（材料学专业论文）鲁西北平原过湿地段高等级公路路床与基层稳定技术研究.pdf

摘要 根据鲁西北平原地区过湿路段粉土的工程性质，并针对当地的地下水位高以及缺乏 理想路基填料等工程问题，本研究提出了一系列工业废渣改良过湿粉土的路床处理方案 和路面基层或底基层稳定方案。 论文中首先对粉土路基压实特性和压实机理进行了分析研究，探讨了用空气体积率 和压实度两个指标作为细粒土土压实的控制方法。对采用一般的压实方法难以达到路基 压实标准的过湿地段粉土路基，本文提出采用工业废渣对过湿粉土进行改良固化处理。 论文是以原工程方案6 水泥土和1 4 石灰土为基准，设计了三种路床处治及底基 层稳定配合比方案，分利用当地丰富的工业废渣资源，对加固方案进行材料组成设计， 并初步选出合理的配比方案，对各种配比方案进行性价比分析。 论文中设置了三种浸泡条件，分别是浸泡淡水、浸泡n a c l 溶液和浸泡n a 2 s 0 4 溶液， 分析不同浸泡条件下1 0 次循环后的质量损失率和强度损失率。 在微观机理研究中，首先采用x - r a y 衍射试验测定生成物种类，然后通过差热及热重分 析推算各生成物含量，再用扫描电镜观测验证理论分析结果，从而揭示其加固机理。 本文最后过试验路工程，验证了所提方案的有效性。论文中还采用d c p 试验和面波 测试试验对加固的方案效果进行测试和比较。 【关键词】：鲁西北平原，过湿路段，粉土，空气体积率，力学性能，耐久性试验，微 观机理，试验路 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fm o i s ts e c t i o ns i l ti nn o r t h w e s to fs h a n d o n g p l a i na r e a ，c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n gp r o b l e mo fl o c a lh y d r o l o g i cc l i m a t i cc o n d i t i o n sa n d l a c ko fi d e a lb u i l d i n gm a t e r i a l s ，s t u d yp r o p o s e st h er e i n f o r c e m e n to fl o c a lo v e r - w e ts i l tb y i n d u s t r i a lw a s t ef o rr o a d - b e dt r e a t m e n ta n dp a v e m e n tb a s eo rs u b b a s e t h i sp a p e rf i r s tc a r r i e sp a r t i c l ea n a l y s i s ，l i m i t so fw a t e rc o n t e n to fr e p r e s e n t a t i v es o i l s a m p l e s ，a n da n a l y z e sa n dr e s e a r c h e ss i l t ss u b g r a d ec o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o m p a c t i o nm e c h a n i s m ，w h i c hd i s c u s s e so fu s i n gt w oi n d i c a t o r so fp o r o s i t ya n dc o m p a c t n e s s a saf i n e g r a i n e ds o i lc o m p a c t i o nc o n t r o l l i n gm e t h o d o nt h i sb a s i s ，o n l yu s i n go fp h y s i c a l m e t h o d st oc o m p a c tl o c a lo v e r - w e ts i l tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t ，s ot h ep a p e rp u t s f o r w a r ds o l i d i f i c a t i o nt r e a t m e n tt ot h es i l ti nt h i sr e g i o n t h e s i si sb a s e do n6 c e m e n t - s o i l a n d14 l i m e s t o n es o i lo ft h eo r i g i n a le n g i n e e r i n gs o l u t i o n s ，t h e nd e s i g nt h r e er e i n f o r c e m e n t p r o g r