掺灰法处理膨胀土路基的施工探索.pdf

第 2 期 ( 总第 7 4 期) 2 0 0 6 0 6 2 5 市政设施管理 sh i z h e n g sh e s h i gua nl i 掺 灰 法 处 理 膨 胀 土 路 基 的 施 工 探 索 瀚 一 口王光黎 一一 辫 【 摘要】 工程施工中遇到膨胀土，灰土基层出现胀 缩病害 ，压 实度难 以达到标 准要 求。通过 试验研 究 ，对 漯 河市淞江新区道路工程提出对膨胀土路基成因分析，总结 改性措施及具体施 工技术要领 。 f 关键词】 路基膨胀土胀缩性改性施工控制 1 工程简 况 漯河市淞江新区位于市区西北部。 2 0 0 3年修筑 “ 两纵 三横”5条道路，该区地势低洼 、水位浅、土质粘，风干 后土块开裂为 1 3 c m小块，又干又硬，难以粉碎。城市 道路的施工特点是工期短，高程控制严格，一层灰土从备 土到焖灰碾压成形一般不超过 4 d ，灰土基础按正常施工 成形后发现表面直径在 1 c m左右的小土块非常多，拌和 机很难粉碎，压实度仅达到 9 0 左右。从各条道路取 7组 土样经中心实验室检测其膨胀率见表 1 。 表 1 不 同位 置土质的 自由膨胀 率 根据 公路路基施工技术规范的相关规定 ，自由膨 胀率 f s 9 0 属于强膨胀土；6 5 f s 9 0 属于中等膨胀 土；4 5 f s 6 5 属于弱膨胀土。该区土源的自由膨胀率 在 6 0 7 8 之间，属于中等膨胀土。 膨胀土是漫长的地质年代中形成的一种吸水膨胀， 失 水收缩的粘性土，其主要成分是具有亲水性强的蒙脱石种 伊利石。 近年来随着我国的基础设施建设的迅猛发展， 特 别是新建高速公路、一级公路及城市基础设施建设施工 中，常会遇到膨胀土。城市道路的设计没有相应的设计规 范， 一般主干道设计都是参照公路设计规范，而我国现行 公路路基设计规范中规定，膨胀土一般不能作为高等 级路面路基填料。但是，土地珍贵，土源紧张，很多情况 下必须使用膨胀土填筑路基。因此，研究膨胀土的特性， 改性后加以利用以满足工程建设的需要， 既有经济效益又 有社会效 益。 2 膨胀土的基本特点和缺 陷 膨胀土是具有较大的胀缩性和相对较高的液限、塑限 和塑性指数的粘性土，这类土在固态时强度较高，土块表 面干硬，受水文及气候等条件影响后具有明显的胀缩性、 崩解性、风化性等一系列物理特性。 膨胀土如果处理不当， 对道路工程建设具有很大的潜 在破坏性，主要表现在如下两方面： 1 )对道路基础结构造成病害 根据季节的变化， 膨胀土体中的含水量也随之由高到 低，再由低到高。一方面导致地基隆起或下沉，另一方面 也使路基的抗剪强度急速衰减，破坏了地基的稳定性： 2 )对道路基础造成破坏 道路基础含水量的不均匀性，将导致不均匀胀缩，使 道路基础板块变形或开裂。 膨胀土路基在长期使用过程中 的含水量与施工中控制的最佳含水量的不一致性也导致 路基的变形 、开裂等病害。 3 用掺加石灰法改良膨胀土的试验探索 3 1 击实试验 采用干土法， 分别渗入 4 和 6 的石灰进行重型击实 试验，实验结果如下表 2 ： 表 2 膨胀 土重 型击实试验结 果 3 2 膨胀率试验 取天然土样在试验室配置不同含灰量的改性土分别 进行膨胀试验、收缩试验和无侧限抗压试验 ， 测定改性土 的相关指标，结果如下表 3 ： 一 1 一 维普资讯 第 2 期 ( 总第 7 4 期) 2 0 0 6 0 6 2 5 市政设施管理 s h i z h e n g s h e s h i gu a n l i 表 3 实验室配置 改性土试 验结果 如表 4 。 