石灰改良膨胀土的物理力学性状试验研究和工程应用ppt课件

1、石灰改良膨胀土的物理力学性状石灰改良膨胀土的物理力学性状试验研究和工程应用试验研究和工程应用张福海张福海 王保田王保田 河海大学岩土工程研究所河海大学岩土工程研究所1.研究背景和意义研究背景和意义在膨胀土地区的高速公路建设中，面临在膨胀土地区的高速公路建设中，面临着要么用大量的非膨胀土置换膨胀土，要着要么用大量的非膨胀土置换膨胀土，要么对膨胀土进行土性改良的问题。么对膨胀土进行土性改良的问题。由于采用置换的方法经济上不划算，而由于采用置换的方法经济上不划算，而且弃土会造成环境污染。且弃土会造成环境污染。因此研究如何利用改良弱膨胀土来填筑因此研究如何利用改良弱膨胀土来填筑路堤，对解决高速公路遇到

2、的膨胀土问题路堤，对解决高速公路遇到的膨胀土问题具有重要的应用价值和实践意义。具有重要的应用价值和实践意义。 工程背景工程背景宁淮高速公路淮安段全长宁淮高速公路淮安段全长113.011113.011公里，公里，其中有其中有9292公里长的路段穿越膨胀土分布地公里长的路段穿越膨胀土分布地区。区。只能利用当地的不良土源如中等膨胀土只能利用当地的不良土源如中等膨胀土或弱膨胀土来填筑路基。或弱膨胀土来填筑路基。 高含水量膨胀土利用！高含水量膨胀土利用！ 存在的问题存在的问题o 石灰改良高含水量膨胀土施工工艺；石灰改良高含水量膨胀土施工工艺；o 石灰改良高含水量膨胀土填料碾压质量石灰改良高含水量膨胀土填

3、料碾压质量控制标准；控制标准；o 现行规程中的石灰剂量检测方法没有考现行规程中的石灰剂量检测方法没有考虑时间对灰剂量检测结果的影响；虑时间对灰剂量检测结果的影响；o 规范推荐的膨胀变形量计算的经验公式规范推荐的膨胀变形量计算的经验公式没有直接反应土层土体孔隙中的水分含没有直接反应土层土体孔隙中的水分含量的差异对土体膨胀变形量的影响量的差异对土体膨胀变形量的影响 。 研究内容研究内容(1)(1)路堤膨胀土填料改良方法研究路堤膨胀土填料改良方法研究(2)(2)石灰改良膨胀土的施工工艺研究石灰改良膨胀土的施工工艺研究 (3)(3)改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准的

4、确定的确定 (4)(4)天然膨胀土路基和改良膨胀土路堤的膨天然膨胀土路基和改良膨胀土路堤的膨胀变形分析胀变形分析膨胀土填料改良试验研究膨胀土填料改良试验研究通过研究不同灰剂量石灰改良土的自由通过研究不同灰剂量石灰改良土的自由膨胀率和界限含水量的变化规律，结合膨膨胀率和界限含水量的变化规律，结合膨胀率试验、无侧限抗压强度试验和水稳定胀率试验、无侧限抗压强度试验和水稳定性试验，确定出一个能够满足公路路基施性试验，确定出一个能够满足公路路基施工技术规范中对路堤填土强度和变形要求工技术规范中对路堤填土强度和变形要求的灰剂量。的灰剂量。 膨胀土填料改良试验研究膨胀土填料改良试验研究试验成果：试验成果：

5、采用石灰改良的膨胀土填料可以满足采用石灰改良的膨胀土填料可以满足宁淮高速公路对路基填料的膨胀性、强度宁淮高速公路对路基填料的膨胀性、强度和变形方面的要求。和变形方面的要求。改良膨胀土筑堤施工工艺研究改良膨胀土筑堤施工工艺研究o 二次掺灰的施工工艺研究二次掺灰的施工工艺研究o 一次掺灰的施工工艺研究一次掺灰的施工工艺研究改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准研究改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准研究o碾压质量控制标准o灰剂量检测标准碾压质量控制标准碾压质量控制标准o 问题的提出：问题的提出：n 在宁淮高速公路先导段施工中，施工完在宁淮高速公路先导段施工中，施工完成的路堤的压实度很难达到设计要求，成的

