石灰改良膨胀土的物理力学性状试验研究和工程应用

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1、石灰改良膨胀土的物理力学性状 试验研究和工程应用张福海 王保田河海大学岩土工程研究所1研究背景和意义在膨胀土地区的高速公路建设中，面临 着要么用大量的非膨胀土置换膨胀土，要 么对膨胀土进行土性改良的问题。 由于采用置换的方法经济上不划算，而 且弃土会造成环境污染。 因此研究如何利用改良弱膨胀土来填筑 路堤，对解决高速公路遇到的膨胀土问题 具有重要的应用价值和实践意义。 工程背景宁淮高速公路淮安段全长113.011公里，其中有92公里长的路段穿越膨胀土分布地 区。只能利用当地的不良土源如中等膨胀土或弱膨胀土来填筑路基。高含水量膨胀土利用！ 存在的问题o石灰改良高含水量膨胀土施工工艺；o石灰改良高

2、含水量膨胀土填料碾压质量 控制标准；o现行规程中的石灰剂量检测方法没有考 虑时间对灰剂量检测结果的影响；o规范推荐的膨胀变形量计算的经验公式 没有直接反应土层土体孔隙中的水分含 量的差异对土体膨胀变形量的影响 。 研究内容(1)路堤膨胀土填料改良方法研究 (2)石灰改良膨胀土的施工工艺研究 (3)改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准 的确定 (4)天然膨胀土路基和改良膨胀土路堤的膨 胀变形分析膨胀土填料改良试验研究通过研究不同灰剂量石灰改良土的自由 膨胀率和界限含水量的变化规律，结合膨胀 率试验、无侧限抗压强度试验和水稳定性试 验，确定出一个能够满足公路路基施工技术 规范中对路堤填土强度和变形要

3、求的灰剂量 。 膨胀土填料改良试验研究试验成果：采用石灰改良的膨胀土填料可以满足 宁淮高速公路对路基填料的膨胀性、强度 和变形方面的要求。改良膨胀土筑堤施工工艺研究o二次掺灰的施工工艺研究o一次掺灰的施工工艺研究改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准研究o碾压质量控制标准o灰剂量检测标准碾压质量控制标准o问题的提出：n在宁淮高速公路先导段施工中，施工完成的路堤的压实度很难达到设计要求，多数路段压实度检测结果显示，合格的点数甚至达不到总检测点数的50。碾压质量控制标准o研究方法：n通过室内击实试验和现场碾压试验研究适用于宁淮高速公路淮安段路堤填土施工的碾压质量控制标准。 室内击实试验图3.1 干法击

4、实试验示意图图3.2 湿法击实试验示意图室内击实试验根据土料含水量 变化过程来看，应 属于湿法施工。对 于按湿法施工的现 场而言，采用干法 制定的压实度标准 是不是合适呢？ 室内击实试验室内击实试验马武九标先导段6#和7#取土坑含灰量5%的改良土击实试验成果表取土坑编号6#取土坑7#取土坑干法击实成果湿法击实成 果干法击实 成果湿法击实 成果最大干密度 dmax(g/cm3)1.6921.6141.7171.648最大干密度差值 (g/cm3)0.0780.069差值占湿法击实dmax 的百分比4.83%4.19%室内击实试验o由击实试验成果可知：o干法击实试验得到的最大干密度比湿法 击实试验

5、得到的最大干密度大35%；o对于按湿法施工的现场而言，干法制定 的压实度标准相当于提高了3%5%。 试验段 序号含水量 范围 （%）干密度范围 （g/cm3）按干法击实结果判 断的压实度 （%）按湿法击实结果判 断的压实度 （%）备 注第一试验段 (K173+600 - K173+740)17.5-21.5 平均： 19.81.269-1.616 平均：1.50975.0-95.5 平均：89.2 合格点百分数： 55%78.6-100 平均：93.5 合格点百分数： 85%1段和2段6#取土坑 湿法最大干密度 dmax=1.614g/cm3干法最大干密度 dmax=1.692g/cm33段和

6、4段7#取土坑 湿法最大干密度 dmax=1.648g/cm3干法最大干密度 dmax=1.717g/cm3压实度90%称为 合格。第二试验段 (K170+680 - K170+840)18.9-22.8 *平均： 21.21.396-1.552 平均：1.46682.5-91.7 平均：86.7 合格点百分数： 10%86.5-96.2 平均：90.8 合格点百分数： 70%第三试验段 (K174+020 - K174+150)18.7-21.8 平均： 19.71.475-1.568 平均：1.51086.1-91.3 平均：88.0 合格点百分数： 10%89.5-95.2 平均：91.

