石灰改良膨胀土填料试验研究

2012-01-09刘晓义杨有海

铁道标准设计 2012年1期

刘晓义,杨有海

(兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

膨胀土广泛分布在世界范围内。我国是世界膨胀土分布最广、面积最大的国家之一。到目前为止,我国发现膨胀土的地区已达20余个省、市、自治区。膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、失水后显著收缩特性的高液限黏土,其矿物成分主要是蒙脱石,为一种高塑性黏土,一般承载力较高,具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。从颜色上看,膨胀土有两种典型的颜色：黄褐色和灰白色。鉴于膨胀土的这些性质,它给工程建设带来了极大的危害。此种危害不仅表现在地表建筑物上,也反应在地下工程中。它不仅对铁路、公路、渠道的边坡、路基和路面，也对房屋基础、地坪，同时对地下洞室及隧道围岩、衬砌，甚至对这些工程所采取的稳定性措施,如护坡、挡土墙和桩等也产生破坏。

高速铁路和高等级公路的修建中,必然遇到大量的膨胀土问题,出于保护土地资源和环境保护的目的,不得不利用当地的中膨胀土或弱膨胀土进行路基填筑。膨胀土若直接作为铁路路基填料会引起其上部铁路轨道的过量变形,从而危害铁路行车安全。而这种过量变形是由于含水量变化时膨胀土体积发生变化。所以必须对铁路所经过的膨胀土路基填料进行改良。目前改良的方法很多,有掺石灰、水泥、粉煤灰、二灰(石灰和粉煤灰、水泥和粉煤灰)、分析纯氯化钙等无机改良材料、聚丙烯酰胺等有机改良材料、微生物改良法和工程弃渣改性等[1-2]。本文主要探讨石灰改良膨胀土用于铁路路基填料的试验研究。

1 试验目的及方案

沪汉蓉通道武康二线建设中,遇到颜色为黄褐色的膨胀土,所以从现场取样进行室内试验研究。包括物理性质试验、击实试验、胀缩试验、强度试验,其中物理性质试验是为了确定出石灰改良土的基本物理性质指标,为强度试验提供一定的设计参数；击实试验是为了分析膨胀土及其改良土的力学特性；胀缩试验是为了分析其膨胀和收缩特性,将其结果与素膨胀土的胀缩特性进行比较,分析石灰改良膨胀土的合理性及其改良机理；强度试验是为了研究影响石灰改良土强度的敏感因素,确定出合理的石灰掺和比。

上述试验中物理性质试验和胀缩试验是对掺5%石灰改良土进行的。通过三轴试验来完成强度试验,试样的石灰掺和比分别为：3%、5%、7%、10%、13%；每种掺和比分别有两种压实系数η：0.90和0.95；每种压实系数下进行2种含水量试验,一种是在石灰改良土最优含水量附近,另一种是饱和试样；所有工况养护龄期为7 d和28 d两种情况。

2 试验结果与分析

2.1 试验段膨胀土基本性质

从颜色上看,该膨胀土是黄褐色的。通过室内试验得出膨胀土的基本性质指标如下：颗粒比重Gs=2.72,液限WL=39.0%,塑限WP=22.0%,塑性指数Ip=17.0,最大干密度ρd,max=1.78 g/cm3,最佳含水量Wopt=15.4%,自由膨胀率Fs=43%。该膨胀土塑性指数IP大于15,自由膨胀率Fs大于40%,根据现行分类判别标准,可判定该试验段内的膨胀土属于弱膨胀土。

2.2 石灰改良土界限含水率试验

试验表明(表1),在膨胀土中掺入石灰后,液限WL变化不明显,塑限WP有所提高,塑性指数Ip降低,说明在膨胀土中掺入石灰能够降低土的塑性。石灰改良土的胀缩性主要通过减小土的塑性来实现的,塑性指数降低,亲水性减弱,土的结构也发生了变化,所以膨胀性也减弱。从液塑限判断,素土属于膨胀土,石灰改良后其性质由膨胀土转变为非膨胀土。塑性指数的变化在一定程度上也显示出了不同掺灰率对土体膨胀性改善效果。

表1 膨胀土及其石灰改良土的液塑限

2.3 石灰改良土的击实特性试验

通过击实试验得出素膨胀土的最大干密度ρd,max=1.78 g/cm3,最佳含水量Wopt=15.4%,掺5%石灰的改良土的最大干密度ρd,max=1.76 g/cm3,最佳含水率Wopt=16.5%。结合膨胀土及其石灰改良土的击实试验曲线(图1),石灰改良土的最大干密度在减小。且石灰改良土击实曲线的峰值区比素土的要平缓,即击实区域比较宽泛,这说明改良土的干密度对含水量的敏感性比素土小。改良土的最佳含水量与素土相比,其最佳含水量有所提高。

