膨脹土地區(qū)機(jī)場跑道的地基處理研究①

王文良, 王曉謀, 王家鼎

(1.中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西 西安 710075； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064；3.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

膨脹土地區(qū)機(jī)場跑道的地基處理研究①

王文良1,2, 王曉謀2, 王家鼎3

(1.中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西 西安 710075； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064；3.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

摘要：為解決在膨脹土山區(qū)修建機(jī)場時(shí)跑道地基處理的問題，以安康地區(qū)膨脹土為研究對(duì)象，在對(duì)現(xiàn)行石灰改良膨脹土施工控制參數(shù)常用方法分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行膨脹土及石灰改良膨脹土的膨脹性能和強(qiáng)度的相關(guān)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：隨著石灰摻量的增加，最優(yōu)含水率增大，最大干密度減小，脹縮潛勢(shì)呈降低趨勢(shì)，石灰摻量與最大干密度呈非線性關(guān)系，在石灰摻量達(dá)到9%時(shí)有荷膨脹率變化的規(guī)律性很強(qiáng)；相同石灰摻量改良土的CBR與擊實(shí)功、含水量等因素有關(guān)，并不隨著壓實(shí)系數(shù)增加而增大。摻加石灰的比例對(duì)石灰改良膨脹土的強(qiáng)度增長影響較大，石灰摻量9%時(shí)的CBR值明顯大于其他摻量；相同壓實(shí)系數(shù)下石灰摻量3%和6%改良膨脹土的壓縮性比較接近，石灰摻量增加到9%時(shí)其壓縮性明顯降低。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，提出用石灰改良膨脹土對(duì)跑道進(jìn)行地基處理，并以膨脹性指標(biāo)作為主要控制指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)作為驗(yàn)證指標(biāo)來確定施工參數(shù)。

關(guān)鍵詞：膨脹土; 石灰改良土; 養(yǎng)護(hù)時(shí)間； 壓實(shí)系數(shù)； 施工控制參數(shù)

0引言

膨脹土在我國分布很廣,隨著建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，不可避免地遇到了很多膨脹土問題。由于膨脹土具有超固結(jié)、多裂隙、吸水顯著膨脹軟化、失水收縮開裂及反復(fù)變形等基本特性，使得其工程性質(zhì)很差，與一般黏性土差別很大，常有“逢塹必滑，有堤必塌”之說。膨脹土的這種破壞作用具有長期潛在的危害性和多次反復(fù)性，被稱為“工程中的癌癥”[1-5]。為解決這一工程難題,各行業(yè)均對(duì)其進(jìn)行了一定的研究。劉松玉等對(duì)膨脹土摻加石灰后的強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究,結(jié)果顯示摻石灰后的膨脹土強(qiáng)度與摻量存在一定的關(guān)系[6-13]；楊和平等對(duì)膨脹土本身的強(qiáng)度和膨脹性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明改進(jìn)膨脹土相關(guān)參數(shù)的測(cè)定方法,可以使素膨脹土的強(qiáng)度滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求[14-17]；郭愛國等對(duì)填筑體的含水率進(jìn)行了相關(guān)研究,結(jié)果顯示對(duì)于石灰改良膨脹土來說，施工最優(yōu)含水率比素土稍大[18-20]。相對(duì)于高速公路，機(jī)場跑道的等級(jí)更高，要求更嚴(yán)格，雖然兩者有一定的相似之處，但仍有很大的區(qū)別，而且相關(guān)研究比較欠缺。經(jīng)石灰改良后的膨脹土土基施工控制參數(shù)包括多個(gè)方面,本文僅從壓實(shí)系數(shù)、摻灰率和養(yǎng)護(hù)時(shí)間3個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)研究,以期能達(dá)到合理確定石灰改良膨脹土施工控制參數(shù)的目的。

1試驗(yàn)土及石灰的參數(shù)

1.1膨脹土

試驗(yàn)所用的膨脹土取自擬建安康機(jī)場建設(shè)場地,其自由膨脹率為70,為高液限的中膨脹土,根據(jù)民用機(jī)場巖土設(shè)計(jì)規(guī)范,該類土不能直接用于機(jī)場跑道地基的鋪設(shè)。其相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表 1　膨脹土的物理性質(zhì)