6、路堤的压实度很难达到设计要求，多数路段压实度检测结果显示，合格的多数路段压实度检测结果显示，合格的点数甚至达不到总检测点数的点数甚至达不到总检测点数的5050。碾压质量控制标准碾压质量控制标准o 研究方法：研究方法：n 通过室内击实试验和现场碾压试验研究通过室内击实试验和现场碾压试验研究适用于宁淮高速公路淮安段路堤填土施适用于宁淮高速公路淮安段路堤填土施工的碾压质量控制标准。工的碾压质量控制标准。 室内击实试验室内击实试验图图3.1 3.1 干法击实试验示意图干法击实试验示意图图图3.2 3.2 湿法击实试验示意图湿法击实试验示意图室内击实试验室内击实试验根据土料含水量根据土料含水量变化过程来

7、看，应变化过程来看，应属于湿法施工。对属于湿法施工。对于按湿法施工的现于按湿法施工的现场而言，采用干法场而言，采用干法制定的压实度标准制定的压实度标准是不是合适呢？是不是合适呢？ 室内击实试验室内击实试验室内击实试验室内击实试验马武九标先导段马武九标先导段6#6#和和7#7#取土坑含灰量取土坑含灰量5%5%的改良土击实试验成果表的改良土击实试验成果表取土坑编号取土坑编号6#6#取土坑取土坑7#7#取土坑取土坑干法击实成果干法击实成果湿法击实成湿法击实成果果干法击实干法击实成果成果湿法击实湿法击实成果成果最大干密度最大干密度dmaxdmax(g/cm(g/cm3 3) )1.6921.6921.

8、6141.6141.7171.7171.6481.648最大干密度差值最大干密度差值(g/cm(g/cm3 3) )0.0780.0780.0690.069差值占湿法击实差值占湿法击实dmaxdmax的百分比的百分比4.83%4.83%4.19%4.19%室内击实试验室内击实试验o 由击实试验成果可知：由击实试验成果可知：o 干法击实试验得到的最大干密度比湿法干法击实试验得到的最大干密度比湿法击实试验得到的最大干密度大击实试验得到的最大干密度大3 35%5%；o 对于按湿法施工的现场而言，干法制定对于按湿法施工的现场而言，干法制定的压实度标准相当于提高了的压实度标准相当于提高了3%3%5%5%

9、。 试验段试验段序号序号含水量含水量范围范围（%）干密度范围干密度范围（g/cm3）按干法击实结果判按干法击实结果判断的压实度断的压实度（%）按湿法击实结果判按湿法击实结果判断的压实度断的压实度（%）备备 注注第一试验段第一试验段(K173+600-K173+740)17.5-21.5平均：平均：19.81.269-1.616平均：平均：1.50975.0-95.5平均：平均：89.2合格点百分数：合格点百分数：55%78.6-100平均：平均：93.5合格点百分数：合格点百分数：85%1段和段和2段段 6#取土坑取土坑湿法最大干密度湿法最大干密度dmax=1.614g/cm3干法最大干密度干

10、法最大干密度dmax=1.692g/cm3 3段和段和4段段 7#取土坑取土坑湿法最大干密度湿法最大干密度dmax=1.648g/cm3干法最大干密度干法最大干密度dmax=1.717g/cm3 压实度压实度90%称为称为合格。合格。第二试验段第二试验段(K170+680-K170+840)18.9-22.8*平均：平均：21.21.396-1.552平均：平均：1.46682.5-91.7平均：平均：86.7合格点百分数：合格点百分数：10%86.5-96.2平均：平均：90.8合格点百分数：合格点百分数：70%第三试验段第三试验段(K174+020-K174+150)18.7-21.8平均

