城市道路路基呛灰处理过湿粘土研究

欧阳猛

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北武汉 430023)

城市道路路基呛灰处理过湿粘土研究

欧阳猛

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北武汉 430023)

通过分析路基过湿粘土存在的问题,总结对比过湿软土常用处治方法,提出利用生石灰呛灰处理成为适应于城市道路路基过湿粘土处治的优先方法,并分析呛灰处理过湿粘土的原理和作用,最终提出确定合理掺灰量的计算方法。

城市道路 路基 呛灰 过湿粘土

1 路基过湿粘土存在的问题及常用处治方法

1.1 路基过湿粘土存在的问题

在我国的大部分沿海城市及南方城市,城市道路现状表层土常常被过湿粘士覆盖,成为城市道路路基的持力层和主要组成部分。过湿粘土若不经处治,直接作为道路路床或路基填料,存在以下主要问题:(1)过湿粘土含水率高,塑性指数大,颗粒细,压缩性高,强度及渗透性低,工程特性很差,含水率远远大于最佳含水率,用作路基土很难达到压实标准;(2)过湿粘土表面极易失水干缩,产生收缩变形,甚至形成干缩裂缝,一旦有雨水渗入,又会造成压实的土路堤强度下降而丧失稳定。

1.2 路基过湿粘土常用处治方法

过湿粘土施工时常常出现“弹簧”现象,无法压实;竣工后,在行车荷载的作用下,极易导致路基路面产生沉陷、变形、失稳等破坏。根据现行路基设计施工规范,过湿粘土无法满足要求,因此需要对现状过湿粘土进行处治后才能铺筑路面结构。常用的处治方法如下。

(1)翻晒法。翻晒法即把路基一定深度范围内的过湿粘土整体翻挖后摊开,利用阳光晾晒,以降低粘土含水量,含水量降到一定标准后重新分层填筑压实,满足路基设计施工规范要求。(2)浅层换填法。浅层换填法即将路基一定深度范围内的过湿粘土挖除后作为弃方处理,利用外来达标土或其他路基材料填筑压实。(3)外掺剂改良法。外掺剂改良法即在高含水量粘土中掺加具有吸湿能力和固化作用的外掺剂,降低含水量,满足施工碾压要求,提高强度和稳定性。一般采用的外掺剂有石灰、水泥、砂、粉煤灰等。

翻晒法施工方法简单经济,但也存在不少不足:降低含水量速度较慢,工期较长,需要施工场地较大,受天气影响也较大,施工质量不易控制,容易造成局部土含水率偏高。不适合运用于城市道路狭窄的施工条件和恶劣的天气条件。

浅层换填法施工方法简单高效,但由于我国的大部分沿海城市及南方城市地势低平,城市道路标高受城市规划限制,路基多采用零填或低填浅挖,可直接用做路基填料的达标土匮乏或运距较远,大大增大了工程造价,不够经济。

外掺剂改良法在多雨潮湿地区施工方便,施工适应于各种条件,可使工期大幅度缩短,成为适应于城市道路路基过湿粘土处治的优先方法。在多种可选用的外掺剂中生石灰减水能力强,掺量容易控制,且价格低廉,购买方便,成为最常采用的一种外掺剂。利用生石灰处治过湿粘土在道路路基施工中常常被俗称为呛灰。本文将对城市道路路基呛灰处理过湿粘土方法进行探讨和研究。

2 呛灰处理过湿粘土的原理

呛灰处理过湿粘土的原理即石灰与土的相互作用一般分以下4个方面。

(1)离子交换作用。石灰在溶液中电离出来的钙离子(Ca2+)与土中的Na+、H+、K+等产生离子交换作用,减少了土料表面的吸附水膜的厚度,使土粒相互之间更为接近,分子引力随着增加,许多单个土粒聚合成小团粒,使土的塑性降低,受外来水的影响也减小,提高了水稳性。

(2)结晶硬化作用。消石灰Ca(OH)2掺入土中,由于水分较少,绝大部分饱和Ca(OH)2在灰土中自行结晶。这种晶体能够相互结合,并与土粒结合起来形成共晶体,把土粒胶结成晶体。晶体溶解度很小,因而石灰土的水稳性得到提高。

(3)火山灰作用。石灰与土中活性的氧化硅和氧化铝起化学反应,生成含水的硅酸钙和铝酸钙并能逐渐结硬,具有水硬性质。而且这些胶凝物质和氢氧化钙结晶在土的团粒外围形成一层稳定的保护膜,具有很强的粘结力,同时起到隔离作用,阻止水分进入,是石灰土获得强度和水稳性的基本因素。

