吳進(jìn)來(lái)

(武漢生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430050)

路基是道路的重要部分,其修建要求保證其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。而路基填料的性能直接影響道路質(zhì)量的好壞。隨著我國(guó)道路建設(shè)范圍的不斷擴(kuò)大,不可避免地經(jīng)過(guò)一些高液限黏土地區(qū)[1]。而路基填料一般是就地取材,這樣就需要考慮路基填料土的可用性。高液限黏土路用性能較差,將其直接用于路基的填料時(shí),會(huì)發(fā)生邊坡溜塌、塌滑,路基外擠、下沉等嚴(yán)重病害[2]。因此,《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)對(duì)高液限黏土作出了嚴(yán)格的規(guī)定,必須對(duì)其廢棄或進(jìn)行改良處理后,使其性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求,方可用作路基填料[3]。對(duì)高液限黏土采用傳統(tǒng)換填方法處理,由于處理不當(dāng),可能會(huì)引起翻漿、不均勻沉降等問(wèn)題,影響道路的工程質(zhì)量。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高液限黏土的研究結(jié)果可知,采用石灰作為高液限黏土的改良材料,可改善其路用性能,滿足道路路基填料的使用要求[4]。但是,每個(gè)地區(qū)的黏土性質(zhì)存在差異,需要的石灰摻量也不相同。因此,應(yīng)針對(duì)施工地區(qū)黏土的物理力學(xué)性質(zhì),確定最佳的石灰摻量,以達(dá)到改良效果。

1 高液限黏土改良機(jī)理

1.1 高液限黏土

液限是流態(tài)轉(zhuǎn)入可塑狀態(tài)的界限含水量。判別高液限黏土的3個(gè)指標(biāo)為:<0.074 mm的顆粒含量>50%、液限>50%,塑性指數(shù)>26[5]。高液限黏土壓實(shí)性差,具有明顯的應(yīng)變軟化。高液限黏土含有大量的蒙脫石、高嶺石、伊利石。蒙脫石晶格層間聯(lián)接依靠范得華力,晶胞之間容易進(jìn)入水分子,晶胞距離增大;由于同晶置換作用,大量的Na+、Ca2+填充,導(dǎo)致顆粒間的膨脹。高嶺石晶胞靠氧原子與氫氧基之間的氫鍵聯(lián)結(jié),聯(lián)結(jié)力較強(qiáng),水分子不能進(jìn)入,親水性及膨脹性較前兩種礦物成分小。伊利石晶格間連接力較強(qiáng),陽(yáng)離子主要為Na+、K+,水分子不容易進(jìn)入。性質(zhì)介于蒙脫石和高嶺石之間,隨著層間K+含量的減少,性質(zhì)接近于蒙脫石。

1.2 高液限黏土改良機(jī)理

高液限黏土透水性較差、毛細(xì)現(xiàn)象明顯、弱膨脹性、可塑性大。將其用于路基工程中,會(huì)產(chǎn)生各種不良病害,因此,需對(duì)其進(jìn)行改良,否則無(wú)法滿足公路工程的需要。將石灰與高液限黏土拌和,兩者發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng),降低高液限黏土表面的結(jié)合水膜厚度,并形成水化硅鋁酸鈣等膠結(jié)物,經(jīng)石灰改良后的高液限黏土強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均會(huì)有所提升[6]。具體反應(yīng)過(guò)程有以下作用:(1)水化作用。高液限黏土中含有較多自由水,當(dāng)摻入石灰后,會(huì)提高灰土體系的pH值,并顯著降低土體的含水量,提升硅酸鹽和鋁酸鹽的溶解度,使水化反應(yīng)加速完成。(2)離子交換作用。由于水化作用,會(huì)產(chǎn)生較多的游離Ca2+,置換出黏土表面的陽(yáng)離子,降低高液限黏土顆粒之間的排斥性,使黏土顆粒聚集密實(shí),提升黏土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。(3)結(jié)晶作用。部分Ca(OH)2受到體系中水分的影響,形成Ca(OH)2·nH2O晶體,與黏土顆粒結(jié)合為共晶體,改善黏土的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。(4)碳化作用。Ca(OH)2吸收空氣中的CO2后生成CaCO3,使高液限黏土的強(qiáng)度明顯提升。