a mf o rr o a d b e dt r e a t m e n ta n ds u b b a s e ，f u l l yu t i l i z i n gt h er i c hl o c a li n d u s t r i a lw a s t e r e s o u r c e s ，p a p e rd e s i g n sm a t e r i a l sc o m p o s i t i o nt or e i n f o r c e m e n ts c h e m e sa n ds e l e c t s r e a s o n a b l ep r o p o r t i o ns c h e m e s t a k es o m em e c h a n i c a ls t r e n g t ht e s t ss u c ha sc o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，s p l i t t i n gs t r e n g t ha n dc b r t e s t st ot h es e l e c t e ds c h e m e s ，a n dt h e nt a k es o m e e n d u r a n c et e s t sa sd r y w e tc y c l ea n df r e e z e t h a wc y c l et e s t st ot h e s ep r o p o r t i o nr e i n f o r c e m e n t s o i l t h e s i sh a sp u tu pt h r e es o a k i n gc o n d i t i o n sw h i c ha r ef r e s h w a t e ri m m e r s i o n ，n a c l s o l u t i o ni m m e r s i o na n dn a 2 s 0 4s o l u t i o ni m m e r s i o n ，a n a l y z e su n d e rt h ed i f f e r e n ti m m e r s i o n c o n d i t i o n sm a s sl os sr a t ea n ds t r e n g t h1 0 s sr a t ea f t e r10c y c l es r e s e a r c hi nm i c r o m e c h a n i s m ，f i r s t l yu s i n gx r a yd i f f r a c t i o nt e s tt od e t e r m i n et h e p r o d u c tt y p e s ，a n dt h e nt h r o u g ht h ed t a a n dt gt or e c k o nt h ec o n t e n to ft h ep r o d u c t s ，t h e n u s i n gs e mt ov e r i f yt h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h i c hr e v e a l st h er e i n f o r c e m e n t m e c h a n i s m f i n a l l y , t h r o u g ht h et e s tr o a dp r o j e c t ，t h i sn o to n l yv e r i f yt h el a b o r a t o r yt e s t s ，b u t a l s ot e s tt h er e i n f o r c e m e n ts c h e m e sb yd c pa n dt h es u r f a c ew a v et e s t st oc o m p a r et h et e s t r e s u l t s k e yw o r d s ：n o r t h w e s to fs h a n d o n g ，m o i s ts e c t i o n ，s i l t ，v o l u m er a t i oo fa i r , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，d u r a b i l i t yt e s t ，m i c r o s c o p i cm e c h a n i s m ，t e s tr o a d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：雇 天书 夕 年f 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 膨z 杉 导师签名镜让 协7 年占月7 日 叩影即日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 鲁西北平原地区粉土是由黄河冲积而形成，该粉土具有自身的特殊性，其粉粒含量 高，粒径比较均匀，粘土颗粒含量少，塑性指数低，毛细管发育，水稳定性差等特点。 