1.2石灰

試驗(yàn)時(shí)采用消石灰的化學(xué)成分見表2。

表 2　石灰的成分

2石灰土的基本物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法

通過對(duì)摻加不同石灰劑量的膨脹土進(jìn)行含水率、膨脹性等基本試驗(yàn)，研究石灰不同摻量時(shí)改良膨脹土最優(yōu)含水率、最大干密度、脹縮等級(jí)和界限含水量的變化規(guī)律。

2.2界限含水量分析

液限和塑限能夠反應(yīng)土中強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水含量的變化。對(duì)膨脹土來說，結(jié)合水的含量與擴(kuò)散層厚度有關(guān)，擴(kuò)散層厚度決定顆粒間距的大小，土顆粒間連接力的大小主要影響膨脹土的抗剪強(qiáng)度，所以膨脹土的工程性質(zhì)與液塑限的關(guān)系極為密切。

把試樣在烘箱內(nèi)烘干、碾碎并分別過2mm和0.5mm的標(biāo)準(zhǔn)篩備用,石灰摻加劑量采用3%、6%和9%3種。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40—2007)采用LG-100D型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行界限含水量的測(cè)定，結(jié)果見圖1。

從圖1的曲線可以看出，摻石灰之后土樣的液、塑限和塑性指數(shù)均發(fā)生了變化。隨著石灰摻量增加，液限和塑性指數(shù)均有所減小，而塑限稍有增大。但塑性指數(shù)的減小與摻灰率變化并不成正比，摻量3%時(shí)其減小幅度最大，繼續(xù)摻加石灰，其減小幅度逐漸變小，摻加6%以上時(shí)再增加石灰摻量對(duì)塑性指數(shù)的變化影響不顯著。液限與塑性指數(shù)的減小說明摻加石灰后，膨脹土持水能力減弱，親水性及土顆粒表面活性相對(duì)減小，這也從另一個(gè)方面證明了摻入石灰可以改善膨脹土的膨脹性，但是過多地?fù)饺胧覍?duì)改善變形性能的作用并不理想。

2.3脹縮等級(jí)劃分

按照界限含水量試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)不同摻灰量的改良土脹縮等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，加入石灰后土的脹縮等級(jí)均有降低，隨著石灰摻量的增加，綜合脹縮潛勢(shì)呈降低趨勢(shì)，說明石灰可以作為膨脹土的改良劑。

表 3　脹縮等級(jí)

圖1　摻灰量與界限含水率的關(guān)系Fig.1　Relationship between limit moisture content and lime content

2.4擊實(shí)試驗(yàn)

膨脹土改良后其成分、結(jié)構(gòu)和基本物理力學(xué)指標(biāo)等均發(fā)生變化。干密度、孔隙比、初始含水量等影響土的壓縮變形、脹縮特性和強(qiáng)度大小,最優(yōu)含水率和最大干密度是膨脹土改良試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。本次選用重型擊實(shí)試驗(yàn)，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40—2007)對(duì)石灰摻量3%、6%及9%的樣品進(jìn)行試驗(yàn)，余土高度控制在5mm以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過程中含水量誤差控制在±0.5%以內(nèi)。結(jié)果如表4。

表 4　擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可以看出，隨著石灰摻量的增加，改良后的膨脹土的最優(yōu)含水率有所增大，最大干密度相應(yīng)減小，石灰摻量與最優(yōu)含水率基本呈線性關(guān)系，與最大干密度呈非線性關(guān)系。

3不同壓實(shí)系數(shù)下脹縮特性試驗(yàn)

