萬紅波,孫 廣,龔 宋,王 晨

(1.中國五冶集團有限公司,四川 成都 610063;2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

膨脹土是一種高塑性黏土,主要成分為親水性蒙脫石和伊利石等礦物。膨脹土具有脹縮性、裂隙性以及超固結(jié)性,表現(xiàn)為吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等,性質(zhì)極不穩(wěn)定[1]。

在干濕循環(huán)過程中,膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,土體將會產(chǎn)生大量裂縫。在降雨作用下,水更容易通過裂縫進入土中,使得土體的抗剪強度降低,進而導(dǎo)致膨脹土區(qū)域的土路基發(fā)生縱裂、沉陷、滑坡等不良病害。為了保證較長時間內(nèi)道路路基的穩(wěn)定和路面的平整度,解決因膨脹土造成的工程問題是必要的。

膨脹土的處理方法一般有換填法、改良法和保濕法[2]。其中,改良法在改良土體性質(zhì)的同時,還可以充分利用土資源,性價比較高,在工程中應(yīng)用較廣。常見的改良材料有水泥、石灰、粉煤灰,水泥因購買容易、價格便宜、水化反應(yīng)后強度高,更適用于膨脹土的改良。在已有文獻研究中,水泥改良土主要集中在干濕循環(huán)、強度特性、摻灰量、作用機理、水穩(wěn)定性、脹縮性等方面[3-6],在實際工程中,水泥改良路基膨脹土的施工技術(shù)研究較少,本文以成都市中德智能汽車試驗場地項目某路段為依托,針對水泥改良路基膨脹土的施工技術(shù)參數(shù)進行研究,以期施工質(zhì)量達到最佳。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自成都市中德智能網(wǎng)聯(lián)汽車試驗場地某路段膨脹土,根據(jù)地質(zhì)勘察調(diào)查報告,土樣自由膨脹率為40%～69%,總體呈弱、中膨脹潛勢,基本物性參數(shù)如表1所示。改良所用水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥P·C42.5。

表1 弱、中膨脹土物性參數(shù)

1.2 試樣制備

依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》[7]要求,水泥土配置時,宜采用3種配合比,其中1個配合比的水泥摻入比為基準(zhǔn)值,另外2個配合比的水泥摻入比宜比基準(zhǔn)值增、減3%,水泥改良膨脹土水泥摻入比基準(zhǔn)值確定為5%。為研究不同水泥摻量對膨脹土的影響,確定中膨脹土的水泥摻入比分別為0%、3%、5%、8%、11%,對于弱膨脹土水泥摻量適當(dāng)降低,水泥摻入比分別為0%、1%、3%、5%、8%。

1.3 施工技術(shù)參數(shù)研究方法

1.3.1 最佳水泥摻量試驗

根據(jù)土的塑限制備不同含水率試樣,養(yǎng)護24 h后進行輕型擊實試驗,測定不同水泥摻量水泥改良膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率。

制備標(biāo)準(zhǔn)試樣,通過室內(nèi)試驗測定無側(cè)限抗壓強度、自由膨脹率和壓縮系數(shù)3個指標(biāo),研究不同水泥摻量對膨脹土的強度、自由膨脹率、壓縮性的影響,確定最佳水泥摻量[8]。

1.3.2 拌合均勻性試驗

由于膨脹土自然含水率較高,為使水泥與膨脹土拌合均勻,本工程采用“一次摻灰”和“二次摻灰”的方法,用旋耕機與拌合機進行拌合,同時采用EDTA(乙二胺四乙酸)滴定法對一段區(qū)域的水泥劑量進行檢測,根據(jù)檢測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差進行水泥拌合均勻性的評定。評定標(biāo)準(zhǔn)差值:中膨脹土為0.7、弱膨脹土為0.5。