2 試驗(yàn)材料

2.1 土樣材料

表1 粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 粉質(zhì)黏土用于路基填筑的可行性

本項(xiàng)目路段區(qū)域粉質(zhì)黏土的細(xì)顆粒含量較大,粒徑主要分布在0.25～0.075 mm范圍之間,壓縮系數(shù)為0.13 MPa-1,自由膨脹率為43.38 MPa,滲透系數(shù)為2.0×10-6cm/s,黏聚力63.83 kPa,內(nèi)摩擦角15.29°。由以上數(shù)據(jù)分析得知,該區(qū)域粉質(zhì)黏土具有弱-中等膨脹性、微透水,高承載力等特點(diǎn),具有改良利用的可行性。根據(jù)以往的高液限黏土路基修筑經(jīng)驗(yàn),需采用注漿加固法對(duì)粉質(zhì)黏土層進(jìn)行地基處理,以處理后形成的復(fù)合地基作為路基基礎(chǔ)持力層。

2.3 改良材料

試驗(yàn)所用石灰為分析純熟石灰,呈灰白色粉末狀,主要成分為Ca(OH)2,滿足試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)方法

對(duì)K0+000～K5+160路段的高液限粉質(zhì)黏土取樣,進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn),分析總結(jié)不同摻灰率對(duì)高液限粉質(zhì)黏土的改良效果[8]。

3.1 液塑限試驗(yàn)

摻灰率對(duì)改良效果影響較大,它是指石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。將試樣土風(fēng)干后,按比例稱(chēng)取一定質(zhì)量的石灰摻入干土中,拌和均勻,摻灰率選取為0%,2%,4%,6%、8%、10%六種比例,利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀,對(duì)不同摻灰率的土樣進(jìn)行液限、塑限試驗(yàn)。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),粉質(zhì)黏土與0%,2%,4%,6%、8%、10%的石灰均勻混合,按照干法制備試樣工藝,每種土樣5個(gè)試樣,含水量按照2%含水量依次遞增。將試樣均勻置于干燥的鐵盤(pán)內(nèi),并用保鮮膜封蓋進(jìn)行燜料1 d。擊實(shí)時(shí),將試樣分三層裝入擊實(shí)筒內(nèi),擊實(shí)數(shù)控制98擊。每層擊實(shí)完成后,要對(duì)擊實(shí)表面“拉毛”處理。待三層擊實(shí)全部完成時(shí),經(jīng)試樣沿?fù)魧?shí)筒頂削平、擊實(shí)筒稱(chēng)重、試樣取出擊實(shí)筒等一系列操作,測(cè)量土樣中心部位含水率,得出含水量和最大干密度[9]。

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

每種試樣根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的最佳含水量,控制壓實(shí)度96%,按照干法和靜壓法制備Φ50 mm×50 mm的圓柱體。將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)環(huán)境為溫度20 ℃、濕度95%,養(yǎng)護(hù)28 d。采用三軸壓縮儀測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,加載速率為1 mm/min,揭示試樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變化規(guī)律[10]。

3.4 承載比試驗(yàn)(CBR)

承載比試驗(yàn)(CBR)表征了粉質(zhì)黏土在不同摻灰率下的承載能力,評(píng)判經(jīng)石灰改良后的粉質(zhì)黏土是否滿足路用性能。為了獲取不同摻灰率下粉質(zhì)黏土的CBR試驗(yàn)結(jié)果,選取0%,2%,4%,6%、8%、10%六種摻灰率,試樣制備方法同上述擊實(shí)試驗(yàn),控制好試樣的最佳含水率,成型壓實(shí)度為96%,而后采用路面材料強(qiáng)度儀對(duì)試樣進(jìn)行貫入試驗(yàn),測(cè)試CBR。

