（岩土工程专业论文）膨胀土用作路基填料的石灰改良试验研究.pdf

摘要 摘要 合肥北绕城高速公路的沿线广泛分布中弱膨胀土，该十强度低、胀缩性较大，对上部路面破坏 严重。在高稠度状态下，此膨胀土体表现很高的膨胀势：其c b r 值无法达到高速公路路基填筑的最 小强度要求。针对存在的问题，提出了本论文的主要研究内容和研究技术路线。 为了探讨石灰改良膨胀土路基填筑的可行性，并为工程实际提供技术参数，笔者进行了大量的 室内改良试验，研究了消石灰作为外掺剂改良膨胀土之后重塑士样的室内试验特性；针对膨胀十的 不良工程性质设计了改良土的物理性质试验、强度力学性质试验和胀缩性试验，并着重围绕重塑改 良膨胀土初始状态( 即干密度，含水量) 及不同试验条件下改良膨胀土的胀缩总率、承载比试验以 及同弹模量的变化规律进行了较为系统的试验研究，同时还结合非饱和土的理论对石灰改良士进行 了初步的分析，获得了一些有意义的试验成果。在此研究成果上，提出了初始稠度状态概念，并得 出其与膨胀性和强度性质有明显的关系。结果表明，在该膨胀土中掺入消石灰后土体中粘粒含量明 显减少、塑性显著降低、强度大大提高、胀缩性得到了有效抑制且浸水稳定性和强度都有了明显改 善。 在弱膨胀土填筑高速公路路基过程中，采用较小灰剂量的消石灰可以显著降低其膨胀潜势，养 护较短龄期就能够满足路用要求，将路基的填筑初始状态控制在较低稠度状态时更有利于降低路基 膨胀土体膨胀势提高高速公路使用寿命的重要路线之一。另外石灰改良膨胀土灰剂量确定和检验标 准应该从膨胀潜势和强度两个方面确定。 关镅! 词：膨胀土；消石灰；初始状态；路基填筑；石灰改良；膨胀潜势；衰减 a b s t r a c t a b s t r a c t s u b g r a d es o i l so fh e f e in o r t hc i r c l ef r e e w a ya r er e c o g n i z e da sp r o b l e m a t i cs o i l ss i n c et h e ye x h i b i t 1 0 ws t r e n g t h h i g hs w e 1a n ds h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c s t h e s ep r o p e r t i e sw e a k e nt h es u b g r a d ea n dc a u s e s e v e r ed a m a g et ot h ep a v e m e n t sa n di td i s p l a yh i g hs w e l lp o t e n t i a lu n d e rh i g hd e g r e eo fc o n s i s t e n c ya n d t h ee x p a n s i v es o i l sw i t hl o w e rv o l u m ec h a n g ep o t e n t i a lm a i n t a i nt h ec b rv a l u e sv e r yl o w e rt h a n 血e r e q u e s to fm i n i m u ms t r e n g t hf o r 血ef i l l i n g su s e di ne m b a n k m e n to fh i g h w a y s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m s i np r e s e n tr e s e a r c h t h ea i ma n dp l a no ft h i st a s ka r ep r o p o s e d f o rd i s c u s s i n gt h ef e a s i b i l i t ya n de f 托c to fl i m ei m p r o v i n ge x p a n s i v es o i l ，a n di no r d e rt oo f f e r p a r a m e t e rf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ea u t h o rc o n d u c t e dam a s so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s i n 山e s e e x p e r i m e n t a lp r o g r a m s t h es t r e n g t h s w e l la n ds h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l la n dt h es o l lt r e a t e dw i 也 l i m ew e r ee v a l u a t e db a s e do nt h en o r m a le x p e r i m e n t su s e dt ot e s tt h es o i l i nv i e wo f 血eb a dc h a r a c t e r so f e