特别是在过湿地段进行路基压实时，用一般的压实工具很难达到压实要求，如果再继续 碾压，不仅不会增加土的密实度，反而会使土体内部产生剪切破坏，出现“弹簧土”现 象。 已有资料表明德州市下属夏津县、乐陵市临、邑县均为盐碱地分布集中区，盐碱地 分布面积总和达2 4 8 9 1 6 4 平方公顷，占德州市土地总面积的2 3 7 t ，这就对路基的稳 定性和改良土及稳定土材料的耐久性提出了新的要求。 鲁西北平原地区缺乏良好的路基填筑材料，通常采用的填筑材料以粉土为主要成 分，天然含水量大，土基回弹模量小，因此，有必要针对当地土质条件和气候特点，利 用当地廉价且来源丰富的工业废渣资源，对当地过湿地段路基填料进行改良加固处理。 合理利用当地工业废渣是有效缓解路基填筑材料匮乏的方法之一，同时也解决了当地工 业废渣的处理问题，既保护了当地环境，又创造了经济效益，变废为宝，利国利民。 近年来，压实控制方法以及过湿路段路基填料改良加固一直为广大工程技术人员所 关注。本文对鲁西北平原地区路基填料的压实特性研究，论证了空气体积率控制路基压 实方法的科学性与可行性；针对鲁西北平原地区缺乏优良路基填料、地下水位较高的现 状，围绕过湿土改良和工业废渣利用，提出过湿路段路床处理和基层加固方案，对该地 区过湿路段的处理具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 对于公路的过湿段修筑技术，在国内外已有一定的研究，但是由于这些研究对象在 工程地质、水文以及气候条件等方面均具有地域性的差异，所以各地区、路段所采取的 方式方法也存在一定差异。 第一章绪论 1 2 1 过湿土用作路基填料的研究现状 1 9 9 2 年，交通部公路科学研究所、江苏省交通科研所、东南大学、南京化工学院联 合对“高等级公路过湿土路基综合稳定技术”进行了研究，研发了公路过湿土路基用n c s 固化材料，该材料具有高吸水性、粘土粗粒化、降低塑性指数、延迟硬化、早期强度好 等优点，能够有效的改善过湿土的压实条件【2 】。 1 9 9 8 年，武汉城市建设学院张荣堂和中国地质大学合作对过湿土试验路段掺加 n c s 固化剂、生石灰粉及二灰等外掺剂，经研究表明三种外掺剂对路基整体强度都有 所提高，且都达到或超过了路基设计值要求，同时对通过工程经济的评价表明，采用 n c s 固化剂造价最高，生石灰粉次之，而采用二灰经济性最好，且有利于工业废弃物 的处理。因此，可优先考虑采用二灰作为过湿土改良材料【3 j 。 2 0 0 0 年，上海市政工程研究院科研项目“过湿段路基加固处理技术”对磨细生石灰和 土工格栅改良过湿土进行了研究，综合分析了各种外掺材料改良过湿土路基的基础上， 选定生石灰粉进行过湿土路基处理，对掺加生石灰粉后的过湿土的含水量变化及其影响 因素进行了研究，据此提出了根据原状土特性及其含水量估算生石灰粉掺量的方法。 国外如美国、英国、日本、俄罗斯都曾对公路在过湿段的修筑进行过研究，其中对 路基的改良主要是掺加无机结合料，或者是降低压实标准。英国有报告指出潮湿地区粘 土路堤在高于最佳含水量的情况下压实，使用后也未发现由于固结而产生严重的下沉现 象；美国有调查表明，在一定的条件下容许填方路基土的含水量高达塑限的1 2 倍。 虽然国内外对过湿段道路修筑都进行过研究，但是各种方法都具有明显的地域性特 点，改良对象有很大的差异。“高等级公路过湿土路基综合稳定技术”和“过湿土加固处 理技术研究”针对的是长江三角洲地区高含水量的粘性土，“过湿土路段高填方路基修筑 技术研究”改良的主要是过湿土地基；鲁西北地区路基填土粉粒含量高，优良路基填料 缺乏等特殊问题，需要结合当地筑路资源环境条件深入分析研究解决。 1 2 2 粉土稳定技术研究现状 粉土是一种工程性质很特殊的土，该土塑性低，有7 0 以上颗粒为粉粒和细砂粒， 比表面积不大，毛细现象突出，毛细现象使土颗粒粘结在一起，呈现“假塑性”，根据粉 土的地质成因，可分为冲击粉土、洪积粉土、坡积粉土和残积粉土【4 】o 本文着重讲述粉 土的稳定技术。 2 长安人学硕士学位论文 1 石灰稳定土【5 1 随着对道路技术要求的提高，石灰稳定土己表现出不足之处： ( 1 ) 石灰土强度增长慢，早期强度差。 ( 2 ) 石灰土的强度与石灰的掺量在一定范围内成正比，超出这个范围石灰土的早期 强度反而降低。因此，对强度要求较高的固化土，石灰土显然不能满足要求。 ( 3 ) 石灰土的干缩大、易软化、水稳性差和抗冻性能差。在公路路面基层施工技 术规范( j t j 0 3 4 9 3 ) 中提到，最佳含水量制成的石灰土小梁式试件，在空气中自然风 干产生的最大干缩应变为3 1 2 0 6 0 3 0 * 1 0 击。它是各种半刚性材料收缩最大的材料，也是 最容易受水影响产生表明面软化的材料。 