4 石灰改良土試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 液塑限試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)得出不同摻灰率的黏土液限和塑限,并由公式(1)計(jì)算得出塑性指數(shù),結(jié)果如表2及圖1、圖2所示。

圖1 石灰改良黏土液塑限曲線

圖2 石灰改良黏土塑性指數(shù)曲線

表2 不同摻灰率的黏土液塑限指標(biāo) 單位:%

Ip=WL-WP

(1)

式中:Ip為塑性指數(shù),%;WL為液限,%;WP為塑限,%。

由表2及圖1、圖2得知,黏土液塑限指標(biāo)隨著摻灰率的逐漸增加,液限值逐漸下降,塑限有小幅度的增加,塑性指數(shù)呈下降變化趨勢(shì)。當(dāng)摻灰率增加到8%時(shí),液限為47.1%,塑限為35.1%,塑性指數(shù)為12.0。當(dāng)摻灰率達(dá)到10%時(shí),液限為46.8%,僅比摻灰率8%下降了0.3%;塑限為35.3%,僅比摻灰率8%增加了0.2%;塑性指數(shù)為11.5%,僅比摻灰率8%下降了0.5%,三者變化幅度較小。因此,采用石灰對(duì)黏土改良時(shí),摻灰率不是越大越好,在8%左右較為合適,達(dá)到改良效果。液限下降的主要原因是由于石灰與黏土反應(yīng)生成Ca(OH)2等膠結(jié)物質(zhì),減少了黏土中的自由水,并且Ca2+與土顆粒表面的Na+、K+發(fā)生了置換,黏土顆粒的親水性下降,增大了顆粒間的作用力。另外,膠結(jié)物質(zhì)將松散的土顆粒包裹起來(lái),土體的儲(chǔ)水能力得到削弱,表現(xiàn)為改良黏土的液限出現(xiàn)下降。

4.2 擊實(shí)試驗(yàn)

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得出不同摻灰率改良黏土試驗(yàn)結(jié)果,如圖3所示,最大干密度及最佳含水率數(shù)據(jù)如表3所示,變化曲線如圖4、圖5所示。

圖3 石灰改良黏土擊實(shí)曲線

圖4 石灰改良黏土最大干密度曲線

圖5 石灰改良黏土最佳含水率曲線

表3 不同摻灰率黏土最大干密度及最佳含水率

由表3及圖4、圖5得知,黏土擊實(shí)特性隨著摻灰率的逐漸增加發(fā)生變化,黏土的最大干密度在1.54～1.65g/cm3范圍之間。摻灰率在0%～8%之間時(shí),曲線變化幅度大,最大干密度從1.65 g/cm3降低到1.55 g/cm3,共降低了0.1 g/cm3;對(duì)應(yīng)的最佳含水率從22.8%增加到25.6%,共增加了2.8%。但摻灰率超過(guò)8%時(shí),曲線變化逐漸減緩,摻灰率在8%～10%之間時(shí),最大干密度變化0.1 g/cm3,最佳含水率變化0.2%。因此,摻灰率應(yīng)控制在8%左右。最大干密度減小的主要原因是石灰反應(yīng)生成了Ca(OH)2等膠結(jié)物質(zhì),促使黏土顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚效果,改變了黏土的壓實(shí)性能。

4.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn),得出不同摻灰率與養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),如表4所示,對(duì)分析摻灰率與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,如圖6、圖7所示。