x p a n s i v e s o i l sf i l l e r ，t h i s p a p e rd e s i g n sp h y s i c a lp r o p e r t yt e s t s ，s t r e n g t h m e c h a n i c s t e s t sa n d s w e l l i n g s h r i n k a g et e s t sf o rl i m e t r e a t e ds o i l e s p e c i a l l yt h ei n f i u e n c eo fi n i t i a ls t a t ep a r a m e t e r s ( w a t e r c o n t e n ta n dd r yd e n s i t y ) a n dd i f f e r e n tt e s t i n gc o n d i t i o n so ns w e l lp e r c e n t ，s w e l l i n gp r e s s u r e ，c b rv a l u e a n dm o d u l u so fr e s i l i e n c e t o g e t h e rw i t ht h et h e o r i e so fu n s a t u r a t e ds o i l ，e x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt o r e s e a r c ht h ei m p a c to f1 i m et r e a t e de x p a n s i v es o i l s a n ds o m es i g n i f i c a n tf r u i ti so b t a i n e d b a s eo l lt h e i n v e s t i g a t i o nr e s u l t s ，t h ec o n c e p to f 血ei n i t i a lp h y s i c a ls t a t eo rt h ec o n s i s t e n c yi sd e v e l o p e d ，a n dt h e n 血e i n i t i a lc o n s i s t e n c yi sd i s c o v e r e dt oh a v eas i g n i f i c a n tr e l a t i o n s h i pw i t hs w e l l i n ga n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t so fs t u d yi n d i c a t e 血a ta d d i n gl i m ei n t o 廿1 ee x p a n s i v es o l lc a nr e d u c et h ec o n t e n to fc l a yg a i n o b v i o u s l y ，r e d u c et h ep l a s t i c i t yn o t a b l y ，i n c r e a s et h es t r e n g t hg r e a t l y ，a n dc o n t r o lt h ep r o p e r t yo fs w e l l i n g a n ds h r i n k i n g l o wd o s el i m ep r o v i d e de f f e c t i v et r e a t e db ys t r e n g t ha n dr e d u c i n gt h es w e l la n ds h r i n k a g ep o t e n t i a l s i ne m b a n k m e n tf o rt h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a y s j tc a nb e e na c c e p t e df o rt h ec o m p a c t e de x p a n s i v es 9 i i m a s st h a td e c r e a s i n gt h ev o l u m ec h a n g ep o t e n t i a lw i t hp r o p e ri n c r e a s i n gi t sw a t e rc o n t e n ta n dd e c r e a s i n g i t sc o n s i s t e n c y a d d i t i o n a l l y , t h ee f f e c ta n dc r i t e r i o no fi i m et r e a t e de x p a n s i v es o i l sc a nb ed e c i d e df r o m s w e l lp o t e n t i a la n ds t r e n g t h k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l s ；h y d r a t e dl i m e ；i n i t i a lp l a c e m e n tc o n d i t i o n ；e m b a n k m e n t ；l i m e t r e a t e d ；s w e l lp o t e n t i a l ；a t t e n u a t i o n i i 绪论 绪论 0 1 概述 所谓膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成，具有多裂隙 性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘土。