2 水泥稳定土 尽管水泥稳定粉土在国内外都有应用，其也有不足之处： ( 1 ) 固化土壤受到土壤类别的限制。 实践证明，水泥对塑性指数高的粘土、有机土和盐渍土固化效果很不理想，甚至没 有固化作用。 ( 2 ) 干缩较大，易开裂。一些国家对水泥的掺量也做了规定，美国和日本规定水泥 剂量不超过6 ，法国不超过5 ，国内也规定一般不超过6 。也就是说，当水泥剂量 超过6 还达不到稳定要求时，就需要改变土粒的级配组成或者改用其他稳定剂。 ( 3 ) 水泥的初、终凝结时间不能改变，影响工程质量。 ( 4 ) 水泥与土壤色泽相近，难以判别是否拌合均匀，影响工程质量。 ( 5 ) 使用水泥，工程成本较高。而且间接上也造成环境的破坏。 3 二灰稳定土 目前，二灰用于加固粉土在我国也得到应用。对二灰加固粉土的强度特性、收缩特 性及抗冻性能进行了大量研究。但二灰稳定粉土也存在一些问题： 早期强度低，水稳性差。近年来，我国公路部门在石灰粉煤灰处理道路基层、底 基层时发现石灰粉煤灰的早期强度低，直接影响工程进度和质量。 1 2 3 固化剂的研究现状 7 0 年代以后，美国、日本、澳大利亚和德国等国对土壤固化剂进行了深入的研究， 技术水平有了长足的进步，在土壤固化剂的开发和应用方面进行了一系列的研究【6 1 。 第一章绪论 s i m o n 和o l a 分别用水泥和石灰稳定高塑性红土，使其达到筑路材料的要求，可用于公 路的基层和底基层材料7 】，【8 】。m e d i n a 和g u i d a 用5 磷酸稳定红土，2 8 天强度可达到 4 0 m p a l 9 1 。与此同时，人们已经将固化剂商品化，如美国路邦，日本u k c 公司土壤固 化剂，日本住友株式会社土壤固化剂等，均具有一定的区域性。 我国的土壤固化技术目前仍处于国外6 0 7 0 年代水平，改良土壤的产品仍沿用单 一的石灰、水泥、粉煤灰或这些材料的混合物。2 0 世纪9 0 年代，国内有关单位开始引 进日本土壤固化剂及技术。在吸收国外经验的基础上，针对我国土壤性质，开发国产化 土壤固化剂，主要研制单位有北京奥特赛特、海南筑车、北京固邦等，其中比较突出的 是北京中土奥特赛特科技发展有限公司开发的a u g h t s e t 系列土壤固化剂，目前已形成 规模生产并开始广泛应用于道路工程、水利工程等。常用的土壤固化剂按原料可分为有 机、无机和复合三类，从使用情况来看无机类固化剂占主要地位。按施加形态可分为粉 剂和水剂。 1 、粉剂 ( 1 ) 奥特赛特系列土壤固化剂，对于粉沙土掺量为1 0 时7 天抗压强度可以达到 4 3 m p a t l0 1 。 ( 2 ) n c s 固化剂，特点是适于处理过湿土体。掺量为8 时7 天抗压强度为2 3 m p a l l l l 。 ( 3 ) g a 土壤固化剂。由灰白色粉末，密度为2 8 0 2 9 0 9 c m 3 ，掺量为1 6 时，7 天 的饱水抗压强度为2 8 m p a t l2 1 。 2 、水剂 ( 1 ) i s s ( i o n i cs o i ls t a b i l i z e r ) ，是由多种强离子化合物组合而成的水溶剂。广东奥林 匹克体育中心外围道路和停车场采用了该固化剂。造价低、施工期短，但抗压性能和水 稳定性不好【13 1 。 ( 2 ) 路特固，北京长辛店工业区道路、右安门玉林里道路路基施工曾使用过该固化 剂，7 天的饱水抗压强度为1 2 8 1 7 m p a t l 4 1 。 ( 3 ) t o p s e a l 固化剂，掺量为1 时7 天不浸水抗压强度达到2 3 7 m p a ，但所有试 件浸水后立即损坏，水稳定性极差【15 1 。 由于目前固化剂的价格较高，应用受到一定的抑制，已经开发的一系列固化剂并不 能针对所有的土质进行固化，鲁西北平原过湿地区有其自身特殊的性质，因此，亟待开 发针对当地土质及气候条件、有利于当地资源( 特别是工业废弃物) 利用的固化剂产品。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 对试验路段进行取样进行颗粒分析和物理指标等试验，研究鲁西北过湿路段粉 土压实性能，进而用空气体积率与路基c b r 值、干密度之间的关系讨论用空气体积率 控制压实方法的可行性。 ( 2 ) 对不同配比不同掺量的外掺材料进行水分固化试验研究，分析单位掺量含水量 随养护龄期的变化；对外掺材料对该地区过湿粉土的压实特性研究，分析掺量与含水量 的关系。 ( 3 ) 工业废渣加固土综合方案设计。论文以原工程方案为基准，本着充分利用当地 丰富的工业废弃物资源的原则，选择了三个方案：粉煤灰电石渣脱硫石膏加固土； 电石渣矿渣微粉水泥熟料加固土；粉煤灰生石灰矿渣微粉一水泥加固土。本试验 通过不同龄期的抗压强度选择出初步的配比，然后对这几种配比做不同龄期的劈裂强 度、c b r 试验等力学指标测试，对比几种配比的性价比。 ( 4 ) 对已选择出的配比进行耐久性试验，包括干湿循环试验和冻融循环试验。