由于土的粒徑會影響EDTA滴定標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)粒徑小于20 mm時,水泥拌合的均勻性最好;當(dāng)混合粒徑中最大粒徑不超過80 mm、大于20 mm的粒徑含量不超過30%且小于5 mm的粒徑含量不低于20%時,能滿足評定標(biāo)準(zhǔn)差0.7的要求[9]。因此,首先應(yīng)進行翻耕遍數(shù)的試驗,確定顆粒均勻性最優(yōu)時的翻拌遍數(shù)。再采用不同摻入方法摻拌水泥,最終通過EDTA滴定試驗的標(biāo)準(zhǔn)差確定最佳拌合方式。

1.3.3 碾壓遍數(shù)對壓實度的影響試驗

采用控制變量法設(shè)計試驗,在鋪筑厚度為30 cm、碾壓速度為5.3 km/h、強振動效果的情況下,研究不同壓實階段不同壓實遍數(shù)對壓實度的影響[10]。

在相似工程中,初壓和終壓一般采用鋼輪靜壓,復(fù)壓一般開啟振動碾壓。按初壓、復(fù)壓、終壓的不同碾壓遍數(shù)采用正交試驗對不同壓實階段的不同壓實遍數(shù)進行研究,初步確定壓實遍數(shù)。對應(yīng)試驗因素水平如表2所示。

表2 各碾壓階段碾壓遍數(shù)試驗因素水平表

1.3.4 其他因素對壓實度的影響試驗

1.3.3節(jié)的試驗主要是在一定條件狀況下進行不同壓實階段碾壓遍數(shù)的初步設(shè)計,明確對壓實度影響最大的壓實階段,但這一階段與其他因素對壓實度的綜合作用不明確。由于影響壓實的因素很多,綜合考慮碾壓遍數(shù)與鋪筑厚度、壓實速度、振動效果不同組合對壓實度的作用,采用正交試驗,其中施工機械采用自重20 t的單鋼輪振動壓路機,速度范圍為2.6～5.3 km/h,振動分為弱振、強振2個等級,對應(yīng)試驗因素水平如表3所示。

表3 其他因素綜合試驗因素水平表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 最佳水泥摻量確定

2.1.1 擊實試驗

對水泥改良膨脹土進行輕型擊實試驗,得到不同水泥摻量的最佳含水率,如圖1所示。在本試驗的水泥摻量范圍內(nèi),膨脹土的最佳含水率隨著水泥摻量增加而逐漸增大。

圖1 水泥摻量與最佳含水率關(guān)系

2.1.2 自由膨脹率

根據(jù)擊實試驗所得的最佳含水率,制備不同水泥摻量的試樣,進行28 d養(yǎng)護,測得改良弱、中膨脹土的自由膨脹率如圖2所示,改良膨脹土隨著水泥摻量的增多,自由膨脹率在不斷減少。在水泥摻量超過5%時,隨著水泥劑量的增加,中膨脹土的自由膨脹率減少幅度降低,而對于弱膨脹土,水泥量超過3%時,自由膨脹率減緩速率降低。

圖2 水泥摻量與自由膨脹率關(guān)系

2.1.3 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)擊實試驗所得的最佳含水率,制備不同水泥摻量的試樣,進行28 d養(yǎng)護,測得改良弱、中膨脹土的無側(cè)限抗壓強度如圖3所示。當(dāng)養(yǎng)護齡期一定時,隨著水泥摻量的增加,膨脹土的強度也在不斷增大;弱、中膨脹土的水泥摻量分別超過3%、5%時,其各自強度增長幅度相應(yīng)變緩。當(dāng)水泥摻量為3%時,弱膨脹土強度大于中膨脹土強度;當(dāng)水泥摻量為5%時,兩者強度相接近,且隨著水泥摻量繼續(xù)增加至8%時,弱膨脹土強度低于中膨脹土。