在自然状态下，膨胀土多呈现硬塑或坚硬状态和黄，褐、 灰白等颜色【l j 。其中膨胀与收缩的可逆性是其的重要属性，外部荷载和含水量的变化则是两个主要 的外在因素。建设在含水量稳定的膨胀土上的建筑物不会因受到地基升降变形而引起破坏。在同样 的条件下，膨胀土的膨胀率在不同的压力下是不同的，基底压力越大土的膨胀率越低。在一般情况 下，膨胀土强度较高，压缩性较低，容易被误认为是建筑性能良好的地基土。但当土中含水量变化 时，膨胀土有发生胀缩变形的特性，对建筑物具有相当大的破坏性。因此，膨胀土是一种在公路建 设中不可忽视的不良地基土“j 。 ， 膨胀土造成的破坏是长期的、反复的和潜在的，美国工程界称之为。隐藏的灾害”1 2 - 3 1 。据统计， 仅美国每年由于膨胀土的变形对上部建筑造成的损失就有几十亿美元 4 1 ，已超过洪水、飓风、地震 和龙卷风所造成的损失的总和，全世界每年造成的损失高达卯亿美元以上”j 。我国由于膨胀土地基 导致损害的建筑面积达1 0 0 0 万平方米左右叫，铁路口j 、公路h 1 及建筑物1 9 - ”1 受到的危害也很严重。在 安徽省每年也要花费大量的资金用于维修膨胀土对路面造成的损坏；即使在合肥地区每年也要有专 门的预算用于维护和维修路面的破坏。因此，为了减小膨胀土的危害，节省费用就必须探索有效改 良或替换膨胀土的新方法，增加土的强度和基础的稳定性，尽量减小由于膨胀土的胀缩变形对上部 基础造成的破坏。随着我国在膨胀土地区高速公路的大规模修建，膨胀土路基的稳定已成为影响工 程效益的主要因素之一，所以研究好这一课题，对于保障膨胀土地区高速公路的安全运行、降低工 程投资具有重要意义。 全世界已发现有膨胀土分布的国家和地区大约有卯多个，遍及六大洲( 南极洲除外) 。其中， 尤以亚洲、非洲、美洲的分布最普遍、面积亦最广。中国是世界上膨胀土分布最广的国家之一，也 是膨胀土地质成因类型最复杂的国家之一，中国的膨胀土及其工程问题具有显著特点：分布广； 先后已有2 d 多个省区发现膨胀土，其中安徽、广西、云南、四川，河南、湖北等地最为突出；类 型多；各种成因类型的膨胀土如沉积型、残积型、岩溶侵蚀型等在我国都有分布：性质复杂；膨 胀土工程问题不仅与土的成因、年代和演化历史有关。而且还与气候、环境、工程以及膨胀土性质 密切相关。膨胀土的这些不良工程地质特性都给中国各类基础工程建设造成严重危害，合肥市的大 部分地区都存在低强度、高胀缩特性的膨胀土。随着季节性含水量的变化引起土体变形，从而对上 部建筑结构、路面等造成严重的破坏j 。 膨胀土的问题直到2 泄纪3 d 年代后期才被岩土工程师们所认识。随着经济建设的发展，膨胀土 的研究越来越引起岩土工程界的重视。1 9 5 9 年，美国首次全国性的膨胀性粘土学术会议在科罗拉多 州召开【i q 。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美国，罗马尼皿，前苏联和日本都相继在正式的士工规范以及 铁路规范等文件中增列了有关膨胀土的条文内容，充分反映了世界各国对膨胀土问题的重视和对其 所采取的科学态度。到目前为止，已经先后召开了七届国际膨胀土研究与工程会议“，并在膨胀土 的成分、结构、强度、膨胀机理以及变形等方面取得了许多很有价值的研究成果。在国内2 0 世纪5 0 年代初期，我国在修建成渝铁路工程中，才首次遇到成都粘土膨胀性危害的问题，从而拉开了我国 膨胀土研究的序幕。2 皑纪卯年代中后期，铁二院、西南交大和中国科学院贵阳地化所等单位结合 成昆铁路建设所遇到的含硬石膏、钙芒硝的膨胀岩问题进行了研究”u j ；j 9 静年至1 9 6 6 年，空军后勤 部、总参工程兵、交通科学院和中国科学院地质研究所等单位对哈密某机场含无水芒硝盐胀土的地 质灾害、成灾机理和防治进行了专门研究，上述研究的特点是成因、机理研究与工程应用的密切结 合。2 0 世纪7 0 年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究的试验基地，进行 了卓有成效的研究“2 j ，取得了一定的科研成果和工作经验。1 9 8 9 年我国膨胀土地区建筑技术规范 ( g b j l l 2 8 7 ) 【i ”的颁布实施和1 9 9 1 年全国首届膨胀土学术研讨会的召开”是我国在这一时期膨胀 土研究水平的标志。j 9 舛年在武汉召开了“中加非饱和土学术研讨会”i l q ，标志着我国非饱和土理 论研究已经达到了一个新的高度。可以认为膨胀土的研究己经从一个国家或地区的研究逐渐发展成 为一个世界性的共同课题。