益娄高速公路路基膨胀土物理力学指标试验研究

唐　炜

(湖南省益娄高速公路建设开发有限公司， 湖南 益阳　413000)



益娄高速公路路基膨胀土物理力学指标试验研究

唐炜

(湖南省益娄高速公路建设开发有限公司， 湖南 益阳413000)

摘要：以益阳至娄底高速公路路基膨胀土处治为工程背景，开展了路基膨胀土填料的物理力学特性的试验研究。采用室内土工基本物性试验，对土样的基本物性指标进行了测定，并对土样的膨胀潜势进行了判别。采用室内基本力学试验，对判别为膨胀土土样的力学指标进行了测定。针对益阳至娄底高速公路路基膨胀土处治设计方案，提出了掺石灰的最佳掺灰比。通过试验研究，获得了该高速公路膨胀土的工程特性，为膨胀土路基处治提供了参考依据。

关键词：高速公路； 路基； 膨胀土； 工程特性； 试验研究

0前言

益阳至娄底高速公路从二标～五标、十二标～十三标段之间均断续分布有厚薄不等的、具有弱～中等膨胀性的膨胀土，且多为挖方，总计约164.0万m3，其液限和自由膨胀率较高，具有弱～中膨胀土的物理力学特征。

按现行《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[1]规定，膨胀土不能直接用于路基填筑，若废弃必将导致大量借土，以及弃土用地的大幅增加，带来工程造价增加及环保方面的许多问题。为合理利用膨胀土，并确保益阳—娄底高速公路的路基修筑质量，解决膨胀土地带路基及边坡的常见病害，必须寻找有效的办法对膨胀土进行处治和利用，并建立起膨胀土路基修筑施工技术指南，作为《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)[2]的补充和细化。

从上述膨胀土分布较为集中的路段，取回32个代表性土样，开展室内基本土工试验。土样的采集、运输、保管，以及试样制备等依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[3]进行。通过室内土工基本物性试验，对土样的基本物性指标进行了测定，并对土样的膨胀潜势进行了判别。通过室内基本力学试验，对判别为膨胀土土样的力学指标进行了测定。针对益阳至娄底高速公路路基膨胀土处治设计方案，提出了掺石灰的最佳掺灰比。通过试验研究，获得了该高速公路膨胀土的工程特性，为膨胀土路基处治提供参考依据。

1土样物性指标试验及膨胀性判别

1.1土样物性指标试验

土样物性指标试验包括：含水率试验、颗粒分析试验和界限含水率试验等。由于膨胀土判别采取初判和详判2个步骤，因而土样物性指标还包括自由膨胀率和标准吸湿含水率等2个指标。

32个土样中的部分土样的物性指标试验结果见表1。

1.2土样膨胀性判别

关于膨胀土的判别，国内外尚不统一，根据多年来工程实践的经验总结和工程地质特征，自由膨胀率大于40%和液限大于40%的黏性土，可初判为膨胀土。将初判为膨胀土的黏性土，根据自由膨胀率、标准吸湿含水率、塑性指数三项指标进行膨胀土详判。

因此，膨胀土判别试验分为2个步骤：第1步是测定32个土样的液限、塑限和自由膨胀率，进行初步判定；第2步测定土样的标准吸湿含水率，通过自由膨胀率、标准吸湿含水率、塑性指数等进行详判。膨胀土的判别试验包括： ①液限、塑限联合测定试验； ②自由膨胀率试验； ③标准吸湿含水率试验。

部分土样的膨胀潜势判别结果见表1。

表1 土样物性指标及膨胀潜势判别结果土样号取样地点自由膨胀率Fs/%标准吸湿含水率/%塑性指数判别结果1K12+00049.04.921.0弱2K12+10041.02.313.1非3K12+50042.02.615.1弱4K17+50053.03.115.2弱5K28+98055.04.740.6中6K29+00053.04.938.9中7K32+66061.56.226.3中8K35+60042.04.916.1弱9K36+50041.05.317.2中10K41+60044.54.425.7弱11K41+70051.64.939.6中

2膨胀土力学指标试验

将判定为膨胀土的土样，开展击实试验、直剪试验、无荷膨胀率和有荷膨胀率(50 kPa)等试验。试验结果见表2。

表2 膨胀土土样的力学指标汇总表土样号最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%c/kPaφ/(°)无荷膨胀率/%50kPa有荷膨胀率/%11.812168.3215.322.370.9421.832067.0216.003.021.0031.852064.2216.263.381.2141.832349.9118.937.60.9151.832249.2017.907.50.9061.852348.4816.428.10.8671.7517106.5710.629.340.7681.832098.2312.6310.020.9891.992451.9219.0712.52.32101.892380.2220.1211.41.56111.681970.3224.673.980.92