干湿 循环试验研究对于不同浸泡条件下( 淡水、n a c l 溶液和n a 2 s 0 4 溶液) 加固土的质量损 失率和强度损失率；冻融循环试验研究对于不同浸泡条件下( 淡水、n a c l 溶液和n a 2 s 0 4 溶液) 加固土的质量损失率和破坏形式。 ( 5 ) 工业废渣加固土的微观机理研究。x r a y 衍射试验测定生成物种类，然后通过 差热及热重分析推算生成物含量，再用扫描电镜观测验证理论分析结果，从而揭示其加 固机理。 ( 6 ) 试验路工程。本文主要采用d c p 和瑞雷面波检测路基压实效果，探讨这种技 术的应用前景。 5 第二章鲁两北过湿地段路床处置与稳定方案研究 第二章鲁西北过湿地段路床处置与稳定方案研究 本章首先对过湿路段粉土取样进行颗粒分析和界限含水量测试，并进行击实试验， 对不同土样的压实特性进行分析，并计算空气体积率v a 、孔隙比e 和饱和度s r ，探讨 适宜的压实工艺和合理的施工控制指标，过湿土用一般的压实工具很难进行压实，本章 考虑利用工业废渣对过湿土进行改良，使土体的含水量迅速降低，满足压实的要求，并 研究不同配比的含水量的变化。 2 1 鲁西北地区路基填料压实特性研究 2 1 1 试验材料 在试验段取具有代表性的三种土样1 群、2 撑和3 群，对这三种土做颗粒分析和界限含 水率试验，本章试验均参考公路土工试验规程( j t j 0 5 1 2 0 0 7 ) 3 1 】，试验结果见表2 1 。 表2 1两种土样的颗粒百分比 指标 颗粒百分比( ) 砂粒( m m )粉粒( m m )粘粒( m m ) 液限( )塑限( )塑性指数 土类 0 2 5 o 0 7 5 0 0 7 5 - - , 0 0 0 5 粉土2 # 的饱和度s r 粉土1 # 的饱和度s r 。说明粘土 的压实过程是排气不排水的压缩孔隙过程，密实度受碾压含水量的控制。而粉土的压实 过程是颗粒位移、重排列过程，密实度受排列方式的控制。这两类土的压实工艺不同。 通过改变粉土的级配，即提高粘粒含量可有效改善粉土的压实性能。图2 4 为饱和度s r 与含水量的关系。可以看出，随着含水量的增加，饱和度也随之增加，最终趋于一稳定 值。 l o 长安人学硕十学位论文 图2 4 饱和度s r 与含水量的关系 3 、孔隙比e 由图2 5 可以看出，随着击实功的增加，土的孔隙比随之减小，可以肯定的是当击 实功达到某个值时，孔隙比将趋于定值。 o 8 0 7 5 0 0 7 丑0 6 5 鲁 j0 6 m 0 5 5 0 5 8 89 09 29 49 69 81 0 01 0 2 压实度( ) 图2 5 孔隙比随压实度的变化 2 2 4 击实功对压实性能的影响 对粉土1 撑分别采用击实次数为3 0 次、5 0 次、7 3 次和9 8 次进行击实试验，将击实 数据绘制成击实曲线( 图2 6 ) ，空气体积率v a 、饱和度s r 和孔隙比e 随击实功的变化 表2 5 。 第二章鲁两北过湿地段路床处置与稳定方案研究 ，、 吕 u 竺 趟 稚 h 81 31 82 3 含水量( ) 次 次 次 次 线 图2 6 不同击实功下的击实曲线 由图2 6 可以看出，随着击实功的增加，粉土的击实曲线背离饱和曲线，即随着击 实功的增加，粉土的最佳含水量减小，最大干密度增加；随着击实功的增加，击实曲线 的右半侧越接近饱和曲线。 由于粉土的颗粒分布存在着严重的缺陷，砂粒和粉粒之间没有更小的粘粒填充，球 状颗粒形成近乎等粒堆积的“搭积木 式的结构，在压实过程中主要表现为颗粒的重排 列，击实功的作用在于促使颗粒错位和移动，使土中空隙率下降，几乎表现不出孔隙空 气的排出。 表2 3 不同击实功下的空气体积率v s 、饱和度s r 和孔隙比e 最佳含水量w p d 击实：r j j ( k j m 3 )v )s r ( ) e ( ) ( g c m 3 ) 8 2 01 7 11 7 48 1 07 8 60 5 9 1 3 6 71 6 81 7 58 1 07 8 40 5 8 1 9 9 61 4 51 7 71 1 1 26 9 80 5 6 2 6 8 01 3 7 1 81 0 56 9o 5 3 由表2 3 可知，随着击实功的增加，压实土的孔隙率减小，空气体积率并未变小， 而是孔隙中水的排出，v v ( v v = v n v w ) 减小，并使s r 降低。所以，仅靠静压和提高击实 功难以改变土的孑l 隙结构和土的空气体积率。击实功和初始含水量对击实试件空气体积 率的影响如图2 7 。 1 2 一 舟 砖 - 1 1 1 长安大学硕上学位论文 一、 芭 褥 蚤 蛙 扩 剁 1 01 21 41 61 82 0 含水量( ) 图2 7 击实功和初始含水量下对击实试件空气体积率的影响 由图2 7 可以看出，在同一初始含水量条件下，空气体积率随着击实功的增加而减 小。初始含水量为1 0 7 时，其空气体积率均超过了1 5 ，空气体积率随击实功的增加 而减小很快。初始含水量为最佳含水量时，空气体积率随击实功的增加变化也较大。空 气体积率随着初始含水量的增大而减小，当初始含水量为1 6 7 时，空气体积率均小于 8 ，且空气体积率随击实功的增加基本上减小的幅度不大。 