目前对膨胀土的研究主要集中在微观结构，渗透性，强度和变形等方面 1 5 - l f l 。总的来说，在岩土力学和工程地质学领域，膨胀性岩土的研究获得了巨大的进展，但仍有许 多理论和工程问题尚需专门研究。 0 2 公路建设中的膨胀土问题 东南大学硕士学位论文 o 2 1 膨胀土的危害 近年来，随着我国经济建设的迅猛发展，高等级公路的大量修建，膨胀土对公路的危害和破坏 日渐增多，日益引起了交通部门和公路建设领域的工程师们的高度关注。过去，我国公路等级低， 在膨胀土地区修筑公路时，由于填挖高度不大，路基病害虽时有发生，但危害并不严重且影响不大， 公路部门未给予足够的重视。随着改革开放的深入，国民经济高速发展对公路运输能力的需求越来 越大，我国开始了大规模的高等级公路建设，其中不少路段穿越典型膨胀土地区，膨胀土对公路建 设的危害变得更加严重。膨胀土路基稳定与变形问题成为膨胀土地区公路修建的主要技术难题之一。 江西在修建3 2 0 国道时，通过宜春市区曾遇到“宜春膨胀土”，累计长度超过6 k m ；安徽3 1 2 国道合肥至西葛段一级公路、蚌埠至明光高速公路沿线膨胀土广为分布；山东在修建泰安至莱芜一 级专用公路、陕西在修建国道主干线g 2 4 0 洋县至缅县段、内蒙古鄂尔多斯1 0 9 国道东胜段以及江 苏省的宁连一级公路淮阴段都遇到膨胀土危害及路基处理问题；四川成都的几条出口高速公路成渝， 成雅、成绵、成南及成都绕城高速公路都遇到了严重的膨胀土问题。位于华中的江汉盆地、南阳盆 地。膨胀土更是广为分布；上世纪九十年代以来修建的汉十、襄荆，孝襄、荆宜、樊魏等多条高速 公路在修建的过程中都发生了膨胀土工程地质问题，有的公路膨胀土的分布长度占全长的三分之二， 因此，不少公路建设项目成立专门课题开展研究以解决膨胀土路基施工的难题。 总结十多年来高等级公路建设的经验发现，膨胀土对公路工程产生的严重破坏或危害主要有两 方面“”，一是路基含水量的不均匀变化，土体不均匀胀缩变形随着季节性降水量的变化，会对路基 造成横向的波浪变形最终破坏路面 二是路面的质量控制不好。路面渗水，路基遇水软化，在车辆 荷载的作用下形成泥浆，并形成沿着路面的裂缝、伸缩缝溅浆冒泥。其具体表现为： 由于膨胀土不易被压实，路基填筑后，加之膨胀土本身的易风化和湿胀干缩性，土块很容易 崩解。在自重和车辆荷载作用下，路堤产生不均匀，使路面产生开裂、拥包、沉陷，严重变形时可 隆起l o c m 左右；半刚性基层、面层开裂引起早期破坏，路面则产生纵向开裂、断板，唧泥等( 图 o - 1 ) 。 公路路堑地段，由于边坡表易风化，使土块碎裂剥落；坡面风化的松散土，受降雨和地表径 流的作用，形成泥水流而冲蚀边坡：特别是在大、暴雨季节，坡匦松散土与坡脚的剥落土在水流作 用下会形成泥石流。泥流常造成边沟和涵洞堵塞，甚至可冲毁路基破坏路面。 路肩部分土体如果压实不够，在风化作用的影响下其强度降低，在雨水渗入时极易出现坍肩 现象。 边坡部分土体如果压实不够，表层易风化，边坡土湿胀干缩、土体结构破坏、强度降低边坡 丧失稳定而产生溜坍或坍塌，无论是路堤还是路堑均可以发生，是膨胀土路基最严重的病害之一。 具有成群分布、浅层性、牵引性，结构和构造性以及多次滑动等特点( 图0 - 2 ) 。 水土流失等对生态环境破坏，路基施工中的借弃土方会破坏地表植被，引起较严重的生态环 境破坏。 图0 - 1膨胀土公路路面开裂破坏图0 - 2膨胀土公路路堑边坡的牵引式破坏 0 2 2 膨胀土路基的处理方法 一2 绪论 在过去的几十年里，有关人员做了大量的研究工作来解决膨胀土路基的填筑的问题，以降低其 对公路工程建筑的的危害。按照处理的机理不同可以分为三个方面的内容： 0 2 2 1 换土 换土是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法。即挖除膨胀土，换填非膨胀土或砂砾土， 换土深度根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定。在一定深度以下的膨胀土，含水量基本不受外 界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界含水量。由于各 地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同。换土深度要考虑受地面降水影响 而使土体含水量急剧变化的深度，基本上介于 m 一2 m 之间，即强膨胀士为2 m ，中，弱膨胀土为 j m j 5 m ，具体换土深度要根据调查后的i i 自界深度来确定”。 0 2 2 2 湿度控制 湿度控制法包括预湿法和保持含水量稳定两种方法。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀 缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或粘 土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。水 利工程建设中经常采用膨胀土预湿法，用水浸泡路基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡【l 0 2 2 3 改性处理 改性处理就是利用石灰、水泥或其它固化材料与膨胀土之间的物理化学作用改变膨胀土的性质， 以达到降低膨胀土膨胀潜势，增加强度和提高水稳性的目的。