3路基膨胀土改良方案

掺石灰是膨胀土改性处治的最有效方法和工程实践中最常用的方案[4，5]，在各地相关专题研究中得到验证。《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[1]也推荐采用石灰改良的方法。成功的案例有：河南内乡至邓州高速公路[6，7]、广西南宁外环高速公路[8～10]、广西百色至隆林高速公路[11]、湖北襄阳至荆州高速公路[12，13]、安徽合肥至六安叶集高速公路[14，15]、空军汉口新机场主跑道[16]等。

采用生石灰改性膨胀土包边法可减少石灰用量，合理利用膨胀土，降低施工成本和难度，加快施工进度，基本不影响公路沿线的生态环境。工程应用情况表明，包边法是一种施工简单、安全性较好、环保效益较好和对气候环境具有良好针对性的方法。

《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)[2]规定，石灰掺量必须由试验确定。以中膨胀土为例，探讨生石灰改性效果和工程特性，并确定生石灰的最佳掺量。评价指标为生石灰改性中膨胀土的： ①物理性质(液限、塑限和塑性指数)； ②胀缩性质(自由膨胀率、无荷膨胀率和50 kPa有荷膨胀率)； ③强度性质(CBR值)。试验方法执行《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[3]。

试验土样取自益娄高速公路K32+660处，取土深度为1.0 m，新鲜土样呈灰色、黄色、白色杂色，并呈细小鳞片状，手摸感到有较粗的砂粒，灰白色土手摸有滑腻感，为中膨胀土，其物理力学指标为：液限为59.0%，塑限为34.8%，塑性指数为24.2，抗剪参数为：c=49.0 kPa，φ=20.1°，最大干密度为1.79 g·cm-3，最佳含水量为22.0%，自由膨胀率为59.5%，无荷膨胀率为13.8%，胀缩总率为2.89%，CBR为0.35%。

生石灰掺量的质量百分比为：3%、5%、7%和9%。试验用石灰的化学成分为：CaO含量为78%，MgO含量为3.1%，为III级钙质石灰。

试验结果汇总于表3。

表3 生石灰改良膨胀土试验结果汇总%石灰掺量液限塑限塑性指数自由膨胀率无荷膨胀率胀缩总率CBR059.034.824.259.513.82.890.35350.830.620.241.87.72.01.65539.428.610.816.52.60.93.80739.631.68.012.33.70.38.82939.930.69.39.44.90.19.16

通过上述试验发现，生石灰改性膨胀土的各项试验指标较天然膨胀土均有明显改善，特别当掺灰率介于5%～7%时，显著改善了膨胀土的各项物性指标；当掺灰量大于7%时，各项指标变化不明显。

当生石灰掺量大于5%时，CBR大于3%，且胀缩总率(50 kPa有荷膨胀率)大于0.7%。因此，无论在何种压实区下，生石灰掺量都应大于6%。

补做生石灰掺量为6%的CBR和胀缩总率试验，试验结果为：CBR为4.23%；胀缩总率为0.58%。验证了生石灰掺量为6%的合理性。

因此，益娄高速公路膨胀土路堤包边方案中，生石灰掺入量取6%是比较合理的。现场施工要解决的关键技术则是掺灰工艺、压实度和碾压含水量的控制。

4结论

在膨胀土物理力学指标试验中，需要注意以下几点：

1) 在天然含水率测定中应注意2个方面的问题：一是土样采集、运输和保管；二是烘干后应立即称重，否则含水率试验结果将有3%～5%的误差。

2) 在液限、塑限联合测定试验中，试样制备对液限、塑限测定结果的精度产生重要影响。土样制备应均匀、密实，一般应制备3个土试样，其含水率分别接近液限、塑限、液限与塑限之间。其中含水率接近塑限的土样对液限塑限联合测定结果产生的影响最大。采用滚搓法(《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)T0119-1993[3])对塑限进行校核。

3) 土样的制备、量筒容积对自由膨胀率试验结果影响较大。在土样试验制备中，首先是土样过筛的孔径，本实验采用0.5 mm筛作为标准，四分法和标准烘干法(烘干温度为105～110 ℃)制备土样。量筒容积100 mL测定的结果大于50 mL测定的结果。

4) 无荷膨胀率试验中，土样尺寸、土样的自然状态对试验结果有较大影响。本实验选用6 h内变形不超过0.01 mm作为无荷膨胀率试验的稳定标准。有荷膨胀率试验标准则是在2 h内读数差不超过0.01 mm，并且应测定试验前后的含水率，防止产生假稳定。

在石灰掺量试验研究中，由于石灰掺量大于6%时，胀缩总率才小于0.7%，因此，益娄高速公路膨胀土路堤包边方案中，无论在何种压实区下，生石灰掺量都应大于6%。现场施工要解决的关键技术则是掺灰工艺、压实度和碾压含水量的控制。

参考文献：

[1] JTC D30-2015，公路路基设计规范[S].

[2] JTG F10-2006，公路路基施工技术规范[S].

[3] JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].

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中图分类号：U 416.1

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0022-03