高速公路石灰改良高液限红黏土试验研究

刘 武

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

红黏土是指碳酸盐岩经特殊的物理化学作用后形成的一类特殊性土体，广泛分布于我国长江以南地区，尤其在云贵高原、“两湖”“两广”地区较为常见[1]。我国高速公路建设发展越来越快，大量的高速公路需要穿越特殊性红黏土地区，深入研究红黏土的性质对工程建设具有重要指导意义。本文结合湖南省祁东归阳至常宁蓬塘高速公路路基施工，进行石灰改良红黏土试验研究，通过施工石灰改良土试验路，确定了碾压遍数、碾压速度、松铺厚度、松铺系数等各项工艺参数，用以指导后续大面积的改良土填筑施工。

1 工程实例

祁东归阳至常宁蓬塘高速公路地处衡阳地区，该地区有大面积的红黏土。室内试验检测数据表明，该类红黏土液限>50%，塑性指数>26。依据《公路路基施工技术规范》(JTG-T 3610-2019)关于路基填筑材料的要求，这类高液限土不得直接作为路堤填料，必须采用技术措施进行处理后才能用于高速公路路基填筑。高液限红黏土天然含水率高，毛细现象显著，具有较低的模量与强度和较大的黏性与可塑性，且接触雨水后能较长时间保持水分，表现出较低的承载力工程特性，不宜作为路堤填料[2]。

经过实地勘察、取土调查发现，该地区附近缺乏优质的路基填筑土源。考虑到经济效益、环境保护和就近利用土地资源等因素，宜选择当地红黏土作为路基填料。不同地区红黏土的颗粒组成、液塑限、水稳定性等物理特性和化学成分有很大区别，应进行具体的试验研究和分析加以区别对待。若改良失败，将导致高速公路在运营过程中存在不均匀沉降、路基软化塌陷、边坡垮塌等严重质量隐患，从而造成巨额经济损失。

目前处理高液限红黏土的措施主要有物理改性、化学改良、包边法三类。物理改性主要是通过掺加砂砾改善红黏土的液限、塑性指数以及强度，当粗粒料含量>35%～40%时，可以满足一般的路基填筑要求。化学改良是指在红黏土中掺入石灰、水泥、粉煤灰等外加剂，使之与土壤发生一定的物理化学反应，以改变原状土的物理力学性能来稳定红黏土，可有效降低含水率、提高强度，同时又可降低塑性指数，提高水稳性。包边法是将强度低、水稳性差的高液限红黏土进行隔水封闭，选择具有良好水稳性的低液限土作为外包封闭材料[3]。结合祁东归阳至常宁蓬塘高速公路路基工程，对红黏土采取石灰改良措施，研究改良前后的物理性能、强度变化，并通过施工石灰改良红黏土试验路对实际应用效果进行检验分析。

2 石灰改良土试验研究

2.1 试验目的

本次对红黏土进行了大量的室内试验研究，包括原状土的物理性质试验和强度试验，通过物理试验对比分析红黏土掺石灰前后的液塑限变化和最佳含水率、最大干密度变化；通过改良土的无侧限抗压强度试验和CBR试验，对比不同石灰掺比下改良土的7 d无侧限抗压强度和CBR值，确定合理的掺和比[4]。

2.2 原状土试验

试验所用的红黏土原状土取自祁东归阳至常宁蓬塘高速公路K24+700段的取土场。原状土的物理性能及试验结果如表1所示。

表1 红黏土的基本物理性质表

2.3 石灰改良红黏土试验研究

目前处理红黏土的方法主要是化学改良，即在原状土中掺入一定比例的石灰、水泥等外加剂，拌和均匀后与土壤颗粒充分发生物理化学反应，原状土的物理力学性能随之改变，结构变得更加稳定。依据路基施工规范，改良湿黏土宜采用磨细的生石灰粉或者消石灰，石灰颗粒应<20 mm，石灰质量等级不低于三级标准[3]。试验采用磨细的生石灰粉，质量等级为三级，掺配比例分别为0、3%、5%、7%、9%，进行击实试验、界限含水率试验、7 d无侧限抗压强度试验及CBR试验(对应96%的压实度)，试验结果如表2所示。

表2 红黏土及其石灰改良土的液塑限、击实、强度试验结果表

2.3.1 击实试验

在红黏土掺入石灰过程中，石灰与土壤颗粒充分发生物理化学反应使得原来的土结构发生改变，微细颗粒的凝絮和絮聚导致原状土的黏土颗粒形成粒径较大的粗颗粒，彻底改变了结构的稳定性和压实性能。如图1所示，石灰改良土的最佳含水率明显大于原状红黏土，且随着石灰掺比增大而增大；石灰改良土的最大干密度明显小于红黏土的最大干密度，且随着石灰掺比增大而减小[5]。掺入石灰后，由于土颗粒的凝聚以及石灰与土的水化反应要消耗土中一部分水分，导致改良土的最佳含水率增大，由于石灰的比重小于红黏土的比重使得改良土的最大干密度减小[6]。

图1 不同石灰掺比的改良土击实试验结果对比曲线图

2.3.2 液塑限试验

掺入石灰后，红黏土颗粒与石灰之间发生离子交换，原来的黏性细颗粒絮聚成团粒结构。如图2所示，随着石灰掺比的增加，石灰改良土的液限随之降低，塑限随之提高，塑性指数显著降低。由此可知，高液限红黏土掺入石灰后，亲水性能减弱、水稳定性提高，工程性质得到改善[7]。

2.3.3 无侧限抗压强度试验及CBR试验

如图3所示，随着红黏土中石灰掺比增大，改良土的7 d无侧限抗压强度和CBR值呈现增大的趋势，石灰掺比增大能显著影响改良土强度。石灰在掺比<7%时主要起到稳定红黏土的作用，有效降低红黏土的高液限和塑性指数，使其水稳定性得到改善，强度明显提高。但是石灰含量>7%时，由于过量的石灰沉积在土壤间隙中不参与反应，7 d无侧限抗压强度提高不再明显。7%石灰改良土7 d无侧限抗压强度为0.64 MPa，能够满足≥0.5 MPa的设计要求，且CBR值满足高速公路对于路基路床填料的要求，最终确定最佳石灰掺比为7%[7]。

图2 不同石灰掺比的改良土液塑限对比曲线图

图3 不同石灰掺比对改良土7 d无侧限抗压强度影响曲线图

3 结语

根据室内红黏土改良试验研究表明，在红黏土中掺入石灰后，有效降低了红黏土的高液限和塑性指数，水稳定性得到改善，密实度和强度得到稳定，工程性质显著改善。根据无侧限抗压强度试验结果，石灰最佳掺比为7%，且CBR值满足高速公路对于路基路床填料的要求，7%石灰改良土可作为高速公路路基路床的填料。考虑到拌和时石灰的损耗，现场施工时石灰的掺量应该比室内试验确定的最佳掺量适当提高0.5%～1.0%。