具体来说：石灰的固化作用是由于盐 基交换、次生碳酸钙的胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、铝酸钙等新矿物， 从而达到改善膨胀土的性质的目的；即：降低塑性指数和改善其力学性能及稳定性1 。 在上述三种方法中，化学改性处理见效最快、最有效，因而得到了最广泛的应用“。当施工现 场的情况不允许或不能采用换土和湿度控制方法的时候，化学改性处理是另外一种更好的选择。石 灰改良膨胀土技术作为路基土质改良方法之一，近年来应用十分广泛 2 2 1 。石灰作为膨胀土的改性材 料有很多优点：改性效果明显，消除胀缩性和提高强度两者兼得；尤其是石灰改良膨胀土作为一种 稳定固化土，具有较高的承载力、抗剪强度和良好的水稳定性，一般主要用于承受抗弯作用的道路 和机场跑道的基层和底基层，以及建筑物的地基处理。由于石灰资源丰富，成本较低，且石灰改良 土可显著提高土工结构的可碾压含水量，有效缩短施工周期。因此，石灰改良膨胀土做路基填料， 在近几年来高速公路，高速铁路填筑工程中得到了广泛应用。 o 2 3 影响膨胀土胀缩的因素 影响膨胀土膨胀的因素是多方面的，总结起来主要有以下几个方面】： 粘土矿物成份的组成；粘士矿物成份决定膨胀土膨胀的类型和膨胀量的大小，在膨胀性粘土 矿物中，蒙脱石的膨胀量最大，伊利石次之，蒙脱石与伊利石的混层矿物更低。 有效阳离子交换总量及离子类型；指的是能被某种离子交换出来的阳离子总量，有效阳离子 交换总量越高，膨胀土的膨胀量就越大，交换阳离子中高价离子所占比例越大，膨胀土的膨胀量越 高。 孔隙溶液中的离子浓度；孔隙溶液的离子浓度越高，土的渗透膨胀就越低，反之就越高。 基本结构单元类型；基本结构单元若是活动性的叠聚体粘土畴，则该基本结构单元内膨胀( 晶 格膨胀) 就大，若是固定性基本结构的外包颗粒，则有一定厚度的包膜可以限制粘土矿物的膨胀。 基本结构单元的排列方式；其决定着膨胀土能否产生宏观膨胀及膨胀的各向异性，具有面一 面叠聚排列的粘土畴，在吸水时可产生巨大的宏观膨胀、且具有明显的各向异性，而边一面连接的絮 状结构则显示不出宏观膨胀。 基本结构单元的连接方式；若是通向连接或是游离氧化物和难溶盐胶结连接的，在吸水膨胀 时，产生的膨胀力不能破坏基本结构单元间的连接，因而不能产生宏观膨胀，若是接触连接，在吸 水时，这种连接很容易破坏，土体便可产生宏观膨胀。 0 3 石灰改良膨胀土研究现状 在掺加石灰改良膨胀土方面，国外研究开展的比较早。日本、美国以及西欧的一些国家一直都 在开展这方面的研究工作。有关研究石灰改良膨胀土静力特性的报道很多，包括石灰对粘土及其常 见矿物成分高岭土、蒙脱石、石英等的工程力学性质的改良作用。驯，石灰对膨胀土进行改良时，龄 期对改良效果的影响0 1 以及利用石灰改良膨胀土在干旱地区修筑高速公路的可行性方面也取得了很 3 东南大学硕士学位论文 多的成果脚】。在石灰改良膨胀土动力特性的研究方面，主要是利用共振柱试验对膨胀土掺加石灰之 后的动剪切模量进行的研究，并分析了剪应变幅值、围压、饱和度、固化剂掺入量对动剪切模量的 影响；认为上述诸因素对动剪切模量有显著影响；经石灰改良后的膨胀土不仅动强度增加，静力特 性也显著改善，膨胀率降低，同时土的动剪切模量和静剪切模量有良好的相关性“。 现在主要对国内的研究现状进行阐述；国内在这方面的研究开展的相对较晚，最初主要是针对 掺加石灰之后的高液限粘土，研究其强度和稳定性的变化规律o j 。通过室内试验结果的分析比较、 技术经济指标筛选和试验路段检验的综合分析认为，在高液限粘土中掺入4 的石灰所形成的石灰稳 定土能够达到了实际工程要求，并取得良好的经济效果。之后通过对膨胀土填料的素土和石灰土胀 缩性及其物理特性进行了试验，以研究掺石灰对改善膨胀土路基填料工程性质的影响规律“，膨 胀土中掺入石灰后，强度可以得到显著提高，胀缩性得以大大降低，稳定性有了明显改善。室内试 验指标可以描述膨胀土的工程性质，但现有的试验指标还不能完全模拟路堤填料的真实状态( 含水 量及密实度) 来描述填料的工程性质，所以，如何根据填料的压实状态和含水量变化情况改进或提 出新的试验指标以及进行现场试验研究是全面认识石灰改良膨胀土工程性质的必要途径”“。 还通过重型击实试验和无侧限抗压强度的室内试验，对素土和石灰改良膨胀土的力学性能进行 了研究，研究认为不同石灰掺入量以及不同养护时间对石灰土的最大干密度、最佳含水量及无侧限 抗压强度的影响，确定了作为公路路基填料的石灰土的最佳石灰配比及养护时间，且石灰土的强度 随着石灰的掺入量增加而增大，但并不是石灰掺量越多越好o m 。根据试验结果，石灰掺入量为5 时， 灰土的强度最高，这为现场施工提供了依据。通过掺石灰试验解决用高液限粘土作为路基填料的问 题的研究认为，掺石灰后的高液限粘土的土体强度及稳定性大大提高，路基质量得到了保证，为高 液限粘土的使用提供了技术保证。尽管高液限粘土掺石灰施工工艺较为繁琐，费用也较大，但用作 路堤填料在保证路基质量、移挖作填时减少取弃土场费用、节约耕地、保护环境方面、以及远运土 进行方案比较确定经济的场合下降低工程造价有其不可替代的优势”。还有学者对掺石灰处理膨胀 土的灰剂量、无侧限抗压强度、试样饱和对其力学性质的影响以及膨胀力等问题进行了试验研究。 