市政道路路基工程改良红黏土试验分析

张志刚

摘要：针对市政道路路基红黏土改良再利用的工程问题，本研究通过开展一系列室内试验，根据试验规律变化以确定最优的石灰掺量和施工含水率，并与素土击实试验结果对比，总结出合适的施工控制方法。结果表明：石灰的加入对红黏土性能有较大的改善作用，生石灰的掺配推荐质量比在10左右且不宜超过12;根据改良的室内试验结果，最优的施工含水率应该在OMC+2到OMC+4之间，同时考虑施工过程中的水份散失，宜采用OMC+4的含水率进行改良土路基填筑。

关键词：红粘土;石灰改良;施工含水率;压实控制

引言

红黏土是一种具有高液限和高裂隙的特殊土，其遇水膨胀、失水收缩等典型特性十分不利于填土长期稳定，且其力学性能难以满足路基施工的要求，通常不能直接用于路基填料。然而，由于特殊气候和地质条件，我国南方地区广泛分布着由碳酸类岩石风化、红土化产生红黏土，市政道路建设异地取土困难，这就面临着红黏土等不良填料改良再利用的工程问题。目前，对于改良红黏土的研究已取得了许多有意义的成果，一些学者就红黏土的特殊力学性质和改良机理展开了讨论。为了获得改良红黏土填筑的压实控制指标，本文采用湖南省长沙某市政道路工程现场土样，对石灰质量比和含水率影响的改性红黏土力学性能开展一系列试验研究，对比分析击实含水率与施工含水率的不同，并基于此对现场施工压实控制提出建议和参考。

1材料基本物理性能

南方地区气候条件湿热多雨、红黏土分布广泛，为研究实际工程遇到的红黏土填筑市政道路基问题，本试验的红黏土采用的是来自于湖南省长沙某市政道路工程的现场土样，通过试验测定其基本物理性能如表1所示，测定土样为高液限红黏土。同时，经过颗粒筛分和密度计法，所得颗粒分布试验结果如图1，其中黏粒含量约为52.3%，为土样高液限的主要原因，矿物成分如表2所示。试验所采用生石灰粉，其有效化学成分CaO和MgO的含量百分数分别为72.4%和4.1%。

2室内试验研究

路基土的压实特性是市政道路路基设计中非常重要的性能指标，同时也是直接反映施工质量的控制标准。为实现石灰改性后的高液限红黏土最佳性能，本研究通过测定一系列室内试验，根据试验规律变化以确定最优的石灰掺量和施工含水率，并与素土干法和湿法击实结果对比，总结出合适的施工控制方法。

2.1击实试验

（1）素土的最佳含水率和最大干密度是红黏土压实的重要参考，通常采用标准重型击实试验获得相关的击实曲线，其结果规律见图2所示，本研究分别采用干法和湿法制样;

（2）由图2的结果表明，由干法击实确定的最佳含水率（OMC）为30.6%，最大干密度（MDD）为1.54g/cm3;

（3）而通过湿法击实的结果为1.43g/cm3的MMD，对应的OMC为32.1%。通过对比结果可知，干法测定的OMC低于湿法，但其MDD要大于湿法击实结果;

（4）红黏土中含有大量的黏土矿物，在自然沉积中这些矿物获得了大量的结合水，而干法土样在烘箱中的脱水过程实际上破坏了其原状土的内部结构，从而使得矿物内结合水散失且过程不可逆，而对于湿法过程则不影响土样中结合水的保持。

2.2直剪试验

（1）结合上述素土的击实试验结果，可以初步确定改良红黏土的施工含水率范围。由于实际工程经验表明干法击实的结果往往难以满足实际压实度的要求，且施工过程通常采用翻晒后的填料加工并直接用于填筑，因此，本实验以湿法试验（OMC=32.1%）作为含水率基准，分别按照28%、30%、32%、34%、36%的含水率，采用湿法拌合成土膏并置于塑料袋中，扎好袋口于阴凉处闷料24小时，然后掺入质量比为0%、4%、8%、12%、16%的生石灰粉，最后拌合均匀后制成试样。

（2）为了研究红黏土路基填料的强度，采用ZJ-4四联直剪仪进行测试，其测试应力范围为50—400kPa，考虑到浅层路基的实际作用应力，本试验设置50、100、150、200kPa的加荷方案，剪切速率控制在0.8mm/min左右，所得試验结果如表3和表4所示。