7、6 合格点百分数： 100%第四试验段 (K173+120 - K173+300)17.1-20.2 平均： 18.61.518-1.607 平均：1.56488.4-93.5 平均：91.1 合格点百分数： 69.5%92.1-97.5 平均：94.9 合格点百分数： 100%碾压质量控制标准o试验结论：n填料初始含水量较高的宁淮高速公路施工过程 与湿法击实试验模拟的施工条件相一致；n建议在宁淮高速公路路堤施工中采用湿法击实 得到的最大干密度作为碾压质量控制标准。o研究成果已被列入新编的江苏省高速公路路基 施工技术规范。 灰剂量检测标准o现行检测方法存在的问题：n规范中给出的EDTA滴定法将

8、石灰一次性掺加，灰剂量检测工作在石灰掺加后7d内完成。该试验方法的假设有时与工程实际相差较远。 灰剂量检测标准o灰剂量测试方法的改进思路：n是尽量模拟施工工艺过程，考虑石灰掺入到土体以后，与土体发生化学作用对试验成果的影响，改进标准曲线的形式，使测试结果不受从掺灰到测试时间间隔长短的影响。 灰剂量检测标准以灰剂量为5%的石灰 改良土为例，将在不 同时间滴定标准试样 所消耗的EDTA标准液 体积随时间的变化关 系线绘在半对数坐标 上，获得的改进标准 曲线如右图所示。 图3.18灰剂量检测标准图3.19灰剂量检测标准两个试验段不同时间灰剂量检测成果试验段桩号二次掺灰后2天二次掺灰后25天二次掺灰后

9、41天测点 数 (个)含灰量均值 (%)测点 数 (个)含灰量均值(%)测点 数 (个)含灰量均值(%)原标准改进标 准原标准改进标 准原标准改进标 准K170+680 840105.45.472.45.3111.74.6K173+600 74084.64.6102.14.7131.54.3灰剂量检测标准石灰改良土EDTA消耗量的衰减率随时间变化数据汇总表(韩艳芬，赵蔚东 )掺灰后天数 (天) 统计值481216263037445158灰剂量平均值 (%)8.07.96.96.96.65.95.55.75.44.4EDTA衰减率(%)100. 097.885.786.381.973.568.8

10、71.067.655.0备备注：试样试样 EDTA消耗量的衰减率等于该时间该时间 的灰剂剂量平均值值除以初始时间时间 的灰剂剂量平均值值。类似工程试验资料灰剂量检测标准灰剂量检测标准o改进的灰剂量标准曲线已被列入 新编的江苏省高速公路路基施工 技术规范。 天然膨胀土路基膨胀变形分析o测试石灰改良膨胀土路堤在施工期和运 行期含水量的变化，分析路基中的水分 变化规律；o测试施工期膨胀土地基的膨胀变形量；o根据室内膨胀率试验资料提出适用于宁 淮高速公路膨胀土地基的膨胀变形量计 算方法。天然膨胀土路基膨胀变形分析环境水分变化对 膨胀土地基膨胀 变形影响很大！ 天然膨胀土路基膨胀变形分析o路基中的水分变

11、化规律测试成果分析：n施工期间路堤填土含水量的最大增加幅度为 7.1% 。n在填土施工完成后，填土含水量最大变化幅 度为4.1%。 天然膨胀土路基膨胀变形分析膨胀土地基膨胀变形现场测试成果：填土高度 统计断 面数量隆起变形 (mm)左 侧中 间右 侧最大值最小 值平均 值最大 值最小 值平均 值最大 值最小 值平均 值1.5m814.24 5.67 8.08 20.6 7 1.77 7.71 18.1 6 7.20 6.11 1.52.0m819.18 12.43 15.56 19.4 5 0.78 9.27 18.7 7 3.45 14.5 4 2.02.5m1314.48 6.92 9.3