根据试验结果比较，提出了现场土料的灰剂量应在路拌后尽快测试，否则即使龄期不超过磁，也需 用相应龄期的e d t a 耗量标准曲线确定的建议9 w ；膨胀力试验改用应变控制三轴仪的加荷装置控制试 样注水后不发生膨胀变形测膨胀力比按土工试验方法标准”增加压力操作简便，测试精度也较 高。对于石灰改良膨胀土的击实特性，有研究认为改良膨胀土的击实特性与试样制备过程中含水量 的变化过程关系密切，只有试样的含水量变化过程与实际施工工艺一致的湿法击实试验结果才能用 来评判土的现场压实质量。而采用干法击实试验获得的最大干密度控制现场压实度，将出现压实良 好的填土其检测的压实度反而会偏低的现象j 。对于高速公路石灰改良膨胀土的路基施工工艺以及 干、湿法击实试验的对比分析，认为改良土的性质主要取决于改良土的灰剂量、掺石灰的均匀性和 用湿法标准击实试验获得的最大干密度和最佳含水量作为质量控制标准更合理等结论1 。 以上表明利用石灰改良膨胀土作为高速公路路基填料是一种经济有效的方法。虽然如此，石灰 改良膨胀土还有很多方面值得进一步的研究，诸如对微观结构的描述还停留在定性阶段，已获得的 改良机理与其工程性质的关系并不明晰，开展试验研究应着重反映路基填料的真实性状，路堤填料 石灰剂量的确定方法还存在一定的缺陷，此外，路基的施工工艺，施工质量控制及检测方法都需要 进一步的改进和完善等。试验是研究膨胀土工程性质的基本方法，试验研究一般以实体工程为依托， 因此，结合开展石灰改良膨胀土的试验研究有很强的现实意义，一方面可以减轻其他处理方法带来 的不经济以及对生态环境破坏，另一方面可以为石灰改良膨胀土在其它膨胀土地区的推广提供借鉴。 0 3 1 灰土之间的作用机理 石灰对膨胀土所起的有效作用已为人熟知，也是目前处理膨胀土路基使用最普遍和有效的方法。 石灰可以明显改善粘土矿物的强亲水性，减小粘土矿物的吸水膨胀能力，提高粘土颗粒间的联结强 度，改善其微观结构；减小水分在土中的渗透与迁移、从而提高膨胀土抗剪强度，降低膨胀土的胀 缩特性，达到改善路基和基础工程的目的”日。当石灰加入膨胀土中之后，灰土之间会发生复杂物理 化学反应，这种观点现在已经被大部分学者广泛接受。 石灰与土粒之间发生化学作用是非常复杂的，但石灰改良膨胀土的过程主要有两个：其一是石 灰中的高价离子( c 矿+ 、9 9 2 等) 取代膨胀土中低价的离子( n a + ，矿等) 产生离子交换，即使没有 发生交换的钙离子也可能会被吸附。造成土粒单位质量增大；其二是石灰与土混合，灰土间的絮凝 作用使土粒的组织发生变化。随着石灰含量的增加人为地减少了粘粒含量，从而也就改善界限含水 量和胀缩性指标，处理后膨胀土的这些指标在自然状态下是不可逆的。掺石灰后，土的水稳定性明 显增加，最佳含水量随剂量的增加而增加，最大干密度随剂量的增加而减少。但是掺石灰的剂量并 非越多效果就越好当石灰剂量超过最佳剂量后，过多的石灰在土中自由存在，反而会导致石灰土 4 绪论 强度降低，使其力学性质变差，因而其掺石灰的剂量和效果应通过物理与力学性质、胀缩性、水稳 性等指标综合确定。 石灰对膨胀土的改性作用形式可以分为三个方面q ： 改变粘土颗粒周围和内部的物理化学环境： 改变水流入和流出孔隙的自然状态； 影响整个土体的特性变化。 当天然膨胀性粘土与二价的具有较低化合( 亲和) 力的水离子发生交换时，就出现了膨胀性枯 土最有效的化学改性，其中最有效和最有用的离子是钙离子。石灰中的钙离子和土中的s i - o h ，a i - o h 相互作用，在土粒之间形成一种坚硬的网状结构，从而提高了土体的抗剪强度、降低了其胀缩特性， 这些反应都必须在有水的参与下进行。然而形成的粘结物质仍然是亲水性很强，水稳定性较差。石 灰改性的过程一般分为两个阶段：第一阶段包括粘土表面阳离子交换与凝聚过程；第二阶段是从粘 土矿物晶格分离二氧化硅和少量的氧化铝，即结晶作用和灰结作用。初期的离子交换与化学反应引 起钙质硅酸盐的凝胶，使颗粒发生胶结，进而包裹成粘土团块并堵塞土孔隙，钙质硅酸盐凝胶逐渐 结晶，形成一种联锁结构 4 4 1 。 离子交换作用：即石灰中钙、镁离子置换土粒表面的钠、钾离子，导致土粒单位重量增加。 在石灰与膨胀土接触后，这一离子交换作用立即发生，一般仅需要几分钟至几个小时。离子交换作 用使得胶体吸附层减薄，从而使粘土胶体颗粒发生凝聚，粘土胶粒的亲水性减弱，细颗粒产生絮凝 和凝沉，形成较大的集聚力。这一全过程一般在4 d - - 6 d 基本完成，对膨胀土的塑性、膨胀性，强度 和变形特征起到显著改善作用。 絮凝作用：即石灰中c a ( o h ) ，吸收c 0 2 形成质地坚固、水稳性好的c a c 0 3 晶体。这一结晶 作用使土粒间的胶结作用得到加强，从而提高了石灰土的后期强度。试验表明，碳酸盐反应只有在 水的条件下才能进行，在干燥的碳酸气作用于干燥的石灰粉末时，碳酸反应几乎停止，说明这种作 用需有水的参与。 结晶作用：在石灰土中除了一部分c a ( o h ) ，产生碳酸化反应外，另一部分则在石灰土中自 行结晶 c a ( d 日) ，+ n i l , 0 c a ( d 日) ，艘，d 由于结晶作用，c a ( o h ) ，胶状体逐渐变成晶体，这种晶体能互相作用与土粒结合成晶体，从而 把土粒胶结成整体，从而提高了石灰土的水稳定性。 