(4)碳酸化作用。碳酸化作用是熟石灰和碳酸气生成的是坚硬的结硬体碳酸钙,具有较高的强度和水稳性,它对土的胶结作用使土得了加固。

3 呛灰处理过湿粘土的作用

3.1 压实性能改善

土的压实特性可以通过击实曲线来了解,击实曲线是一条具有峰值的单驼峰形曲线,最优含水量位置对应着最大干密度。实际施工时,应在最佳含水量附近进行,这样才能使土获得最大的干密度,从而保证土基的强度稳定性。然而,施工中却很难到达最优含水率,因此,在回填土施工中并不要求达到最优含水率,而是用“压实度”来控制回填土质量。一个压实度控制值对应着一个相应的控制含水量和控制干密度。

对于一般的路基粘土,由于天然含水量大于最优含水量过多,因此,如果直接利用过湿粘土压实填筑,无论怎么压实,压实土的干密度均小于压实度控制的干密度,因此不能满足路基设计施工要求。

呛灰处理过的粘土,其击实曲线与原状土是不一样的。实验结果证明,粘土呛灰后,含水量减小,最大干密度降低,而最佳含水量提高。随着石灰掺量的增加,土体的最佳含水量值逐渐增大,而对应的最大干密度则依次减小。掺灰土的击实曲线朝右下方偏移,且驼峰曲线比原状土平坦。因此,对应于控制压实度的控制含水量即适宜压实的含水量在原来基础上增大,原来无法压实的高含水量土在呛灰后能够满足压实度要求了,过湿粘土的压实性能得到了改善。

3.2 强度提高

土基回弹模量在路面设计中是一个基本参数。粘性土的回弹模量随着含水量的增加而减少,随着压实度的增加而增加。因此,降低土的含水量对回弹模量的提高尤为重要。同时,呛灰后粘土的压缩模量显著增加,可显著降低路基的压缩变形。

3.3 稳定性提高

过湿粘土表面极易失水干缩,产生收缩变形,形成干缩裂缝,一旦有雨水渗入,又会造成压实的土路堤强度下降而丧失稳定。过湿粘土经过呛灰后,土的线缩率和收缩系数显著减小,呛灰土的水稳性提高。因此,掺灰可明显改善路基的稳定性。

4 呛灰量分析研究

石灰的剂量对石灰土强度影响显著,石灰的含量较低时,石灰主要其稳定作用,使土的塑性、膨胀性降低,初步具有水稳性,密实度和强度得到稳定。随着剂量的增加,强度和稳定性均提高。但石灰的含量超过一定数量后,过多的石灰将沉积在土中孔隙而不参加反应,会导致孔隙比增加、石灰土强度降低。因此,对于呛灰处理过湿粘土,存在一个满足施工压实要求的生石灰粉合理掺量。如何确定合理的掺灰量成为过湿粘土呛灰处治的最实际问题。

目前,研究者得出了一系列适合各个地区的呛灰量计算公式。如上海市政工程研究院根据大量试验结果得出的掺灰量回归公式如下:

式中:a——生石灰掺量(以小数计);

w0——原状过湿粘土含水量(以小数计);

w1——呛灰土的施工压实含水量(以小数计);

——生石灰中活性CaO含量(以小数计);

n——蒸发系数,可按下式计算:

上面(1)、(2)两式中,w0和q均为已知量。至于w1为呛灰土的施工压实含水量,根据上述对呛灰土压实性能改善的分析,综合参考各种资料,由于最佳含水量及击实曲线宽度的增加, 石灰土的施工压实含水量比原状土可增加约2%～4%,因此可将原状土的压实含水量提高2%～4%(视掺灰量而定,石灰掺量低取低值,石灰掺量高取高值),作为石灰土的施工压实含水量。原状土的压实含水量即最优含水量一般由击实试验取得,无击实试验数据时粘土的最优含水量大约比塑限高2%,而塑限数据一般可由勘察报告提供。因此,联立(1)、(2)两式,可计算出a即掺灰量。考虑到现场施工中拌和的均匀程度及误差,建议现场最终掺灰量比计算结果大0.5%。

5 结语

(1)过湿粘土若不经处治,直接作为道路路床或路基,存在难以压实、强度低和稳定性差等问题,利用生石灰呛灰处理成为适应于城市道路路基过湿粘土处治的优先方法。(2)呛灰处理过的粘土,含水量减小,最大干密度降低,而最佳含水量提高。过湿粘土的压实性能得到了改善,土的强度和稳定性也得到了提高。(3)对于呛灰处理过湿粘土,存在一个满足施工压实要求的生石灰粉合理掺量。可利用计算公式计算掺灰量,考虑到现场施工拌和和误差,应对计算值应进行调整。

[1]刘聪聪.湖区公路过湿土的改良技术研究:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2007.

[2]李俊,叶国弘.生石灰粉处理过湿土的掺量计算[J].华东公路,2001(4)．

[3]高速公路过湿粘土路基掺消石灰处理方法的研究[J].河海大学学报,1999(1).