圖3 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系

造成以上現(xiàn)象的原因可能是弱膨脹土遇水膨脹性低,失水產(chǎn)生空隙少,而水泥過量摻入產(chǎn)生過多水泥水化物,侵入土體,進而產(chǎn)生開裂,外力作用下使得土體呈脆性破壞,造成強度降低。中膨脹土遇水的膨脹性強,有更多空隙可以容納水化物,使土體內(nèi)部不易產(chǎn)生開裂,因此其強度大于弱膨脹土[11]。由于水泥的初始水解需要消耗土中的水分,隨著水泥摻量的增加,當(dāng)水泥水化所需水超過土中可消耗自由水的總量時,水泥進一步水化生成的水化產(chǎn)物與土顆粒的反應(yīng)會消耗吸附水,致使土體干燥收縮,引起土體開裂。這時,水泥摻量的繼續(xù)增加導(dǎo)致穩(wěn)定土的收縮性能變差,影響最終的改良效果[12]。

2.1.4 收縮試驗

按照不同水泥摻量的最佳含水率制備試件后,進行收縮試驗,結(jié)果如圖4所示,弱、中膨脹土的收縮系數(shù)隨著水泥摻量的增加逐漸降低,當(dāng)水泥摻量超過5%時,收縮系數(shù)變化不明顯。

圖4 水泥摻量與收縮系數(shù)關(guān)系

綜上所述,通過自由膨脹率、無側(cè)限抗壓強度和收縮試驗結(jié)論可以得出,水泥的摻入對于膨脹土的性質(zhì)改善顯著,但隨著水泥摻量進一步增加,改良效果變化不大。因場地弱、中膨脹土區(qū)域難以明確,綜合考慮施工經(jīng)濟性及合理性,將5%的摻量作為弱、中膨脹土的最佳水泥摻量,考慮到最不利因素,以改善中膨脹土特性作為后續(xù)試驗研究對象。

2.2 施工技術(shù)參數(shù)的確定

2.2.1 均勻性試驗

采用不同的水泥摻拌法:一次摻灰法為先用旋耕機翻土,再用拌合機一次性將水泥拌合進入;二次摻灰法為先用旋耕機翻拌膨脹土摻入2%水泥,放置3 d后再用拌合機進行第二次拌合摻入剩余劑量的水泥,自然風(fēng)干后篩分土顆粒,其結(jié)果如圖5所示。

a 弱膨脹土

翻拌總次數(shù)為5次時(翻耕機4次,拌合機1次),弱膨脹土顆粒尺寸含量滿足拌合要求,但中膨脹土中大于20 mm的粒徑含量處于臨界值,因此綜合兩者取總翻土次數(shù)6次,其中翻耕機5次,拌合機1次作為最佳翻土拌合次數(shù)。

在翻拌次數(shù)確定的情況下,針對不同水泥摻拌方法的均勻性采用EDTA滴定標(biāo)準(zhǔn)差試驗來判定。試驗結(jié)果顯示,采用一次摻拌法的標(biāo)準(zhǔn)差為0.42、二次摻拌法的標(biāo)準(zhǔn)差為0.24,即采用二次摻拌法比一次摻拌法所得改良膨脹土的均勻性好,因此,采用二次摻拌的方法拌合水泥。二次摻拌水泥的施工方法中,應(yīng)在第一次翻拌后放置3 d,使膨脹土中的水與水泥充分反應(yīng)初步降低含水率,但要在碾壓前保證含水率至少高于最佳含水率的2%,防止施工環(huán)境使水分蒸發(fā)散失,達不到壓實最佳含水率要求,影響壓實質(zhì)量。

2.2.2 碾壓遍數(shù)初步確定試驗

鋪筑試驗段,對施工碾壓遍數(shù)進行正交試驗,結(jié)果如表4所示。由表中極差R值可知,3個因素對壓實度的影響大小為振動復(fù)壓>初壓>終壓。壓實度最佳的初步碾壓遍數(shù)組合是初壓2遍,復(fù)壓8遍,終壓1遍。

表4 碾壓遍數(shù)正交試驗方案與結(jié)果

表5為碾壓遍數(shù)試驗結(jié)果方差分析,其中應(yīng)變量為壓實度,表中復(fù)壓的0.010<0.05,與初壓、終壓相比,復(fù)壓對于壓實度的影響更顯著。

