石灰改良膨脹土在路基填筑中的應(yīng)用

梁玉明

（新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行二處，新疆 烏魯木齊830002）

膨脹土是一種對(duì)環(huán)境濕度變化敏感，由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石和伊利石等組成，具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性等特性的一種高塑性泥土。在一般情況下，膨脹土強(qiáng)度較高，壓縮性較低，但當(dāng)土中含水量變化時(shí)，膨脹土有發(fā)生脹縮變形的特性，是一種在高速公路建設(shè)中不可忽視的不良地基土。造成高速公路病害的主要因素有沉陷變形、滑坡、溜塌、縱裂、坍肩等。因?qū)ε蛎浲僚蛎浤芰烙?jì)不足而造成公路病害的損失是相當(dāng)驚人的。

1 工程概況

十天高速鄂陜界至安康段是國(guó)家高速公路十堰至天水聯(lián)絡(luò)線（G7011）陜西境的重要一段，是陜西省“2367”高速公路規(guī)劃網(wǎng)東西橫向主軸線的重要組成部分。A—CD49 合同段起于漢濱區(qū)張灘鎮(zhèn)石門村（K108+100），終于漢濱區(qū)新城辦九里村（K113+100），全長(zhǎng)5km，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h。本合同段挖方為228.5 萬(wàn)m3，填方88.1 萬(wàn)m3。其中K108+600～K109+900 段為高液限、高塑性、高含水量的膨脹土。該段挖方量為79.1 萬(wàn)m3，填方量為68.4萬(wàn)m3（含安康東服務(wù)區(qū)）。將該膨脹土作為路基填料是最經(jīng)濟(jì)的，然而如果不加任何處理直接利用，則會(huì)對(duì)高速公路造成嚴(yán)重的破壞。對(duì)K109+000 取土場(chǎng)膨脹土指標(biāo)進(jìn)行分析，從自由膨脹率、粘粒含量等指標(biāo)來(lái)看，土樣屬于中等膨脹土；但從CBR 線膨脹率來(lái)看，土樣為強(qiáng)膨脹土；從塑性指標(biāo)看，土樣為高液限黏土，具有較差的水穩(wěn)性。從現(xiàn)場(chǎng)土樣結(jié)構(gòu)看，土樣為紅色，黏土中有較多粉砂，易風(fēng)化為碎礫石。通過(guò)以上分析判斷，取土場(chǎng)土樣為中強(qiáng)膨脹土。

2 膨脹土改良方案比選

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為解決高速公路膨脹土路基填筑問(wèn)題，降低其對(duì)公路工程建筑的危害，通常采取以下幾種方法。

2.1 換填法

借土填筑是該段路基膨脹土處理中簡(jiǎn)單而有效的方法。即挖除膨脹土，換填非膨脹土或砂礫土。本合同段路基填筑中，若采取換填法則需進(jìn)行較大規(guī)模的挖方，將產(chǎn)生大量的棄土且需大量取土填筑，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均較差。

2.2 濕度控制

濕度控制法包括水穩(wěn)定法和預(yù)濕法兩種，其作用機(jī)理是通過(guò)人工措施減少路基含水量受外界環(huán)境的影響，進(jìn)而控制膨脹土含水量的變化。常用的方法為土工布包封法，此方法將膨脹土與外界大氣隔絕開，從而減少膨脹土內(nèi)部水分的變化。

2.3 改良處理

改良處理即利用水泥、石灰等材料與膨脹土之間的化學(xué)作用和物理作用來(lái)改變膨脹土的性能，從而達(dá)到提升膨脹土強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的目的。其中，石灰的固化作用是由于鹽基交換、次生碳酸鈣的膠結(jié)性、黏土顆粒與石灰相互作用形成新的含水硅酸鈣、鋁酸鈣等新礦物而產(chǎn)生的，其作用主要體現(xiàn)在改善膨脹土力學(xué)性能和降低其塑性指數(shù)方面。

石灰改良膨脹土技術(shù)作為路基土質(zhì)改良方法之一，近年來(lái)應(yīng)用十分廣泛。石灰作為膨脹土的改性材料有很多優(yōu)點(diǎn)：改性效果明顯，消除脹縮性和提高強(qiáng)度兩者兼得；石灰改良膨脹土作為一種穩(wěn)定固化土，具有較高的承載力、抗剪強(qiáng)度和良好的水穩(wěn)定性。由于石灰資源豐富，成本較低，且石灰改良土能顯著提高土工結(jié)構(gòu)的可碾壓含水量，可有效縮短施工周期。因此，采用石灰改良膨脹土做路基填料，見效最快、最有效，而且費(fèi)用最低，因而本工程的膨脹土處理采用石灰改良的方案。

3 石灰改良膨脹土的機(jī)理

3.1 離子交換作用

在土中水作用下，生石灰迅速消解，產(chǎn)生Ca（OH）2，進(jìn)一步離解出Ca2+、Mg2+和OH-、Ca2+、Mg2+，很容易置換膨脹土中顆粒所吸附的K+、Na+等離子。二價(jià)鈣鎂離子結(jié)合水膜較薄，能使膨脹土的分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低，塑性指數(shù)下降并容易穩(wěn)定成型，形成早期強(qiáng)度。