灰结作用：即膨胀土掺加石灰之后土呈碱性，在碱性环境中石灰与土中的氧化铝逐渐硬结， 活性硅矿物在石灰的碱性激发作用下离解，并在水的参与下与c a ( o h ) ，反应生成含水的碳酸钙和铝 酸钙等，即： c a ( 0 曰) ，+ s i d + ( 行- 1 ) h ，0 寸蜀c 舔f d n i l , 0 x c a ( 1 ，日) ，+ a f ，d ，+ ( n d h ，0 x c a a l 2 d ，n h ，0 这种灰结反应在不断吸收水分的情况下逐渐完成，因而其具有很强的水硬性。 后面的三种作用主要是加强石灰改良膨胀土的后期强度和耐久性，其作用时间相对较长，对 钳甜以后的强度影响较大，在一些研究中，发现这一作用的周期可以长达数年 4 5 j 化学和物理化 学作用便土粒絮凝、胶结，并在凝聚粒体表面形成水硬性包膜，使水化能力的降低，导致土体结构 变的疏松，胀缩作用也因土体结构疏松而在结构内部消化。当化学和物理化学作用充分，土的结构 基本稳定，其胀缩性随之消失，同时也增强了土的强度m 】。 由于石灰与土中水分接触后，使孔隙溶液中c d + 浓度增加，与粘土颗粒表面的 + n a + 和j r + 发生阳离子交换作用，使土粒的水化膜变薄，产生凝聚和聚沉，并形成较大的集聚粒或集聚体，导 致土中高比表面积的粘粒含量下降，下降幅度与土中粘粒含量有关。从以上微观结构分析可知，加 石灰后土样胀缩性减小的机理是由于粘粒微孔孔径的增大，比表面积减小，粘粒的活动性和亲水性 下降和粘粒间连接力增大所致。孔径的增大一方面使土的比表面积减小，另一方面为膨胀土的胀缩 预留了空间，使得土体的胀缩性下降mj 。 石灰以氧化钙( 生石灰) 或氢氧化钙( 消石灰) 的形式掺入膨胀土中，灰土之间发生反应；但 是石灰和膨胀土之间的反应几乎都是属于可以自发进行的放热反应，温度的升高对反应的进行不利， 故生石灰的吸水放热反应对石灰改良膨胀土的作用无益 4 6 1 0 3 2 影响石灰土强度和稳定性的因素 影响石灰土强度的因素很多主要可以分为内因和外因两个方面。属于内因的有土质、灰质，灰 5 东南大学硕士学位论文 剂量与密实度等；属于外因的有湿度、温度、碾压、龄期等因素i 。 土质的影响：各种成因的亚沙土、亚粘土、粉土类土、粘土类土都可以用石灰来稳定。一般 来说，塑性指数越高，稳定效果越好，但塑性指数高了，土不易粉碎，而且增加了干缩裂缝。若塑 性指数偏小，则施工时难以碾压成型。 灰质的影响：关于石灰灰质对石灰土强度和稳定性的影响是显而易见的。很明显，石灰的等 级越高，也就是石灰中c a o 和m g o 的含量越高时，稳定效果越好；另外石灰的颗粒越细时，其稳 定效果越好。因为石灰颗粒越细，其比表面积越大，在相同剂量下与土颗粒的接触就越充分，因而 效果越好。 石灰剂量的影响：所谓石灰剂量就是指以石灰质量占全部粗细颗粒( 即砾石、砂石、粉粒和 粘粒) 的干质量的百分率。石灰剂量较低时，石灰主要起改善作用，即减少土的塑性、膨胀性、吸 水量等，使土的密实度，强度得到改善。随着石灰剂量的增加，石灰的强度和稳定性增加很快，石 灰起到很好的加固作用。但是当石灰剂量增加到一定值以后，如果再增加石灰，则过多的石灰在土 中自行结晶，反而会使石灰土的强度降低。因此石灰剂量存在一个最佳值。 含水量的影响：水分对于石灰改良膨胀土来说是一个至关重要的因素，它是维持灰土之间一 系列反应的必要条件。水分不足，反应就缓慢，使石灰土不能尽快地获得最大的强度，若没有水分， 则反应会停止，从而影响石灰土的正常强度。但是，若水分过多，则不易压实，强度也同样会降低 所以，我们同样应该找出一个合理的含水量使石灰土达到最佳的强度和稳定效果。 压实度的影响：实践表明石灰土强度是随压实度的增大而增长；一般压实度增减j ，石灰土 强度可增减3 - 5 。而且密实的石灰土。其抗冻性、水稳性很好，缩裂现象也很少。 龄期的影响：石灰土强度具有随龄期而增长的特性。一般初期强度较低，但随时间逐渐并趋 于稳定。一般认为，石灰土的强度在9 0 天内增长比较快，以后就比较缓慢。 养护条件的影响：所谓养护条件即指养护时所提供的温度和湿度。石灰土是一种水硬性材料， 其强度形成需要一定的湿度和温度。通常在一定的潮湿环境下，石灰土的强度形成和增长较快；室 内试验表明，潮湿环境中养护试件的强度增长较空气中养护的试件快。温度越高，强度发展越快， 在负温条件下强度基本上不增长。当然，这当中也存在一个最佳温度值，施工单位根据施工经验一 般采用2 d o c 的温度作为养护温度。 0 石灰改良膨胀土的路基填筑 曾经有学者就石灰改良膨胀土路基的长期稳定性做过广泛的调查。调查认为石灰改良膨胀土作 为路基填料在乃年之后仍然可以应用，就公路的养护费用而言，石灰为水泥和其他路基填料提供了 很好的替代品，并明显提高膨胀土的强度 4 e l 。 用石灰作为外掺剂可以显著降低膨胀土的膨胀潜势、液限、塑性指数和最大干密度；增加缩限、 强度和最佳含水量。当石灰的用量不足时，一般不产生胶结作用，这时只是降低了膨胀土的液塑性 及其膨胀潜势，但对其强度的影响不大；随着石灰用量的增加，土粒之间逐渐产生胶结作用，增大 石灰土的强度，直到最佳用量时，达到最大的强度 4 8 j 。从土质改性的角度，石灰改良膨胀土的最佳 灰剂量一般在j 一，( 质量分数，下同) ，如果进一步增加石灰剂量，对界限含水量的影响较小， 但强度会明显增加；然而有的学者 5 0 l 认为最佳灰剂量应该是2 一8 。