试验结果表明改性土的最大干密度较天然土有所下 降，最佳含水量几乎没什么变化，基本和天然土的最佳含 水量相当。而改性土的无侧限抗压强度较天然土有所提 高。水稳性也较好，饱和试样的强度高于非饱和试样的强 度，两者都随龄期的增长而增强，且幅度较大。改性土的 强度也随灰量掺加的增多而增长。 其压缩模量随着龄期逐 步增长，但随石灰掺入率的变化不是很大，压缩模量的水 稳性好，饱和状态和非饱和状态差别不大。改性土胀缩试 验的各项指标较天然土有很大改善， 掺人石灰后的胀缩率 不大于 0 7 。 4 石灰 改良膨 胀土的简要机理 石灰改良膨胀土是膨胀土中掺入石灰后使得膨胀土 的组成矿物的天然结构发生了改变，形成新的 “ 骨架”， 使它的整体稳定性有了显著提高。石灰中的钙离子、镁离 子置换土中的钠、钾离子，导致离子单位重量增加，胶体 吸附层减薄，使粘土胶状颗粒发生凝聚，粘胶粒的亲水眭 减弱，形成较大的集力或凝聚体；石灰中的c a ( oh) 2 吸收 c o2 后发生化不反应形成 ca c o3 ， 这类作用只有在有水的 条件下才能进行 。 这类物质相互作用后形成新的胶结体， 提高了石灰土 的后期强度和水稳定性； 这些物质通过一系列的物理和化 学作用后使聚粒体表面形成水硬性包膜，水化能力降低， 导致土结构疏松， 胀缩作用得到内部消化， 塑性指标下降， 粘粒含量降低。石灰改良膨胀土不仅增加石灰土的强度， 水稳性也得到了提高，土的结构基本稳定，胀缩性消失。 5 石灰土改良膨胀土在实际操作中存在的主要问题 从实验室研究成果看， 膨胀土在掺入一定比例的石灰 土后，能够改变膨胀土的特性。改性土能够满足工程的需 要，但从实际施工现场取样，其试验结果确有一定差异， 表 4现场取样实验结 果 实验室所用试样是采用的干土法， 这和实际施工中是 不同的。实际施工中是一次掺入白灰后，拌和机拌和，使 土块达到1 5 c m以下， 但是大于 1 c m的土块含量高达 6 5 以上，表明一次性掺灰达不到石灰改 良膨胀土的效果，那 些没有改良的土块遇水后会迅速膨胀。而是施工中的检测 一 般都是成型后马上检测，结果符合要求，但经过雨水或 几次洒水养生后 ，没有得到充分改良的土块遇水膨胀，灰 土基础中的含水量增加，压实度下降。 膨胀土块即使都达到 5 i n l n以内，一次性掺灰后的改 性土在强度没有形成前一样具有膨胀性 ， 密度越高膨胀力 越大，遇水后压实度有一定下降，只有板结强度达到，形 成平衡膨胀内力，土体中的膨胀力才为零。石灰改良膨胀 土的击实试验方法在实际工程运作中， 会出现最佳含水量 偏低，最大干容重偏高，这种高密度状态，土粒内部力系 平衡是靠强势的平衡，而这种强势平衡是极不稳定的。 为了克服上述存在的问题，我们在现场取了 3 0 m实 验段，采用两次掺灰法，效果良好 ，基本满足规范要求， 具体施工程序是： ( 1 ) 在膨胀土中掺人 4 - 6 的白灰， 含水量增到 2 6 左右，用挖掘机充分拌和，焖灰时间 3 - 5 d ， 使白灰与膨 胀土充分进行物理 、化学反应，团块状膨胀土崩解，土团 易粉碎， 形成比较均匀的混合料， 达到改 良膨胀土的目的： ( 2 ) 把改i生 土摊铺到路基上放置 3 - 5 d ，这期问要充分 洒水，使土块得到充分崩解和风化，初平后用拌和机拌和一 遍，如果达到要求，进行二次掺灰，否则继续洒水翻拌，直 到大于 i 5 c m的土块含量满足规范要求少于 1 0 。 值得注意 的是，二次掺灰量要比设计要求适当降低 1 个百分点，含 水量要比最佳含水量高 2 h 4 个百分点。一般来说，城市道路 高程控制较为严格。 初平后， 因为是机械备土， 平地机整平， 压实系数应控制在 1 2以内。