用效果。而針對固化劑對紅黏土的改良方面的研究及報(bào)道則相對較少,固化劑改良紅黏土通常具有適應(yīng)性強(qiáng)、成型快、強(qiáng)度高、施工簡單以及成本較低的優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)的水泥和石灰等添加劑相比,具有更加廣闊的研究及應(yīng)用前景[11-12]。因此,本文以某高速公路路基中的紅黏土為研究對象,通過擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來評價(jià)含紅黏土路基的穩(wěn)定性,并測定了加入固化劑HRT-3改良措施后紅黏土的性能變化情況,為高速公路含紅黏土路段路基的改良技術(shù)研究提供一定的參考。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 試驗(yàn)材料

        (1)紅黏土:取自于某高速公路路基施工現(xiàn)場,其基本物性參數(shù)見表1;具體礦物組成見表2;

        (2)固化劑HRT-3:實(shí)驗(yàn)室自制,主要成分由激發(fā)劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑、催化劑以及其他電解質(zhì)類物質(zhì)組成,外觀呈黑褐色,pH值測試結(jié)果呈弱堿性,易溶于水。

        1.2 試驗(yàn)方案

        1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

        紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)方法參照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的擊實(shí)試驗(yàn)部分,以含水率和干密度為控制指標(biāo),采用干法和濕法兩種不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

        1.2.2 承載比試驗(yàn)

        紅黏土承載比(CBR)試驗(yàn)方法參照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的承載比試驗(yàn)部分,將制備好的試件浸水飽和4 d,以模擬路基材料在使用過程中的最嚴(yán)苛環(huán)境,在此過程中施加一定的載荷以模擬路面結(jié)構(gòu)在土基上的附加應(yīng)力,考察不同含水量條件下3種不同擊實(shí)功(98擊、50擊和30擊)的CBR值。

        1.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

        紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)部分,在擊實(shí)試驗(yàn)中確定最佳含水量后,制備不同壓實(shí)度的柱狀試件,在恒濕狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)7 d,然后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn),測定試件在每次干濕循環(huán)試驗(yàn)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

        2.1.1 改良措施前紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

        按照1.2.1中的試驗(yàn)方法,測定了紅黏土樣品在不同含水率下的干密度值,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

        由圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在不同含水率時濕法試驗(yàn)獲得的干密度值均明顯小于干法試驗(yàn),在干法試驗(yàn)條件下,最優(yōu)含水率為21.8%,最大干密度為1.75 g/cm3,而在濕法試驗(yàn)條件下,最優(yōu)含水率則為24.6%,最大干密度為1.66 g/cm3。然而由于干法試驗(yàn)過程中使黏土顆粒之間的部分膠結(jié)物質(zhì)受到破壞,使土體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被打破,并且此過程往往不可逆,因此,濕法擊實(shí)試驗(yàn)通常更符合現(xiàn)場施工工況環(huán)境。

        2.1.2 固化劑改良后紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

        按照1.2.1中的試驗(yàn)方法,在紅黏土中摻入不同加量的固化劑HRT-3,然后再測定其在不同含水率下的干密度值,采用濕法工況進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

        由圖2試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著固化劑HRT-3摻量的逐漸增大,最優(yōu)含水率明顯降低,而最大干密度值則有所降低,當(dāng)固化劑HRT-3的摻量為5%時,最優(yōu)含水率可以降低至15.9%,此時對應(yīng)的最大干密度為1.60 g/cm3。另外,固化劑HRT-3的摻量越大,擊實(shí)試驗(yàn)曲線則越趨于平緩,這說明經(jīng)過固化劑HRT-3改良后的紅黏土對路基中含水率變化所產(chǎn)生的影響逐漸減弱,能夠有效降低自然環(huán)境改變所帶來的含水率變化對紅黏土路基穩(wěn)定性的影響,使其能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的工況環(huán)境。

        2.2 CBR試驗(yàn)結(jié)果

        2.2.1 改良措施前紅黏土CBR試驗(yàn)結(jié)果

        按照1.2.2中的試驗(yàn)方法,測定了紅黏土樣品在不同含水率下的CBR值,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