（3）通过表3和表4的试验结果发现：石灰的加入对红黏土性能有较大的改善作用，相同初始含水率条件下改良红黏土的黏聚力c最大可提升17%—42%，最大内摩擦角max从初始的35.38°增长至37.45°，随着石灰质量比从0%增加到12%，其黏聚力c和内摩擦角均单调增加，而当石灰掺量达到16%时呈明显下降趋势;

（4）通过表3和表4的试验结果发现：含水率对改良红黏土的剪切性能影响与击实试验相类似，当掺入石灰的质量比较小（4%）时，其剪切参数（c和）变化的最大峰值点在OMC附近，但随着石灰含量增加，两个剪切参数的变化趋势仍基本保持一致，但其最优的含水率从OMC增大到34%—36%。

2.3 CBR试验

（1）加州承载比CBR值在路基设计中被广泛采用，其中规范对路基填料规定其最小值不应小于3%，且若CBR值大于8则满足各等级道路要求。参照击实试验和OMC值，分别制备生石灰粉质量比为0%、4%、8%、12%、16%的CBR试件，并经过4d饱和后，测定试件的CBR值，结果如图3所示。

（2）图3中的变化趋势表明，随着生石灰粉的掺入，对红黏土的CBR值有明显的改善效果，当石灰质量比在8%—12%时，其饱和土样的CBR值达到最大，较素土的强度增加了15.3倍，且其结果完全满足市政道路基填筑的要求。将直剪试验和CBR试验结果综合分析，生石灰对红黏土的增强作用存在最优值，最佳的生石灰质量比在8%—12%范围内。

2.4无侧限抗压强度试验

（1）无侧限抗压强度是改良土路基填料的重要强度指标之一，为了探究不同含水率对石灰改良红黏土的影响，本试验以12%质量比的石灰为例展开研究。

（2）无侧限抗压强度试验过程：首先通过击实试验测定最佳含水率OMC条件下改良土的干密度;

然后采用静压成型方法制备分别控制90%、92%、94%、96%和98%压实度的圆柱体土样，保湿养生7d;最后采用UTM伺服材料机以1mm/min的速度进行无侧限加载试验，试验结果见图4。

（3）从图4中的抗压强度结果可以看出，不同的含水率和压实度对应不同的强度大小变化规律：1）随着压实度的增加，改良土的最大抗压强度可达到1.0MPa左右;2）当压实度为98%时的强度是90%时土样的133.33%—139.44%倍，可知压实度对改良土性能的影响显著;3）从含水率对强度的变化曲线分析中不难发现，对于12%质量比的石灰改良土，其最优的含水率在34%—36%;4）采用最佳含水率OMC进行红黏土填料的施工并不能完全发挥石灰改良的效果。

3关于施工压实控制的讨论

将上述试验结果作为路基填筑的重要依据，可以对得到如下压实控制结论：

（1）对于含水率，在红黏土路基填筑时宜采用湿法击实得到的最佳含水率作为参考设计值，施工含水率为OMC+4%;

（2）根据改良的室内试验结果，最优的施工含水率应该在OMC+2%到OMC+4%之间，同时考虑施工过程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率进行改良土路基填筑，较采用OMC条件下碾压，不仅效果更加，且在一定程度上缩减了填土翻晒的工期;

（3）对于掺灰量，生石灰的掺配推荐质量比在10%左右且不宜超过12%。掺入生石灰能显著改善土样的CBR值，使其满足路基填筑的要求;

（4）通过改良土强度的变化规律发现，生石灰对改良土性能的增强效果并不是单调增长的，与击实试验相类似，存在最优比例，超过该比例土样的性能反而减低，本试验研究的高液限红黏土在生石灰8%—12%的质量比时性能较佳。

4结论

（1）干法击实和湿法击实获得的最佳含水率和最大干密度均不相同，采用湿法击实得到的含水率大于干法击实，在红黏土路基填筑时宜采用湿法击实得到的最佳含水率作为参考设计值;

（2）石灰的加入对红黏土性能有较大的改善作用，生石灰的掺配推荐质量比在10%左右且不宜超过12%;

（3）根据改良的室内试验结果，最优的施工含水率应该在OMC+2%到OMC+4%之间，同时考慮施工过程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率进行改良土路基填筑，较采用OMC条件下碾压，不仅效果更加，且在一定程度上缩减了填土翻晒的工期。

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