否则，土备多了，还是按标准 土量掺入标准剂量的白灰，实际上是降低了灰土中自灰的有 效含量。白灰用人工均匀摊铺后，拌和机连续拌和2遍，保 维普资讯 第 2 期 ( 总第 7 4 期) 2 00 6 0 6 2 5 市政设施管理 s h i z h e n g s h e s h i gu a n l i 证无素土夹层，大于 1 5 c m的土块含量要小于 1 0 ， 达到粉 碎、拌和均匀的目的后即可整平碾压成形。 ( 3 )拌和均匀的灰土初平后先稳压一遍 ，然后检测 高程。高程点要适当加密到 1 0 m甚至到 5 m一个，并按 设计要求整出横坡。此时再检测含水量，实际含水量要 比 最佳含水量提高 1 - 2 ，以利于白灰土的化合反应。若提 高过多，干密度达不到要求，还有可能引起较大的收缩变 形。检测白灰含量，低于设计标准的为不合格，要及时掺 灰重新拌和。碾压时要从两边向中间重叠半轮碾压，先轻 振后强振。再用铁三轮收面，直到无明显轮迹为止。碾压 过程中有两点要特别注意， 一是严禁压路机在已完成或正 在碾压的路段上调头和刹车，以保证灰土表面不受破坏； 二是弹簧、松散等现象要及时翻拌处理。 ( 4 )碾压成形后 的白灰土路基要及时检查压实度、 平整度、高程、灰剂量、含水量、 纵横坡，做好检测记录。 6结语 通过对膨胀土的实验研究和实际操作，笔者总结了几 点经验，以供参考： ( 1 )施工中遇到膨胀土，要及时做液限、塑限、塑 性指数、膨胀力、膨胀率等检测，确定膨胀土的强度 。按 规定，强膨胀土不能在工程中使用 ，中、弱膨胀土改 良后 可以使用； ( 2 )掺入 4 - 6 的白灰可以改良膨胀土的胀缩特性。 掺灰后的改性土料最大干密度较天然土料有所降低， 相应 最大干密度状态下的孔隙比增大。 对天然含水量较大的膨 胀土盲目加大灰剂量以提高压实度的做法不可取； ( 3 )以试验为依据的最佳含水量在具体施工中难以 操作。 现场施工中在保证压实度的前提下提高含水量有利 于石灰与膨胀土的化合 ，消除其胀缩性，但是不宜提高太 多，以免干密度达不到要求和引起较大的收缩变形； ( 4 )两次掺灰法的施工工艺是利用膨胀土做路基施 工的较好方法。第一次掺灰可以降低膨胀土的塑性指数， 使膨胀土变得易于粉碎， 使土块含量合乎规范要求。 而且 焖灰时间越长，膨胀土越容易粉碎，且对石灰改良膨胀土 强度没有影响。 第二次掺灰是改性后的膨胀土已达到正常 使用的要求， 施工中掺加白灰后要求尽可能快整平 ， 快碾 压成型，以降低灰剂量的损失。成型后的灰土板体能达到 设计的强度要求； ( 5 )在淞江新区 5条道路基础施工中全部采用改良 膨胀土的办法做路基， 虽然由于改良膨胀土增加了一部分 工程造价，但比在土源紧张的情况下全部换土，成本还是 大有降低，而且节省了土地资源。事实证明，用掺灰法改 良膨胀土的胀缩性后加以利用的方法，具有推广的价值。 ( 作者单位：漯河市市政工程管理处， 收稿 日期 ：2 0 0 6 0 1 0 9) 2 0 0 5年度 市政设施管理优秀论文排行榜 ： l一 等 奖 ； 广 州 城 市 桥 梁 的 管 理 与 维 护 “ -i 二等奖 ： 城市市政设施的个性化研究 ： 我国城市污水处理厂当前常见投融资方式 ： 三等奖 ： 聚合物改性乳化沥青稀浆路面封层应用研究 ： 内衬修复技术在污水管道修复中的应用 ： 优秀奖 抗剥落剂对沥青混合料性能作用的研究及应用 深层搅拌法在道路路基加固工程中的应用 消除城市路面井盖响动的新方法 应用交通信息化手段提高上海高架道路的运行管理水平 雨、污水混接调查对水资源保护的作用 广州市 重庆市 南京市 西安市 上海市 镇江市 洛阳市 西安市 上海市 上海