        由圖3試驗(yàn)結(jié)果可以看出,紅黏土試樣的CBR值隨著含水率的逐漸增大呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢,在整個變化過程中,存在一個最佳的含水率使CBR值達(dá)到最大,并且擊實(shí)功越大,CBR值就越大,在3種不同的擊實(shí)功作用下,當(dāng)含水率為21.8%,CBR值均可以達(dá)到最大值。而當(dāng)含水率達(dá)到30%左右時,3種擊實(shí)功作用下的CBR值均小于3%。

        2.2.2 固化劑改良后紅黏土CBR試驗(yàn)結(jié)果

        按照1.2.2中的試驗(yàn)方法,在紅黏土中摻入不同加量的固化劑HRT-3,然后再測定紅黏土樣品在不同含水率下的CBR值,擊實(shí)功選擇為98擊,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

        由圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,紅黏土樣品經(jīng)過固化劑HRT-3改良措施后,其CBR值指標(biāo)明顯提高,并且隨著固化劑HRT-3加量的增大,CBR值增大的幅度越大。當(dāng)固化劑HRT-3的加量大于5%時,紅黏土樣品達(dá)到最大CBR值的含水率可以降低至15%左右,且其CBR值可以達(dá)到55%以上,與未改良前相比,提升明顯。這說明紅黏土中摻入固化劑HRT-3是一種有效的改良措施,能夠顯著提高紅黏土的承載性能。

        2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        2.3.1 改良措施前紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        按照1.2.3中的試驗(yàn)方法,測定了紅黏土樣品在改良措施前的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系,選擇含水率為24.6%,壓實(shí)系數(shù)為0.95,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

        由圖5試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增多,原始紅黏土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸降低,當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次時,紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值由初始的0.82 MPa降低至0.43 MPa,降低幅度達(dá)到47.6%,抗壓強(qiáng)度明顯降低,需要對其進(jìn)行改良以適應(yīng)高速公路路基施工的要求。

        2.3.2 固化劑改良后紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        按照1.2.3中的試驗(yàn)方法,在紅黏土中摻入不同加量的固化劑HRT-3,然后再測定紅黏土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系,選擇含水率為24.6%,壓實(shí)系數(shù)為0.95,試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

        由圖6試驗(yàn)結(jié)果可以看出,與未改良前的紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相似,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大,摻入不同加量固化劑HRT-3改良后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均逐漸降低,但與未改良時相比,其抗壓強(qiáng)度值均明顯提高,并且隨著固化劑HRT-3加量的不斷增大,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸升高,當(dāng)固化劑HRT-3加量大于5%時,紅黏土試件經(jīng)過5次干濕循環(huán)試驗(yàn)后,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值仍能達(dá)到3 MPa以上,改良效果顯著。

        3 結(jié)語

        對高速公路路基中的紅黏土穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià),主要包括擊實(shí)試驗(yàn)、CBR值試驗(yàn)以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),并采用固化劑HRT-3對其進(jìn)行改良,主要得到以下結(jié)論:

        (1)濕法擊實(shí)試驗(yàn)條件下得到的最大干密度明顯低于干法擊實(shí)試驗(yàn),最佳含水率也有較大的區(qū)別,濕法擊實(shí)試驗(yàn)更符合現(xiàn)場施工實(shí)際;固化劑HRT-3改良后紅黏土的最大干密度有所降低,而最佳含水率也明顯降低,并且固化劑HRT-3的摻量越大,擊實(shí)試驗(yàn)曲線則越趨于平緩;

        (2)紅黏土試樣的初始CBR值隨著含水率的逐漸增大呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢,最佳含水率為21.8%,當(dāng)含水率增大至30%左右時,3種擊實(shí)功作用下的CBR值均小于3%;固化劑HRT-3改良后紅黏土的CBR值指標(biāo)明顯提高,當(dāng)固化劑HRT-3的加量大于5%時,紅黏土樣品的最大CBR值可以達(dá)到55%以上,承載性能明顯提高;

        (3)干濕循環(huán)次數(shù)越多,紅黏土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越低,當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次時,紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值降低幅度可以達(dá)到47.6%;固化劑HRT-3改良后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高,并且固化劑HRT-3的加量越大,提升幅度越大,當(dāng)固化劑HRT-3加量大于5%時,5次干濕循環(huán)試驗(yàn)后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值仍能達(dá)到3 MPa以上,改良效果較好。

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