2 2 鲁西北地区路基填料的c b r 试验 加州承载比简称c b r ( c a l i f o r n i ab e a r i n gr a t i o ) 由美国加利福尼亚州首先提出，用于 评估公路基层、底基层及垫层材料潜在强度的试验方法。c b r 值是反映在进行贯入试验 之后，试件中部分土与整体之间产生相对位移( 剪切变形) 时，在滑动面( 剪切面) 上产生 的抗剪切力特性的表征；是土体抗局部剪切强度反映。其值反映到公路路基上则是指路 基的抗局部剪切力的能力。该试验模拟公路路基填料处于浸水的最不利环境中，土颗粒 间的孔隙被水充填，填料联结强度降低的实际情况。在公路路基中，不同的路基填料具 有不同的贯入度，其强度亦不同。因此采用在贯入量2 5 m m 或5 m m 时单位压力与标准 压力之比的百分数作为材料的c b r 值，它反映了路基填料的强度指标。交通部现行的 规范明确提出了路基不同部位填料的最小强度要求。我国现行公路路基设计规范 ( j t j 0 3 1 9 5 ) 7 j 把c b r 值作为路基填料选择的依据，如表2 4 所示： 第二章鲁西北过湿地段路床处置与稳定方案研究 表2 4 路基填料最小强度要求 填料最小强度( c b r ) 压实度( ) 路面底层以 ( ) 项目分类 下深度( c m ) 高速公路其它等 高速公路一级公路 其它等级公路 一级公路级公路 上路床 0 3 086 9 5 9 3 填 方 下路床3 0 8 05 4 9 5 9 0 路 上路堤 8 0 1 5 043 9 3 8 5 基 下路堤1 5 0 以下 32 9 0 8 0 零填及路堑路床 0 3 086 9 5 9 0 2 2 1 不同土样的c b r 值 对试验路段地区典型性粉土l 群和粉土2 样分别在最佳含水量下进行c b r 试验，其结 果如表2 5 所示。 表2 5 c b r 试验结果 指标 最大干密度最佳含水量 膨胀量c b r 值 土紊 ( g c m 3 ) ( )( m m )( ) 粉土1 撑 1 8 11 3 7o 8 52 3 粉土2 群 1 7 01 6 53 6 43 0 由表2 1 和表2 5 可以看出，对于粉土l 撑，由于只有较少粘粒含量，且含有一定砂粒， 抗剪强度主要由内摩擦力组成，粘聚力只占一小部分。这种内摩擦力包含颗粒间相对滑 动时的阻力、抵抗颗粒滚动的阻力和颗粒之间相互嵌挤形成的阻力。它取决于土颗粒的 粒度、强度、粗糙度和外部形状，所以其抗剪切强度取决于土壤成分( 决定土壤颗粒的 强度和密度) 、外形尺寸和粗糙度，受土体的含水量影响相对较小。故水浸泡试验后膨 胀量较小，c b r 值较大。 对于粉土2 群，粘粒成分含量较粉土1 群大，其抗剪切力中粘聚力起一定作用。粘聚力 的大小取决于土壤的粘性、土体的渗透性。因为当土中含有水分时，粘性土颗粒之间即 产生不同厚度的结合水膜，它的厚度与渗入的水分多少、土壤的粘土矿物成分有关。因 此，当试件受剪切发生移动时，固体颗粒之间不是直接摩擦而是通过水膜相互摩擦的。 土体含水量较低时，在粘粒表面上包裹的结合水膜一般很薄，溶解在其中的阴、阳离子 1 4 长安大学硕上学位论文 的静电引力较强，将表面带负荷的粘粒连接起来，形成一定的凝聚强度。当水进入土体 后，结合水膜变厚，凝聚强度逐渐降低以至消失并在土颗粒之间产生了润滑作用，很明 显，由于这种水膜产生的润滑作用，水膜愈厚摩擦力的减小就愈明显。由于颗粒尺寸较 小，所以水浸泡试验后膨胀量要大，c b r 值要小。 显然该地区粉土2 撑不能满足规范对路基填料的要求，必须进行换填或处理后才能使 用，但是德州平原地区很缺乏级配良好的土，换填必定会大大增加工程造价。所以，本 文将考虑用当地丰富的工业废弃物对这种不良土质进行改良，使其不仅在施工性能方面 有所改善，而且在力学性能和长期的稳定性方面也有所增强。 2 2 2 初始含水量、干密度对c b r 值的影响 试验方案：在击实试验的基础上，对粉土在最佳含水量( 13 7 ) 、最佳含水量低于 3 ( 1 0 7 ) ，最佳含水量大于3 ( 1 6 7 ) ，最佳含水量大于6 ( 1 9 7 ) 的条件下 进行成型试件，试验过程中，将每层土样的击实次数分别控制在3 0 、5 0 、7 3 、9 8 次， 从而使土样达到不同的压实度和空气体积率。按公路土工试验规程( j t j 0 5 1 2 0 0 7 ) 。 进行试验，检测其浸水c b r 值。将试验结果绘制成不同初始含水量条件下，绘制c b r 和干密度的变化曲线，如图2 8 所示。 2 5 2 0 集1 5 理 营1 0 a 0 1 7 21 7 41 7 61 7 81 81 8 2 干密度( g c m 3 ) 图2 8 不同初始含水量下干密度对c b r 值的影响 由图2 8 可以看出，在不同的初始含水量条件下，c b r 值均随着干密度的增大而增 大，在最佳含水量1 3 7 时c b r 值随于密度的增大最为明显，当压实度从9 4 5 增加到 第二章鲁西北过湿地段路床处置与稳定方案研究 1 0 0 的过程中，c b r 值从9 5 增加到2 3 。