3.2 碳酸化作用

Ca（OH）2和Mg（OH）2在土中會(huì)不斷和空氣中的CO2反應(yīng)，生成CaCO3和MgCO3堅(jiān)硬的固體顆粒，具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，由于CaCO3對(duì)土體的膠結(jié)作用使得土體形成石灰穩(wěn)定土。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期化學(xué)作用，會(huì)體現(xiàn)出石灰土的后期強(qiáng)度。

3.3 凝膠反應(yīng)

離子交換反應(yīng)后期，隨齡期增長(zhǎng)，膨脹土中的硅酸、鋁酸將與石灰進(jìn)一步反應(yīng)形成含水硅酸鈣、碳酸鈣。這兩種材料能在水環(huán)境下發(fā)生硬化，在膨脹土的粘粒外圍形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提升石灰強(qiáng)度并保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，保護(hù)膜還有隔離水分、提升膨脹土水穩(wěn)定性的作用。

3.4 結(jié)晶作用

石灰滲入膨脹土后，由于溶解度較小，除了離子交換和碳酸化作用以外，絕大部分的氫氧化鈣以結(jié)晶水的形式析出，進(jìn)而有效提升了膨脹土的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

4 石灰改良膨脹土試驗(yàn)分析

本工程路基施工前，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)石灰改良膨脹土的基本物理強(qiáng)度、力學(xué)性能及脹縮性等問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)不同參量對(duì)膨脹土性質(zhì)的影響及相應(yīng)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并對(duì)改良土的CBR特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果如下。

4.1 界限含水量

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%、6%、8%計(jì)量的石灰后得出液塑限數(shù)據(jù)如表1 所示，液限、塑性指數(shù)變化如圖2所示。

表1 土樣液塑限試驗(yàn)結(jié)果

圖1 液限、塑性指數(shù)變化示意圖

由以上數(shù)據(jù)可以看出：兩個(gè)土場(chǎng)的膨脹土在外摻石灰后其液限和塑性指數(shù)都發(fā)生了很大的改變：液限含水量有明顯下降，塑性指數(shù)減小至6%左右，大大改善了膨脹土的水穩(wěn)定性，降低了膨脹土中土粒對(duì)液相水的靈敏性。從灰劑量角度看，隨著灰劑量的增加，液限和塑性指數(shù)都在降低，但在灰劑量達(dá)到5%之后若再增大含量，其對(duì)膨脹土的界限含水量指標(biāo)改善不再明顯。較高灰劑量（8%）對(duì)于改善膨脹土的液塑限性質(zhì)已不太明顯。

4.2 黏粒含量

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%、6%、8%計(jì)量的石灰后得出黏粒含量數(shù)據(jù)如表2所示，黏粒含量變化如圖2所示。

表2 黏粒含量試驗(yàn)結(jié)果

由以上分析可知，對(duì)膨脹土進(jìn)行改良后，在灰土聯(lián)接作用下，土體的粒度成分發(fā)生了明顯變化，黏粒大幅度減少。

圖2 黏粒含量變化示意圖

4.3 自由膨脹率

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%、6%、8%計(jì)量的石灰后得出自由膨脹率數(shù)據(jù)如表3所示，自由膨脹率變化如圖3所示。

表3 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖3 自由膨脹率變化示意圖

從表3中可以看出，摻加消石灰之后膨脹土的自由膨脹率明顯下降，由原來(lái)的60%以上下降到30%以下。隨著灰劑量的增加自由膨脹率都出現(xiàn)了先下降后升高的趨勢(shì)，在較低灰劑量（4%～6%）時(shí)各土樣的自由膨脹率都在30%左右，在灰劑量達(dá)到8%后，灰土的自由膨脹率反而有所升高。

4.4 承載比

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%計(jì)量的石灰后得出CBR線膨脹率數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 CBR試驗(yàn)結(jié)果

線膨脹率與浸水CBR 之間存在很好的負(fù)相關(guān)性，隨著CBR 的增加，線膨脹率不斷減小。摻消石灰之后，CBR 值顯著提高，甚至是原來(lái)的40 倍以上，且與膨脹率呈負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明在膨脹土中摻石灰之后，經(jīng)過(guò)膨脹土與石灰發(fā)生一系列的化學(xué)、物理反應(yīng)，從根本上改變了膨脹土的性質(zhì)，從而達(dá)到降低膨脹性、提高CBR 的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際情況，制訂了石灰改良膨脹土路基施工方案。截至目前，該段路基工程已建成通車，通過(guò)觀察，路基質(zhì)量穩(wěn)定，完全達(dá)到設(shè)計(jì)及施工的安全要求，為利用石灰改良膨脹土填筑路基提供了非常成功的施工經(jīng)驗(yàn)。

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