膨脹土吸水后含水量增加，孔隙間距增大，土顆粒膨脹變形，引起體積膨脹，所以在工程中通常用膨脹量來反映膨脹土的膨脹性。反之，失水后含水量降低，體積收縮，當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí)不再縮小，這個(gè)限度就是土的縮限，通常采用收縮率和收縮系數(shù)來反映膨脹土的收縮性。對(duì)于改良膨脹土而言，密實(shí)度是土方施工時(shí)較為重要的控制參數(shù)。為驗(yàn)證哪種密實(shí)度下的改良土性質(zhì)最好，本文對(duì)最優(yōu)含水率下不同壓實(shí)系數(shù)(0.90、0.93、0.96、0.98)的石灰改良土(石灰摻量3%、6%、9%)進(jìn)行了自由膨脹率、有荷膨脹率及收縮率的對(duì)比試驗(yàn)。

3.1自由膨脹率試驗(yàn)

最優(yōu)含水率下不同壓實(shí)系數(shù)和不同石灰摻量改良土的自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　摻灰率、壓實(shí)系數(shù)與自由膨脹率關(guān)系Fig.2　Relationship between lime content,compaction coefficient and free swelling ratio

從圖2可以看出，每種石灰摻量下，壓實(shí)系數(shù)0.90的自由膨脹率最小，壓實(shí)系數(shù)0.98的自由膨脹率最大，隨著壓實(shí)系數(shù)增大自由膨脹率呈現(xiàn)出變大的趨勢(shì)。這表明壓實(shí)系數(shù)越大，土的孔隙率越小，膨脹土顆粒間的接觸面積越大。根據(jù)有效應(yīng)力原理，水進(jìn)入土體后會(huì)分擔(dān)一部分土顆粒所承擔(dān)的力，使土顆粒間接觸面積減小、顆粒間距離增大。

在相同壓實(shí)系數(shù)下，隨著石灰摻量增加自由膨脹率減小，說明石灰摻量越多越有助于降低自由膨脹率。

在養(yǎng)護(hù)28天后，同一石灰摻量、同一壓實(shí)系數(shù)的樣品均比未養(yǎng)護(hù)時(shí)自由膨脹率小。相同壓實(shí)系數(shù)下，石灰摻量6%和9%的改良膨脹土的最終膨脹量明顯降低，摻量3%的最終膨脹量變化不大。由此可以得出，本次試驗(yàn)中石灰摻量大于6%時(shí)，改良膨脹土養(yǎng)護(hù)28天后最終膨脹量變化較大。

3.2石灰改良土有荷膨脹率試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的GZQ-1型固結(jié)儀，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的方法和要求進(jìn)行。結(jié)果如圖3所示。

圖3　摻灰率不同時(shí)壓實(shí)系數(shù)與有荷膨脹率關(guān)系Fig.3　Relationship between compaction coefficient and linear swelling ratio with different lime content

(1) 從圖3可以看出，相同石灰摻量、同一種壓實(shí)系數(shù)下，400kPa的有荷膨脹率最小，隨著壓力減小有荷膨脹率增大。隨著壓實(shí)系數(shù)增大，有荷膨脹率整體呈增大的趨勢(shì)，從圖3(a)看出石灰摻量3%時(shí)這一變化最明顯，有荷膨脹率隨壓力的變化曲線幾乎呈直線，石灰摻量越高，有荷膨脹率隨壓實(shí)系數(shù)增大而增大的趨勢(shì)減緩。相同壓實(shí)系數(shù)下，隨石灰摻量增加有荷膨脹率呈減小的趨勢(shì)，而且隨著石灰摻量增加，有荷膨脹率減小趨勢(shì)變緩。

(2) 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，在相同壓實(shí)系數(shù)和壓力下有荷膨脹率呈減小的趨勢(shì)，隨石灰摻量的增加，有荷膨脹率減小的趨勢(shì)變緩。

(3) 石灰摻量9%時(shí)有荷膨脹率變化的規(guī)律性很強(qiáng)，說明石灰摻量9%時(shí)改良膨脹土的穩(wěn)定性較好。

3.3收縮試驗(yàn)

膨脹土的收縮特性也是一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)改良膨脹土的收縮特性研究同樣重要。