击实试验表明膨胀土在改良后,其结构发生了改变(素膨胀土主要是由亲水性矿物成分组成的,颗粒较细,弱结合水的水膜较厚,缩限与塑限间的距离较大[3]),改良土新的结构有助于增强膨胀土的稳定性。

图1 膨胀土及其石灰改良土击实曲线

2.4 石灰改良土的压缩试验

重塑膨胀土及5%石灰改良土压缩指标如表2所示,重塑素膨胀土属于中等压缩性土,压缩系数av随压实系数η增大而减小,压缩模量Es随压实系数η增大而增大,这是因为同一含水量下压实系数小时,土的结构较为疏松,土颗粒容易相互错动而产生高的压缩变形。随着压实系数η的增大,土颗粒相对移动不显著,产生很小的压缩变形,即压缩模量Es较大。相比素土,5%石灰改良土的压缩系数av降低,压缩模量Es增加,由中等压缩性土变成低压缩性土,可见在膨胀土中掺入石灰对降低膨胀土的压缩性有较好的效果。

表2 重塑膨胀土及5%石灰改良土压缩指标

2.5 石灰改良土的胀缩特性试验

重塑素膨胀土的膨胀力试验指标如表3所示,压实系数η越大,即干密度ρd越大,膨胀土的膨胀力Pp也越大,而在膨胀土中掺入5%石灰其膨胀力基本消失,这说明石灰能够抑制膨胀土的膨胀性。

表3 素膨胀土膨胀力 kPa

由表4的无荷膨胀率试验指标可看出,重塑膨胀土的无荷膨胀率VH在起始含水量相同的情况下,随着压实系数的增大而增加,因为起始干密度越大,亲水黏土矿物与水分接触的比表面积就越大,因此膨胀潜势也越高[4]。5%石灰改良土较素土的无荷膨胀率VH有较大的减小。

表4 重塑膨胀土及5%石灰改良土的无荷载膨胀率

表5是重塑膨胀土和石灰改良土的收缩指标,从表中可看出,掺入石灰后,线缩率eSL和收缩系数CSL均变小；在同一含水量不同压实系数下,线缩率eSL变化不大,收缩系数CSL变化很小,即压实系数η对收缩指标影响不明显；这表明石灰能够降低膨胀土的收缩性。

表5 重塑膨胀土及石灰改良土收缩指标

2.6 石灰改良土强度特性试验

2.6.1 石灰改良膨胀土的破坏特征

石灰改良膨胀土随着掺和比的增大其应力-应变曲线均属于应变软化型,试样发生明显的脆性破坏。在发生干湿循环后,试样的破坏应变较在标准养护条件下的大。

2.6.2 掺和比对石灰改良膨胀土强度的影响

图2 石灰改良土掺和比与强度指标的关系(T=28 d,η=0.95)

石灰改良膨胀土的强度随掺和比的增加而增大。如图2所示,相同条件下,石灰改良膨胀土随着石灰掺量aw的增加,其黏聚力c值有明显的增长,且当aw=5%～7%时,c值的增长趋势更加明显,这说明石灰改良土的强度和稳定性均有很大程度的提高。但当石灰的含量超过一定数量后(aw=7%), 石灰改良土的c值提高不明显甚至降低,其无侧限抗压强度qu在非饱和状态下增长变得缓慢,饱和状态下qu提高不明显甚至降低,这说明石灰改良土存在最佳石灰掺和比,进而可说明该地区膨胀土的最佳掺和比约为7%。

2.6.3 龄期对石灰改良膨胀土强度的影响

石灰改良膨胀土的无侧限抗压强度qu与养护龄期T的关系如图3所示,以掺灰量aw为5%的石灰改良土为例,在两种含水量(饱和与非饱和)状态下,可看出石灰改良土初期的强度增长较快,特别是0～7 d龄期的强度增长最快,在养护约10 d后强度增长缓慢,但增长并未终止；60 d后饱和状态下石灰改良土的强度仍有很大的增长趋势,说明石灰改良黄褐色膨胀土具有明显的龄期效应。进而说明在施工现场保证养护龄期能使石灰改良膨胀的抗剪强度得到最大的发挥。

图3 石灰改良土强度与龄期的关系(aw=5%)

2.6.4 石灰改良膨胀土的水稳定性

素膨胀土与石灰改良膨胀土的水稳定性指标如表6所示,在压实系数η为0.90和0.95两种情况下素膨胀土的软化系数K和无侧限抗压强度qu都很低,掺了石灰的改良土的软化系数K和无侧限抗压强度qu要远大于素膨胀土,相同条件下,石灰改良土的无侧向抗压强度大约是素膨胀土的10倍多,这表明石灰改良土具有良好的水稳定性,可有效地保证路基工程的稳定性。