圖6 石灰改良黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰率的關(guān)系曲線

圖7 石灰改良黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

表4 不同摻灰率與養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度

由表4及圖6、圖7得知,不同摻灰率均可以提高黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在同一養(yǎng)護(hù)齡期下,當(dāng)摻灰率為8%時(shí),抗壓強(qiáng)度最大,超過(guò)8%時(shí),抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),因此,最佳摻灰率為8%。在同一摻灰率下,隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加,抗壓強(qiáng)度不斷變大。養(yǎng)護(hù)齡期在7 d到14 d之間,抗壓強(qiáng)度增加速度較快,超過(guò)14 d增加速度逐漸變小,養(yǎng)護(hù)28 d的黏土抗壓強(qiáng)度相比養(yǎng)護(hù)14 d變化很小。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是由于黏土初期強(qiáng)度較小,水化作用及結(jié)晶作用促進(jìn)強(qiáng)度變化較快。

4.4 承載比試驗(yàn)(CBR)

根據(jù)承載比試驗(yàn)(CBR),得出不同摻灰率的黏土承載比和膨脹量結(jié)果,如表5所示。根據(jù)結(jié)果得到摻灰率與承載比、膨脹量的關(guān)系,如圖8、圖9所示。

圖8 石灰改良黏土承載比與摻灰率的關(guān)系曲線

圖9 石灰改良黏土膨脹量與摻灰率的關(guān)系曲線

表5 不同摻灰率的黏土承載比和膨脹量

由表5及圖8、圖9得知,黏土的承載比隨著摻灰率的增大而變大,呈階段性變化。摻灰率為0時(shí),黏土的承載比為2.3%;摻灰率達(dá)到10%時(shí),黏土的承載比為36.8%,承載比得到大幅度的提升,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足路基規(guī)范要求。但是,當(dāng)摻灰率在8%～10%之間時(shí),變化幅度逐漸減小,曲線逐漸變得平緩。黏土的膨脹量隨著摻灰率的增大而變小,當(dāng)摻灰率為0%～8%之間時(shí),膨脹量由4.26%下降至0.58%;膨脹量持續(xù)下降。而摻灰率為8%～10%之間時(shí),膨脹量略有上升,當(dāng)摻灰率達(dá)到10%時(shí),膨脹量上升為0.72%。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,高液限黏土經(jīng)石灰改良后,工程特性得到了明顯的改善。

5 結(jié) 論

高液限黏土具有遇水膨脹、失水收縮和壓實(shí)性差等特點(diǎn),作為路基填料時(shí)必須進(jìn)行改良。選取武漢富強(qiáng)大道工程K0+000～K5+160路段的高液限黏土為研究對(duì)象,對(duì)石灰改良后的黏土進(jìn)行試驗(yàn)分析,得出以下結(jié)論。

(1)經(jīng)石灰改良后的黏土,液限和塑性指數(shù)均得到了降低,塑限得到了提升。超過(guò)8%摻灰率時(shí),液限、塑性指數(shù)和塑限變化幅度較小,證明摻灰率對(duì)最佳含水量有所提升,但并不是越大越好。

(2)隨著摻灰率的逐漸增加,黏土的最大干密度減小,在1.54～1.65 g/cm3范圍之間變化,最優(yōu)含水率增大,在22.8%～25.87%之間變化。摻灰率在0%～8%之間時(shí),曲線變化幅度大。摻灰率在8%～10%之間時(shí),曲線變化幅度減緩。

(3)隨著摻灰率和養(yǎng)護(hù)齡期的增加,改良黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均會(huì)增加。但在同一養(yǎng)護(hù)齡期下,8%摻灰率時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。在同一摻灰率下,養(yǎng)護(hù)齡期14 d時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)較大。

(4)經(jīng)石灰改良后的黏土,承載比由2.3%增加到36.8%,得到大幅度的提升,但摻灰率超過(guò)8%后,變化幅度變小。膨脹量在摻灰率為8%時(shí),達(dá)到了最小值0.58%。

綜上得出,對(duì)該工程案例的高液限黏土進(jìn)行石灰改良時(shí),摻灰率不宜超過(guò)8%。