收縮試驗(yàn)可測(cè)得土的線縮率、收縮系數(shù)和縮限。收縮試驗(yàn)結(jié)果會(huì)受到溫度和空氣濕度的影響，實(shí)驗(yàn)過程中盡量選擇相似的實(shí)驗(yàn)條件，減少試驗(yàn)影響因素。實(shí)驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SS-1型收縮儀，試驗(yàn)具體操作步驟按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112)的方法和要求進(jìn)行。結(jié)果如圖4所示。

(1) 線縮率

圖4　線縮率及收縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Test results of linear shrinkage ratio and shrinkage coefficient

從圖4(a)可以看出，加入石灰后改良土的線縮率隨著壓實(shí)系數(shù)增大均呈減小趨勢(shì)。對(duì)比相同壓實(shí)系數(shù)、不同石灰摻量的線縮率，發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的增加改良土的線縮率增大。這是因?yàn)橥恋木€縮率與初始含水量有關(guān)，初始含水量越高，達(dá)到縮限后土體失去的水分越多，體積變換越明顯。試驗(yàn)均是在最優(yōu)含水量條件下進(jìn)行的，從表4可知，隨著石灰摻量增加改良土的最優(yōu)含水率增大，由此可得到改良膨脹土線縮率的大小與初始含水量有關(guān)。

從圖4(a)還可看出，養(yǎng)護(hù)28天后，改良土的線縮率隨著壓實(shí)系數(shù)增大均呈減小趨勢(shì)，壓實(shí)系數(shù)大于0.93以后線縮率變化不大。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，石灰與土發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，將土顆粒粘結(jié)在一起，土骨架之間連結(jié)基本穩(wěn)定，失水后土顆?；ハ嘀危紫堕g的距離變化不大，整體表現(xiàn)出失水后土體積變化減小。

(2) 收縮系數(shù)

從圖4(b)可以看出，加入石灰后土體的收縮系數(shù)與石灰的摻量和壓實(shí)系數(shù)均有關(guān)，隨摻量和壓實(shí)系數(shù)的變化無明顯的規(guī)律。收縮系數(shù)是線縮率與含水量變化之間的關(guān)系，與線縮率以及所對(duì)應(yīng)的含水量有關(guān)，主要受土體自身物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

養(yǎng)護(hù)28天后，土體的收縮系數(shù)隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而減小。這是因?yàn)閷?duì)摻加同比例石灰的膨脹土來說，壓實(shí)系數(shù)增加必然導(dǎo)致其干密度增加，相應(yīng)的孔隙率有所減小。減小相同的含水量后，壓實(shí)系數(shù)小的土樣因孔隙率大、干密度小，失水后土顆粒重新排列，體積縮小的空間大，其體積變化更明顯，所以試驗(yàn)所測(cè)得的壓實(shí)系數(shù)小的土樣其線縮率變化量比壓實(shí)系數(shù)大的土樣大。收縮系數(shù)與線縮率以及所對(duì)應(yīng)的含水量有關(guān)，減小相同的含水量后，壓實(shí)系數(shù)小的線縮率比壓實(shí)系數(shù)大的線縮率變化量大，所以相同石灰摻量的改良土的收縮系數(shù)隨著壓實(shí)系數(shù)增加而減小。

從圖4(b)還可以看出，養(yǎng)護(hù)28天后，石灰摻量9%的收縮系數(shù)明顯小于其他石灰摻量的改良土，說明隨著石灰摻量的增加改良土的收縮系數(shù)減小。

綜合線縮率和收縮系數(shù)均可以看出，隨著石灰摻量增加，改良土的收縮性降低；隨著壓實(shí)系數(shù)增加，改良土的收縮性也在降低。

3.4脹縮總率計(jì)算

膨脹土的脹縮總率與膨脹土的結(jié)構(gòu)特征、土顆粒大小、礦物成分有關(guān)，能夠反應(yīng)土體自身的一些特征。根據(jù)有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果和收縮試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算改良土的脹縮總率。

計(jì)算所用初始含水量均為其最優(yōu)含水率，據(jù)相關(guān)資料，旱季含水量平均值取為15.2%，計(jì)算結(jié)果如表5。

表 5　脹縮總率數(shù)據(jù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，石灰摻量9%的改良膨脹土脹縮總率均小于0.7%，達(dá)到了規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；摻量3%和6%時(shí)，僅部分壓實(shí)系數(shù)下的改良土符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。在養(yǎng)護(hù)28天后，除石灰摻量3%改良膨脹土的脹縮總率大于0.7%外，其余均符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4石灰改良土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