表5 碾壓遍數(shù)試驗結(jié)果方差分析

結(jié)合實際施工,初壓主要是在翻土后壓實,為復(fù)壓提供一個良好平整基礎(chǔ)工作面,碾壓遍數(shù)一般較少。振動復(fù)壓碾壓遍數(shù)較多,為道路提供作用功最大,是路基壓實度形成的主要來源,而終壓一般是為了路基達到平整度的要求,碾壓遍數(shù)較少,所以本次壓實遍數(shù)的確定較符合工程施工要求,能準(zhǔn)確反映壓實效果。

2.2.3 其他主要技術(shù)參數(shù)的確定

由于初壓、終壓碾壓遍數(shù)對壓實度影響不大,因此進一步考慮復(fù)壓碾壓遍數(shù)與碾壓速度、鋪筑厚度和振動效果這些因素在不同水平條件下對壓實度的影響,進一步確定不同壓實度下的各因素的最佳施工參數(shù),其他因素正交試驗方案與結(jié)果如表6所示。

表6 其他因素正交試驗方案與結(jié)果

由表6可知,不同因素對于壓實度的綜合影響為:碾壓遍數(shù)>振動效果>碾壓速度>鋪筑厚度。最佳壓實度組合為:強振效果、碾壓8遍、鋪筑25 cm、碾壓速度為2.6 km/h。對試驗結(jié)果進行方差分析結(jié)果如表7所示,碾壓遍數(shù)和振動效果的顯著性值分別為0.035和0.021,皆小于0.05,兩者對于壓實度的影響作用顯著。

表7 其他因素試驗結(jié)果方差分析

從實際施工綜合考慮,在各參數(shù)作用下壓實度指標(biāo)應(yīng)能達到設(shè)計要求,而并非一定要在最佳組合下達到最大壓實度值。試驗4、6、7、8的組合壓實度均滿足不小于95%,綜合考慮采用試驗4(強振、碾壓6遍、壓實厚度20 cm、速度4 km/h)作為現(xiàn)場施工技術(shù)參數(shù)進行改良膨脹土施工,養(yǎng)護28 d后,選取3組,每組選6個測點對改良膨脹土的各項參數(shù)指標(biāo)進行檢測,結(jié)果如表8所示。各個檢測指標(biāo)均滿足設(shè)計要求,現(xiàn)場施工取得了良好的質(zhì)量效果,采用該施工技術(shù)參數(shù)可以對膨脹土進行較好的改良。

表8 改良膨脹土的各檢測結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)項目室內(nèi)試驗結(jié)果和模擬現(xiàn)場施工試驗段所得施工方法和技術(shù)參數(shù),對中德智能汽車試驗場地區(qū)域內(nèi)膨脹土進行水泥改良施工,在實際現(xiàn)場施工中取得了較為良好的施工效果,得到如下結(jié)論:

(1)旋耕機和拌合機組合施工后測量土質(zhì)粒徑,確定翻拌最佳遍數(shù)為翻耕機5次,拌合機1次。在最佳翻拌遍數(shù)下,采用EDTA滴定試驗標(biāo)準(zhǔn)差評定一次摻灰和二次摻灰法的效果,確定二次摻灰使改良膨脹土拌合均勻性最佳。

(2)采用控制變量法,在碾壓速度、鋪筑厚度、振動效果一致的狀況下,通過正交試驗研究不同壓實階段的壓實遍數(shù),進行方差分析確定復(fù)壓階段對壓實度影響最顯著,確定不同壓實階段最佳遍數(shù)為初壓2遍、復(fù)壓8遍、終壓1遍。

(3)研究復(fù)壓碾壓遍數(shù)與碾壓速度、鋪筑厚度、振動效果綜合作用下對壓實度的影響,結(jié)合實際施工經(jīng)濟合理性,確定現(xiàn)場施工參數(shù)為初壓、終壓分別在靜壓狀態(tài)下碾壓2遍、1遍,復(fù)壓在強振狀態(tài)下碾壓6遍,壓實厚度為20 cm,速度為4 km/h,采用該法進行施工后的膨脹土滿足規(guī)范的各項指標(biāo),取得了較好的效果。