而在最佳含水量大6 的条件下，采用提 高击实次数的方法来增加压实度和c b r 值，效果并不好。当击实次数从3 0 次提高到9 8 次时，压实度从9 2 8 提高到9 5 ，干密度仅提高了2 2 ，c b r 值从1 4 提高到2 5 仅提高了1 1 。 2 3 基于空气体积率v a 路基压实控制方法 在我国已建成的高等级公路中，有些还未达到设计年限就已出现早期破坏，其中有 相当一部分是由于路基原因而引起的，如因路基不均匀沉降导致路面局部沉陷及纵向裂 缝等。分析其原因，很大程度上与路基压实度不足有很大的关系，一方面有设计施工上 的原因，另一方面就是规范中用的压实标准偏低的原因。 2 3 1 空气体积率对路基承载力影响 试验方案见2 2 节的试验方案，在相同压实度条件下，土的干密度不变，随着含水 量的增加，空气体积率随之减小，对c b r 试件在9 3 压实度下分别进行浸水和不浸水 试验，如图2 9 。 3 0 2 5 2 0 永 趔1 5 2 u1 0 5 0 1 01 52 02 53 0 空气体积率v a ( ) 图2 9 初始空气体积率对c b r 值的影响 当路基达到某一施工压实度后，路基使用中含水量会在环境影响下发生较大变化。 由图2 9 可以看出，空气体积率越大，路基c b r 值的衰减幅度越强烈( 可用三次方程拟 合空气体积率与c b r 衰减值的关系) 。 1 6 长安大学硕士学位论文 当初始含水量较小( 1 0 7 ) 时，空气体积率为2 6 ，浸水后的c b r 值下降最多， 水稳性差；相反，初始含水量较大( 1 6 7 ) 时，此时空气体积率为1 8 ，浸水后c b r 值 下降的少，水稳性差较好。因此，鲁西北过湿土地区在最佳含水量条件下压实有困难时， 可以将该地区现场合理施工的含水量控制为1 6 7 附近，即在最佳含水量湿侧约3 范 围内施工，此时路基不仅较容易压实，而且强度亦能满足要求，浸水后强度衰减也较小， 水稳性较好。 2 3 2 空气体积率控制路基压实可行性分析 日本的路基压实控制方法中，首先根据7 5l am 筛的通过量将土进行分类，对不同的 土质采用不同的控制方法。对7 5l am 筛通过量大于2 0 的土( 相当于粘性土和粉性土) ， 只能用孔隙率法控制，不允许用压实度法控制；7 5pm 筛通过量小于2 0 的土( 相当于砂 性土) 能用密度比法( 压实度法) 控制。在孔隙率指标中，综合考虑了干密度和路基成型 时含水量两方面的因素。 压实度法不能正确反映细颗粒土遇水的这一特性。在图2 1 0 中的击实曲线中，干密 度p 。对应两个含水量w 1 jw 2 ，在w l 、w 2 下可以达到相同的压实度，所以压实度指 标不能反映哪个含水量对路基的水稳定性更有利。而孔隙率法中，不同的含水量w l 、 w 2 所计算得的孔隙率v w 2 v w l ，也就是说在含水量大时更有利于路基的水稳定性， 这与以上的分析相符合。因此，对细粒成分含量多的土质用孔隙率法控制更趋合理。 1 8 5 1 8 笔pd 鼍1 7 瑙1 6 5 翠1 6 1 5 5 1 5 一! ：一 7 w l 1 11 31 5 w 2 1 92 12 32 5 含水量( ) 图2 1 0 击实曲线 鲁西北地区的路基填料大多属于低液限的细颗粒粉土，含水量比较高，常常接近塑 限值，填筑时需要降低其含水量。当以空气体积率v a 1 3 进行控制时，并且假设现场 1 7 第二章鲁两北过湿地段路床处置与稳定方案研究 在最佳含水量( 1 3 7 ) 条件下压实，此时压实度为9 5 。而当为规范中压实度标准的 下路堤填料限值时，为9 3 时，计算此时现场的含水量为1 4 9 。也就是说，当以空气 体积率v r a 1 3 控制，当工地路基填土的含水量在最佳含水量湿侧附近压实时，压实度 自然能满足路基设计规范的要求。因此，建议采用空气体积率法作为该地区细粒土填筑 路基的压实控制标准。 2 4 采用外掺材料改善过湿粉土压实性能试验研究 2 4 1 水分固化试验 过湿土的处理关键是怎样能够快速、有效地降低含水量，将含水量控制在最佳含水 量附近，使它容易压实，并且具有一定的力学强度。因此过湿土中常常掺加具有吸湿能 力和固化能力的外掺剂，降低含水量，满足施工压实的要求，提高强度和稳定性。 试验方案：本试验对三组含水量进行水分固化试验，分别是1 9 、2 2 和2 5 ，加 固配比方案为6 水泥土、1 4 石灰土、粉煤灰电石渣脱硫石膏( 3 拌) 掺量为2 0 ，电石 渣矿渣微粉水泥( 5 撑) 掺量分别为6 、1 0 和1 4 ，粉煤灰生石灰矿渣微粉水泥 激发剂( 8 撑) 掺量分别为6 、1 0 和1 4 ，对每个试验配比进行不同含水量的三组试验， 测定拌合后的含水量和养护不同时间加固土的含水量。 普通的鼓风烘箱一般的设置温度为1 0 5 ，为了避免温度过高导致固化土内不稳定 物质的分解，造成试验结果的不准确，本试验采用了真空干燥箱进行试验，试验温度设 置在7 0 ，真空度在0 ，0 9 m p a ，试验中闷料和测量含水量方法参照公路工程无机结 合料稳定材料试验规程o t j 0 5 7 9 4 ) 【1 7 】进行，注意在闷料和测量的过程中要避免含水量 的散失，测定拌合后的含水量和标准养生不同龄期的含水量( 1 d 、3 d 、7 d ) 。 