由于膨脹土吸水軟化、易分化，普遍具有強(qiáng)度折減特性和強(qiáng)度變動(dòng)特性，一般天然狀態(tài)時(shí)其峰值強(qiáng)度極高，而殘余強(qiáng)度極低。前人對(duì)膨脹土強(qiáng)度做了大量試驗(yàn)研究，分析研究成果發(fā)現(xiàn)，膨脹土的強(qiáng)度與其物質(zhì)成分、裂隙發(fā)育狀況、初始含水量、含水量變化、密實(shí)程度、干濕循環(huán)次數(shù)及土的上覆壓力等因素有關(guān)。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)體現(xiàn)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，承載比值和抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)土體的有側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在道路工程中，一般用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、承載比值衡量土的強(qiáng)度。

4.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值是跑道土基填料的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，反映土體無側(cè)向條件下的抗壓強(qiáng)度。本次試驗(yàn)所用儀器為LD127-Ⅱ型路強(qiáng)儀，對(duì)不同石灰摻量的改良膨脹土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的是對(duì)比改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大小。

圖5　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Test results of unconfined compressive strength

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得結(jié)果如圖5所示。沒有養(yǎng)護(hù)期的石灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在石灰摻量3%和6%時(shí)差別不大，而當(dāng)石灰摻量增大到9%時(shí)，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增大。目前我國設(shè)計(jì)中一般要求養(yǎng)護(hù)7天后改良地基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥0.8MPa。本次試驗(yàn)中，壓實(shí)系數(shù)為0.93、0.96和0.98的強(qiáng)度時(shí)，石灰摻量9%的改良膨脹土養(yǎng)護(hù)28天后達(dá)標(biāo)。

養(yǎng)護(hù)28天以后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大小有一個(gè)明顯的排序，并且隨著石灰摻量的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且隨著石灰摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加變得明顯，摻量由6%增至9%時(shí)強(qiáng)度變化非常大。

4.2CBR試驗(yàn)

CBR(加州承載比)值是反映貫入試驗(yàn)后部分土體與整體樣品間產(chǎn)生相對(duì)位移(即剪切力)時(shí)，在剪切面上產(chǎn)生的抗剪特征，是土體抵抗局部剪切(潛在強(qiáng)度)的反應(yīng)。該試驗(yàn)?zāi)M改良土滿足壓實(shí)系數(shù)要求，被水浸泡最不利環(huán)境下，土顆粒間孔隙被水充填其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低的情況?！豆吠凉ぴ囼?yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)將承載比試驗(yàn)列為表征路基粒料、穩(wěn)定土和一般土體強(qiáng)度的指標(biāo)，其適用范圍是路面基層和底層材料。改良膨脹土用于下道床以下的部分，其承載比值應(yīng)不小于5%。

本次的試驗(yàn)測(cè)試了不同石灰摻量在不同壓實(shí)系數(shù)下的CBR值。由于條件限制，未進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

石灰摻量3%、6%的試樣是貫入量5.0mm時(shí)的CBR值，而9%的試件是貫入量2.5mm的CBR值。所得試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　CBR試驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Test results of CBR

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，相同壓實(shí)系數(shù)不同石灰摻量下，其CBR值隨含灰量的增加而增大。其中石灰摻量3%改良膨脹土的CBR值小于5%，不符合要求。石灰摻量9%時(shí)，改良膨脹土的CBR值突然增大。分析其原因?yàn)椋菏业闹饕煞质荂aO，遇水后發(fā)生如下反應(yīng)：

