劉 武

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

紅黏土是指碳酸鹽巖經(jīng)特殊的物理化學(xué)作用后形成的一類特殊性土體，廣泛分布于我國長江以南地區(qū)，尤其在云貴高原、“兩湖”“兩廣”地區(qū)較為常見[1]。我國高速公路建設(shè)發(fā)展越來越快，大量的高速公路需要穿越特殊性紅黏土地區(qū)，深入研究紅黏土的性質(zhì)對工程建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。本文結(jié)合湖南省祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路路基施工，進(jìn)行石灰改良紅黏土試驗研究，通過施工石灰改良土試驗路，確定了碾壓遍數(shù)、碾壓速度、松鋪厚度、松鋪系數(shù)等各項工藝參數(shù)，用以指導(dǎo)后續(xù)大面積的改良土填筑施工。

1 工程實例

祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路地處衡陽地區(qū)，該地區(qū)有大面積的紅黏土。室內(nèi)試驗檢測數(shù)據(jù)表明，該類紅黏土液限>50%，塑性指數(shù)>26。依據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-T 3610-2019)關(guān)于路基填筑材料的要求，這類高液限土不得直接作為路堤填料，必須采用技術(shù)措施進(jìn)行處理后才能用于高速公路路基填筑。高液限紅黏土天然含水率高，毛細(xì)現(xiàn)象顯著，具有較低的模量與強(qiáng)度和較大的黏性與可塑性，且接觸雨水后能較長時間保持水分，表現(xiàn)出較低的承載力工程特性，不宜作為路堤填料[2]。

經(jīng)過實地勘察、取土調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)附近缺乏優(yōu)質(zhì)的路基填筑土源。考慮到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)和就近利用土地資源等因素，宜選擇當(dāng)?shù)丶t黏土作為路基填料。不同地區(qū)紅黏土的顆粒組成、液塑限、水穩(wěn)定性等物理特性和化學(xué)成分有很大區(qū)別，應(yīng)進(jìn)行具體的試驗研究和分析加以區(qū)別對待。若改良失敗，將導(dǎo)致高速公路在運營過程中存在不均勻沉降、路基軟化塌陷、邊坡垮塌等嚴(yán)重質(zhì)量隱患，從而造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。

目前處理高液限紅黏土的措施主要有物理改性、化學(xué)改良、包邊法三類。物理改性主要是通過摻加砂礫改善紅黏土的液限、塑性指數(shù)以及強(qiáng)度，當(dāng)粗粒料含量>35%～40%時，可以滿足一般的路基填筑要求?；瘜W(xué)改良是指在紅黏土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等外加劑，使之與土壤發(fā)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)，以改變原狀土的物理力學(xué)性能來穩(wěn)定紅黏土，可有效降低含水率、提高強(qiáng)度，同時又可降低塑性指數(shù)，提高水穩(wěn)性。包邊法是將強(qiáng)度低、水穩(wěn)性差的高液限紅黏土進(jìn)行隔水封閉，選擇具有良好水穩(wěn)性的低液限土作為外包封閉材料[3]。結(jié)合祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路路基工程，對紅黏土采取石灰改良措施，研究改良前后的物理性能、強(qiáng)度變化，并通過施工石灰改良紅黏土試驗路對實際應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗分析。

2 石灰改良土試驗研究

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

本次對紅黏土進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗研究，包括原狀土的物理性質(zhì)試驗和強(qiáng)度試驗，通過物理試驗對比分析紅黏土摻石灰前后的液塑限變化和最佳含水率、最大干密度變化；通過改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和CBR試驗，對比不同石灰摻比下改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值，確定合理的摻和比[4]。

2.2 原狀土試驗

試驗所用的紅黏土原狀土取自祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路K24+700段的取土場。原狀土的物理性能及試驗結(jié)果如表1所示。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)表

2.3 石灰改良紅黏土試驗研究

目前處理紅黏土的方法主要是化學(xué)改良，即在原狀土中摻入一定比例的石灰、水泥等外加劑，拌和均勻后與土壤顆粒充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，原狀土的物理力學(xué)性能隨之改變，結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。依據(jù)路基施工規(guī)范，改良濕黏土宜采用磨細(xì)的生石灰粉或者消石灰，石灰顆粒應(yīng)<20 mm，石灰質(zhì)量等級不低于三級標(biāo)準(zhǔn)[3]。試驗采用磨細(xì)的生石灰粉，質(zhì)量等級為三級，摻配比例分別為0、3%、5%、7%、9%，進(jìn)行擊實試驗、界限含水率試驗、7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗及CBR試驗(對應(yīng)96%的壓實度)，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 紅黏土及其石灰改良土的液塑限、擊實、強(qiáng)度試驗結(jié)果表

2.3.1 擊實試驗

在紅黏土摻入石灰過程中，石灰與土壤顆粒充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)使得原來的土結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微細(xì)顆粒的凝絮和絮聚導(dǎo)致原狀土的黏土顆粒形成粒徑較大的粗顆粒，徹底改變了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和壓實性能。如圖1所示，石灰改良土的最佳含水率明顯大于原狀紅黏土，且隨著石灰摻比增大而增大；石灰改良土的最大干密度明顯小于紅黏土的最大干密度，且隨著石灰摻比增大而減小[5]。摻入石灰后，由于土顆粒的凝聚以及石灰與土的水化反應(yīng)要消耗土中一部分水分，導(dǎo)致改良土的最佳含水率增大，由于石灰的比重小于紅黏土的比重使得改良土的最大干密度減小[6]。

圖1 不同石灰摻比的改良土擊實試驗結(jié)果對比曲線圖

2.3.2 液塑限試驗

摻入石灰后，紅黏土顆粒與石灰之間發(fā)生離子交換，原來的黏性細(xì)顆粒絮聚成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。如圖2所示，隨著石灰摻比的增加，石灰改良土的液限隨之降低，塑限隨之提高，塑性指數(shù)顯著降低。由此可知，高液限紅黏土摻入石灰后，親水性能減弱、水穩(wěn)定性提高，工程性質(zhì)得到改善[7]。

2.3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗及CBR試驗

如圖3所示，隨著紅黏土中石灰摻比增大，改良土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值呈現(xiàn)增大的趨勢，石灰摻比增大能顯著影響改良土強(qiáng)度。石灰在摻比<7%時主要起到穩(wěn)定紅黏土的作用，有效降低紅黏土的高液限和塑性指數(shù)，使其水穩(wěn)定性得到改善，強(qiáng)度明顯提高。但是石灰含量>7%時，由于過量的石灰沉積在土壤間隙中不參與反應(yīng)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高不再明顯。7%石灰改良土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.64 MPa，能夠滿足≥0.5 MPa的設(shè)計要求，且CBR值滿足高速公路對于路基路床填料的要求，最終確定最佳石灰摻比為7%[7]。

圖2 不同石灰摻比的改良土液塑限對比曲線圖

圖3 不同石灰摻比對改良土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線圖

3 結(jié)語

根據(jù)室內(nèi)紅黏土改良試驗研究表明，在紅黏土中摻入石灰后，有效降低了紅黏土的高液限和塑性指數(shù)，水穩(wěn)定性得到改善，密實度和強(qiáng)度得到穩(wěn)定，工程性質(zhì)顯著改善。根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，石灰最佳摻比為7%，且CBR值滿足高速公路對于路基路床填料的要求，7%石灰改良土可作為高速公路路基路床的填料。考慮到拌和時石灰的損耗，現(xiàn)場施工時石灰的摻量應(yīng)該比室內(nèi)試驗確定的最佳摻量適當(dāng)提高0.5%～1.0%。