还有的学者认为膨胀士掺加 2 的石灰对改善膨胀性的指标最为有效，超过2 对膨胀性能反而起反作用；但是根据塑性指标和 p h 值变化的结果来看最佳石灰剂量应该大于4 ；根据无侧限抗压强度的实验结果，最佳石灰剂量 应该大于8 t 5 ”。 因此，石灰剂量在一定限度内变化时，石灰改良膨胀土物理力学指标的变化有两种关系：第一 种是随石灰含量的增加，某些指标呈单调增加或减少，如抗压强度指标、塑限、p i g 值等；第二种是 随石灰含量的增加，某些指标有一最低值或最高值，如膨胀率、膨胀压力、塑性指数、塑限等。从 膨胀土的改良目的来看，一方面要求膨胀土具有低膨胀率和低膨胀压力，高强度；另一方面还要求 经济可行。从降低膨胀土的膨胀性来看，加入2 - 4 的石灰就能使改良土的膨胀率和膨胀压力达到 最小；从提高土的强度来看，石灰含量相对较高时，改良膨胀土的强度就相对较高。从公路路基对 土的要求来看，一般加入6 左右的石灰，能使改良膨胀土具有较低的膨胀率、膨胀压力，并具有较 高的强度mj 。所以对于实际工程中的最佳灰剂量的确定还存在很大的争议。 在膨胀土地区高速公路的路基填筑中，填筑路堤的胀缩变形与填土的压实密度和含水量有重大 关系，同一种膨胀土胀缩变形量的大小也与压实度和含水量有关。当压实密度一定时，含水量愈大， 填土路堤的膨胀率和膨胀力愈小，但收缩量也愈大；如压实含水量一定，干密度愈大，填土的膨胀 率和膨胀力随之增大，但收缩量的变化却不显著或者说填土的收缩与干密度无关”“。然而，值得指 出的是，在膨胀土填筑路堤中，膨胀土的胀缩变形与强度变化都具有同样的重要意义。若填筑含水 6 绪论 量加大，膨胀变形减少，但强度会因含水量 增加而衰减，得不到保证。这在膨胀土路堤 的设计与施工中应当加以注意。 膨胀土体的膨胀性，会因为初始含水量 和初始干密度不同，在吸水膨胀的时候所产 生的变形量存在很大差异。因此，任何一个 地区，无论何种成因类型的膨胀土，在不同 时间取样测得的天然状态土样的膨胀率大 多不是一个定值，其变化范围往往很大。对 于同类膨胀土而言，土的初始含水量愈小、 干密度愈大，膨胀率和膨胀力也愈大，但收 缩量则愈小；反之，土的初始含水量愈大、 干密度愈小；则膨胀率和膨胀力亦愈小，然 而收缩量则愈大。当土的初始含水量小到缩 限状态时，此时吸水的膨胀率将达到最大 值，称为极限膨胀率，相应的膨胀力称为极 3 睡 酱 渣 w o 起始含水量( )w h 图0 - 3起始含水量与膨胀关系曲线 ( 1 - 扰动土，2 原状土) 限膨胀力；若土的初始含水量增大至胀限状态时，失水收缩将达到最大收缩量，称为极限收缩量。 极限膨胀率、极限膨胀力以及极限收缩量，同属膨胀土的特征值，对评价膨胀土的膨胀潜势有重要 意义。膨胀土的初始含水量与膨胀和收缩的关系见图0 - 3 p “。 以往路堤填筑控制都以轻型击实试验为依据，以压实度为控制标准。近年来迅速发展的高等级 公路和机场跑道等，对其路基填料的选择有了更为严格的要求，不仅以重型击实为依据，且在控制 填筑标准方面；既要满足压实度控制标准，还要满足其它强度指标( c b r 值) 要求。实际上以往以 轻型击实的控制标准不能适用于现在路基填筑的要求。膨胀土常为过湿土又具有一定的胀缩性，用 轻型击实标准控制的高等级公路，对路堤下沉和翻浆冒泥是否有利还值得进一步探讨。研究膨胀土 的压实特性与胀缩性、c b r 值以及抗剪强度的关系；击实膨胀土强度随干湿循环的衰减规律以及微 观机制，分析击实膨胀土初始条件与其强度和水稳定性能的相互关系，可以为控制膨胀土的路堤填 筑质量和长期稳定提供科学依据。 0 3 a 非饱和土理论在工程中的应用 非饱和膨胀土的吸力理论在岩土工程中的应用十分广泛，尤其是在研究膨胀土的强度、变形特 征和地下水运动规律对膨胀土工程性质的影响方面，土的吸力理论得到了很好的应用。近年来取得 的突破主要有：吸力对膨胀土的判别，土吸力与膨胀力的关系，吸力与土中水分变化规律及其吸水 膨胀、失水收缩的特性，以及预测膨胀士的的膨胀量和收缩量等”。在吸力与膨胀力的关系中，膨 胀压力是一种反作用力，它们之间有着良好的相关性。 预测膨胀潜势是要考虑最湿和最干的特殊条件下膨胀士的吸力，在吸力和膨胀率的关系中吸力 较高和较低阶段存在两个斜率不同的曲线。土吸力是由土的毛细性、吸附性和渗透性所产生的。很 显然，影响膨胀土吸力大小的因素，主要是组成土的物质成分，尤其是粘土矿物成分与结构特征， 同时与土的孔隙介质的性质、含水量状态、上覆压力等都有密切关系。膨胀性粘土借助颗粒表面的 吸附作用和孔隙的毛细管作用来吸附水分；不同的粘土矿物类型和粘粒含量，其吸附力和毛细水力 均不相同，即土吸力不相同。 天然状态下膨胀土的含水量大多接近塑限含水量，士体是非饱和。非饱和土的孔隙内部充满着 水和空气。当土骨架受力变形时，孔隙介质对土骨架存在着抵抗力。无外荷载时，这一抗力往往表 现为吸引力，即负的孔隙压力。基质吸力是土对水亲和能力的综合度量，它由毛细管压力、土体孔 隙内溶液的浓度差而产生的渗透吸力以及卸荷膨胀引起的负孔压组成。只要测得孔隙气和水压力。 就可以定性地分析孔隙吸力的变化规律。 对于不受外荷载作用的非饱和土样，作用在土骨架上的有效应力为基质吸力。这时给土样浸水， 由于吸力的存在，水会自动进入土体内。基质吸力会随含水量的增大而减小，水分的不断进入便会 导致有效应力的减小，试样的体积也会不断增大。直至孔隙压力和大气压力建立平衡，也就是基质 吸力消散为零时，水分才不再进入土体内，膨胀也就相应终止。这就是膨