CaO+H2O→Ca(OH)2

同時(shí)散發(fā)出大量的熱量，體積膨脹1～2.5倍。石灰摻量9%時(shí)土體砂化得更徹底，絮凝作用將土顆粒牢牢地粘結(jié)在一起，土體結(jié)構(gòu)顆粒的形狀被改變得最多，土骨架之間連結(jié)得比較好，土體的結(jié)構(gòu)框架基本穩(wěn)定且不易被破壞，此時(shí)孔隙率雖然較高，吸水后膨脹土中的孔隙首先被填滿，脹縮總率相對(duì)較低，在水中侵泡后膨脹變形量較小。石灰中的游離Ca2+與膨脹土中的氧化硅和氧化鋁作用，生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣，是石灰改良膨脹土強(qiáng)度增大的主要原因。改良土中游離Ca2+含量越多，改良土的強(qiáng)度就越高。

改良土的CBR并不是隨著壓實(shí)系數(shù)增加而增大。根據(jù)前人的研究結(jié)果，膨脹土的CBR值與擊實(shí)功、含水量等因素有關(guān)。擊實(shí)功相同時(shí)，CBR值隨含水量的變化規(guī)律與擊實(shí)曲線相似，CBR峰值所對(duì)應(yīng)的含水率一般稍大于最優(yōu)含水率。

5石灰改良土固結(jié)壓縮試驗(yàn)研究

5.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)室內(nèi)固結(jié)壓縮試驗(yàn)得到石灰改良膨脹土的壓縮曲線，從而求得土的壓縮系數(shù)α、壓縮指數(shù)Cc、壓縮模量Es等指標(biāo)。

5.2固結(jié)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別進(jìn)行石灰摻量3%、6%和9%的改良膨脹土試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)期分別為0天和28天，壓實(shí)系數(shù)分別為0.90、0.93、0.96和0.98。試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，所施加的各級(jí)壓力為25、50、100、200和400kPa。試驗(yàn)所用儀器為GZQ-1型固結(jié)儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7。

圖7　石灰改良土固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.7　Results of consolidation compression tests on lime-treated soil

石灰改良膨脹土初始孔隙隨石灰摻量的增加而增大，初始孔隙比越大，受壓后壓縮空間越大，其孔隙比變化越多，從這一理論出發(fā)石灰改良土壓縮性隨石灰摻量的增加而增大。但是從圖7可知，石灰改良膨脹土的壓縮系數(shù)和壓縮模量非常接近，其壓縮性大小順序很難從圖上看出。隨著石灰摻量增加，改良膨脹土越不易于壓密，受壓后孔隙變化情況越不明顯。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，石灰改良土養(yǎng)護(hù)28天后的壓縮系數(shù)均比養(yǎng)護(hù)0天的壓縮系數(shù)有一定程度的減小，而壓縮模量均比養(yǎng)護(hù)0天的壓縮模量有一定程度的提高，其壓縮性有所降低。

6跑道土基填筑施工控制參數(shù)的確定

根據(jù)上述研究,筆者認(rèn)為在確定跑道土基填筑施工控制參數(shù)(最優(yōu)摻灰率和最優(yōu)含水率)時(shí)，可以按照如下步驟進(jìn)行：(1)采用自由膨脹率、界限含水率及線膨脹總率等指標(biāo),對(duì)經(jīng)石灰改良后的膨脹土進(jìn)行1d齡期下的膨脹性能測(cè)定,以此確定最優(yōu)摻灰率；(2)確定最優(yōu)摻灰率后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),確定其最優(yōu)施工含水率;(3)在最優(yōu)摻灰率和最優(yōu)施工含水率條件下，進(jìn)行7d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR等試驗(yàn),以驗(yàn)證其能否滿足跑道土基鋪筑的強(qiáng)度要求。如果強(qiáng)度滿足要求,則可以按照此控制參數(shù)進(jìn)行施工；若不滿足要求,應(yīng)重新按照上述步驟進(jìn)行,直到強(qiáng)度符合要求。

7結(jié)語

(1) 隨著石灰摻量增加，石灰改良膨脹土液限和塑性指數(shù)IP均減小，但其塑限增大；加入石灰后土的脹縮等級(jí)均有所降低，隨著石灰摻量增加，綜合脹縮潛勢(shì)呈降低趨勢(shì)。