本试验对不同配比进行三种含水量的水分固化试验，经过仔细分析，三种含水量的 水分固化随养护时间的变化趋势大体一致，由于篇幅的限制，本文对部分试验结果进行 分析，图2 1 1 为初始含水量为2 5 时不同配比的含水量随龄期的的变化。 1 8 长安人学硕士学位论文 图2 1 1 初始含水量为2 5 时不同配比的含水量随龄期的的变化 由图2 11 可以看出，由于拌合时水分的散失和外掺剂的吸水性，加固土拌合后的含 水量快速下降。生石灰加固土在经过拌合后的含水量减少幅度最大，之后随着龄期的变 化水分的变化很小，其原因是由于生石灰在拌合时放热使大量的水分蒸发；8 # 一1 4 掺量 在养护龄期内含水量的变化较大，由于激发剂的存在，促使了粉煤灰的水化反应，导致 消耗的水分较大，这也可以从力学强度反应出来；5 # - 1 4 掺量的含水量在1 d 内的变化 较大，以后减小的幅度变小，说明了水泥和矿渣微粉的早期的水化消耗了较多的水分， 随后反应的进行较为缓慢；电石渣粉煤灰加固土( 3 # 配比) 在掺量为2 0 时减水效果尽 管不如1 4 石灰土，但是其中脱硫石膏对水分固化和粉煤灰活性激发作用明显。 为了更好的分析数据，本文将结果计算为不同配比单位掺量含水量随龄期的变化见 表2 6 。 表2 6 不同配比单位掺量含水量随龄期的变化 配比 l d ( )3 d ( ) 7 d ( ) 6 水泥土 4 2 27 6 71 2 6 7 1 4 石灰土 1 4 73 3 3 3 4 8 3 拌2 0 0 7 52 4 74 0 8 5 捍1 4 3 0 94 56 9 9 8 群1 4 2 55 8 69 9 3 由表2 6 可以看出，水泥固化水分的效率是最高的，其原因是水泥遇水能够快速的 1 9 第二章鲁西北过湿地段路床处置与稳定方案研究 水化并凝结；其次是8 撑配比，随着养护时间的增长，水分较少速率增加( 一定时期内) ； 5 f 配比由于矿渣微粉和水泥的水化，1 d 龄期含水量的变化要大于8 拌配比；石灰固化土 的含水量变化最小。 对粉煤灰生石灰矿渣微粉水泥激发剂加固土( 8 撑配比) 在掺量为1 4 情况不同 初始含水量下的含水量变化规律如图2 1 2 。 ，一、 誉 、一 删 * 缸 2 6 2 4 2 2 1 2 1 0 初始含水量拌合后含水量 l d3 d7 d 养护龄期( d ) 图2 1 28 撑配比在不同龄期下的含水量变化 由图2 1 2 可以看出，在同一配比条件下，加固土的含水量随龄期的变化趋势基本一 致，都是随着龄期的增长含水量在减小；在2 5 含水量下固化土的含水量随龄期的变化 的变化速率较其他两种初始含水量要大。 2 4 2 外掺材料对过湿粉土压实性能的影响 鲁西北平原地区地下水位高，进入雨季后，路基填料晾晒困难，路基填筑压实难度 较大。本研究提出采用以工业废渣为主的外掺材料改良过湿土，可以快速的降低土体的 含水量，以利于路基压实；同时经改良处理路基的水温稳定性也会得到较大的增强( 力 学性能及耐久性能详见第三四章) 。本试验不同配比方案加固土进行重型击实试验，分 析不同配比对过湿粉土压实性能的影响。 试验方案：本试验对素土、6 水泥土、14 石灰土、粉煤灰一电石渣脱硫石膏加固 土( 3 撑配比) 、电石渣一矿渣微粉水泥熟料加固土( 5 撑配比) 和粉煤灰生石灰矿渣微 粉水泥加固土( 8 撑配比) 进行重型击实试验，击实曲线如图2 1 3 。 长安人学硕士学位论文 、 量 c ) b 0 蜊 静 h _ 81 31 82 32 8 含水量( ) 图2 1 3 不同配比的击实曲线 由图2 1 3 可以看出，除了6 水泥土与素土的最佳含水量和最大干密度相差比较小 以外，总体上来说，随着外掺材料掺量的增加，加固土的最佳含水量增加，最大干密度 减小；在不同配比之间掺量相同的情况下，最大干密度和最佳含水量与所掺材料的密度 有很大关系。由于矿渣微粉和水泥的密度要大于粉煤灰和石灰以及电石渣的密度，当所 掺材料中含有较多的矿渣微粉和水泥时，其干密度就会增加。 在对过湿路基进行压实时，可以将初始含水量放宽到击实曲线的湿侧，即要达到某 一压实度下最大含水量为界限含水量，根据击实试验结果可以换算出该土的界限含水量 如表2 7 。 表2 7 不同配比土的界限含水量( ) 压实度 素土( ) 6 水泥土1 4 石灰土 3 撑配比( )5 撑配比( ) 8 群配比 ( )( )( )( ) 9 81 5 51 6 4 91 9 4 43 2 5 82 1 43 0 5 9 9 61 6 31 7 7 72 2 2 23 5 7 62 2 13 2 1 9 4 1 8 21 8 7 22 6 13 8 92 3 33 4 8 9 21 9 1 1 9 6 82 9 6 84 0 72 4 53 5 9 由表2 7 可以看出，随着外掺材料的增加，土的界限含水量显著增加，因此，在鲁 西北过湿路段可以根据现场土壤的含水量，用此方法来确定外掺材料的最佳掺量。例如， 本试验段的天然含水量为2 0 ，要达到9