12、0 14.0 7 1.82 6.70 13.2 1 2.02 7.19 典型断面隆起变形统计表天然膨胀土路基膨胀变形分析o膨胀土膨胀变形的现有计算方法缺陷：n只考虑了上覆压力和干密度对土体膨胀性的影响而没有直接反应土层土体孔隙中的初始水分含量的差异对土体膨胀变形量的影响；n现有研究成果证明这种影响对真实反映土体的实际变形是非常重要的。 天然膨胀土路基膨胀变形分析o有荷膨胀率试验o研究对象：宁淮 高速公路 K130+030断面地 基土。 天然膨胀土路基膨胀变形分析o有荷膨胀率试验成果(引自李进硕士论文 )上覆压压力 (kPa)直线线方程相关系数R2450.967540.974630.992730

13、.919830.952天然膨胀土路基膨胀变形分析o有荷膨胀率试验成果：o在一定的竖向压力作用下地基土体膨胀 率与初始含水量成线性关系，回归方程 为：o对于同一种膨胀土，a、b应该是与上覆压 力有关的系数 天然膨胀土路基膨胀变形分析o系数a、b与上覆压力p成线性关系，可以 判定系数a、b与上覆压力p成线性关系。 可以用下式拟合：天然膨胀土路基膨胀变形分析设计填筑高度(m)地基膨胀变形量(mm)施工期运行期最低含水量(%)1819201.5结构层施工前(实际高度0.74m)19.74结构层施工后15.228.305.002.141.9结构层施工前(实际高度1.14m)17.97结构层施工后13.4

14、47.284.331.822.0结构层施工前(实际高度1.24m)17.53结构层施工后13.017.034.171.742.26结构层施工前(实际高度1.50m)16.39结构层施工后11.885.743.381.392.5结构层施工前(实际高度1.74m)13.75结构层施工后9.693.022.061.21天然膨胀土路基膨胀变形分析o由上述计算成果可知：填土的初始含水 量大小对路堤的膨胀量影响很大；o计算成果与现场膨胀土地基膨胀变形量 测试成果较为吻合； o由计算成果和现场膨胀变形测试成果可 知：宁淮高速公路路堤的控制填筑高度 为2.5m。 路堤膨胀变形量分析o石灰改良膨胀土路堤膨胀变形

15、计算；o分析若直接采用膨胀土筑路可能产生的 膨胀变形量。以比较石灰改良效果。n根据室内膨胀率试验资料提出适用于宁淮高速公路膨胀土路堤的膨胀变形量计算方法。路堤膨胀变形量分析改良膨胀土无荷膨胀率 压实度90% 掺灰5%压实度93% 掺灰5%压实度95% 掺灰6%压实度95% 掺灰8%7天0.06%0.075%0.115%0.145%14天0.04%0.055%0.085%0.08%28天0.015%0.025%0.055%0.045%改良土路堤浸水后膨胀量养护时间7天14天28天浸水后膨胀量 （mm ）1.260.850.50路堤膨胀变形量分析o膨胀土室内有荷膨胀率试验成果(引自张颂南硕士论文)

16、含水量 (%)压实度 (%)不同竖向压力下的膨胀率膨胀力 （kPa）0kPa25kPa50kPa100kPa 149012.6%4.6%3.4%1.5%2669313.2%4.9%3.7%1.6%305 9516.2%5.3%4.0%1.8%423 16905.9%2.8%1.5%0.6%254 937.5%2.7%1.5%0.6%277 9510.9%3.2%1.9%0.5%282 18905.1%1.9%1.1%0.4%137936.0%1.7%0.8%0.3%180 956.2%1.8%1.0%0.5%217路堤膨胀变形量分析压实度为95素土在不同初始含水量下的有荷膨胀率与上覆压力的关系 路堤膨胀变形量分析o初始含水量一定的条件下，压实度为95% 的压实素土的有荷膨胀率与上部荷载的 对数成线性关系，回归方程为： oa1，b1为拟合参数，干密度一定的条件下 ，与初始含水量有关。 路堤膨胀变形量分析初始含水量w0(%)路堤膨胀变形量分析o压实度为95%的压实素土的有荷膨胀率与 上部荷载和初始含水量的拟合关系式： oe1、e2、f1