(2) 隨著石灰摻量的增加，改良后膨脹土的最優(yōu)含水率有所增大，最大干密度相應(yīng)減小，石灰摻量與最大干密度呈非線性關(guān)系。

(3) 隨著石灰摻量增加，改良膨脹土的最終無荷膨脹率均減小，養(yǎng)護(hù)28天后，同一石灰摻量、同一壓實(shí)系數(shù)的樣品均比養(yǎng)護(hù)0天的自由膨脹率小。在本次試驗(yàn)中石灰摻量大于6%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28天后最終自由膨脹量變化較大。

(4) 隨著石灰摻量增加有荷膨脹率減小，石灰摻量越高，有荷膨脹率隨壓實(shí)系數(shù)增大而增大的趨勢(shì)減緩。石灰摻量越少，養(yǎng)護(hù)28天后有荷膨脹率降低的越多。石灰摻量9%時(shí)有荷膨脹率變化的規(guī)律性很強(qiáng)，說明石灰摻量9%時(shí)其改良膨脹土的穩(wěn)定性好。

(5) 影響其線縮率的主要因素是初始含水量，隨著石灰摻量增加，土的收縮性降低，隨著壓實(shí)系數(shù)增加，改良土的收縮性也在降低。

(6) 養(yǎng)護(hù)0天時(shí)，只有石灰摻量9%的改良膨脹土脹縮總率小于0.7%，養(yǎng)護(hù)28天以后，除石灰摻量3%改良膨脹土的脹縮總率大于0.7%外，其余改良膨脹土的脹縮總率均小于0.7%。

(7) 本次試驗(yàn)中，壓實(shí)系數(shù)為0.93、0.96和0.98，養(yǎng)護(hù)28天后石灰摻量9%的改良膨脹土其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.8MPa，其余均小于0.8MPa。相同石灰摻量改良土的CBR并不隨壓實(shí)系數(shù)的增加而增大，其大小與擊實(shí)功、含水量等因素有關(guān)，其CBR值明顯大于其他改良土的CBR值。

(8) 相同壓實(shí)系數(shù)下石灰摻量3%和6%改良膨脹土的壓縮性比較接近，石灰摻量增加到9%時(shí)其壓縮性明顯降低。養(yǎng)護(hù)28天后的壓縮性均降低。

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FoundationTreatmentofAirportRunwayinExpansiveSoilArea

WANGWen-liang1,2,WANGXiao-mou2,WANGJia-ding3，

(1.Northwest Branch, China Airport Construction Group Corporation of CAAC, Xi’an 710075, Shaanxi, China;2.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China;3.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China)

Abstract：To solve the problem of foundation treatment in the construction of an airport runway in an expansive soil zone, we used the expansive soil in the Ankang area, Shaanxi province as our research object. To determine the construction control parameters of lime-treated expansive soil, we carried out relevant tests on the strength and expansive properties of the soil. The results show that with an increase in the quantity of lime, the optimum moisture content increases, the maximum dry density and the swelling shrinkage potential decreases, and the quantity of lime and the maximum dry density is nonlinear. When the amount of lime is 9%, the regularity of the swelling change rate is strong. The California bearing ratio (CBR), which is related to factors such as compaction and water content, does not increase with an increase in the compaction coefficient. The proportion of added lime had a greater influence on the strength of lime-treated expansive soil. When the amount of lime is 9%, the CBR was higher than for other proportions. Under the same compaction coefficient of expansive soil, with lime dosages of 3% and 6%, the compressibility is relatively similar. When the lime dosage is increased to 9%, the compression significantly decreased. Based on these test results, we propose the use of lime for expansive soil improvement in runway ground treatment, as well as a method for determining the subgrade construction control parameters with respect to the expansive properties as the main control indexes, and strength as the confirmation index.

Key words：expansive soil; lime-treated soil; curing time; compaction coefficient; construction control parameter

收稿日期：①2015-07-13

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40972193)

作者簡介：王文良(1981-)，男，山東聊城人，博士研究生，主要從事特殊巖土地基的研究。E-mail：soilmechanics@163.com。

中圖分類號(hào):TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)03-0431-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0431