11、：平均：19.71.475-1.568平均：平均：1.51086.1-91.3平均：平均：88.0合格点百分数：合格点百分数：10%89.5-95.2平均：平均：91.6合格点百分数：合格点百分数：100%第四试验段第四试验段(K173+120-K173+300)17.1-20.2平均：平均：18.61.518-1.607平均：平均：1.56488.4-93.5平均：平均：91.1合格点百分数：合格点百分数：69.5%92.1-97.5平均：平均：94.9合格点百分数：合格点百分数：100%碾压质量控制标准碾压质量控制标准o 试验结论：试验结论：n 填料初始含水量较高的宁淮高速公路施工过程填料

12、初始含水量较高的宁淮高速公路施工过程与湿法击实试验模拟的施工条件相一致；与湿法击实试验模拟的施工条件相一致；n 建议在宁淮高速公路路堤施工中采用湿法击实建议在宁淮高速公路路堤施工中采用湿法击实得到的最大干密度作为碾压质量控制标准。得到的最大干密度作为碾压质量控制标准。o 研究成果已被列入新编的江苏省高速公路路研究成果已被列入新编的江苏省高速公路路基施工技术规范。基施工技术规范。 灰剂量检测标准o 现行检测方法存在的问题现行检测方法存在的问题：n 规范中给出的规范中给出的EDTAEDTA滴定法将石灰一次性滴定法将石灰一次性掺加，灰剂量检测工作在石灰掺加后掺加，灰剂量检测工作在石灰掺加后7d7d内

13、完成。该试验方法的假设有时与工程内完成。该试验方法的假设有时与工程实际相差较远。实际相差较远。 灰剂量检测标准o 灰剂量测试方法的改进思路：灰剂量测试方法的改进思路：n 是尽量模拟施工工艺过程，考虑石灰掺入到是尽量模拟施工工艺过程，考虑石灰掺入到土体以后，与土体发生化学作用对试验成果土体以后，与土体发生化学作用对试验成果的影响，改进标准曲线的形式，使测试结果的影响，改进标准曲线的形式，使测试结果不受从掺灰到测试时间间隔长短的影响。不受从掺灰到测试时间间隔长短的影响。 灰剂量检测标准以灰剂量为以灰剂量为5%5%的石灰的石灰改良土为例，将在不改良土为例，将在不同时间滴定标准试样同时间滴定标准试样所

14、消耗的所消耗的EDTAEDTA标准液标准液体积随时间的变化关体积随时间的变化关系线绘在半对数坐标系线绘在半对数坐标上，获得的改进标准上，获得的改进标准曲线如右图所示。曲线如右图所示。 图图3.183.18灰剂量检测标准图图3.193.19灰剂量检测标准两个试验段不同时间灰剂量检测成果两个试验段不同时间灰剂量检测成果试验段桩号试验段桩号二次掺灰后二次掺灰后2 2天天二次掺灰后二次掺灰后2525天天二次掺灰后二次掺灰后4141天天测点测点数数 ( (个个) )含灰量均值含灰量均值(%)(%)测点测点数数 ( (个个) )含灰量均值含灰量均值(%)(%)测点测点数数 ( (个个) )含灰量均值含灰量

15、均值(%)(%)原标准原标准改进标改进标准准原标准原标准改进标改进标准准原标准原标准改进标改进标准准K170+680K170+68084084010105.45.45.45.47 72.42.45.35.311111.71.74.64.6K173+600K173+6007407408 84.64.64.64.610102.12.14.74.713131.51.54.34.3灰剂量检测标准石灰改良土石灰改良土EDTAEDTA消耗量的衰减率随时间变化数据汇总表消耗量的衰减率随时间变化数据汇总表( (韩艳芬，赵蔚东韩艳芬，赵蔚东 ) )掺灰后天数掺灰后天数( (天天) )统计值统计值4 48 812

16、121616262630303737444451515858灰剂量平均值灰剂量平均值(%)(%)8.08.07.97.96.96.96.96.96.66.65.95.95.55.55.75.75.45.44.44.4EDTAEDTA衰减率衰减率(%)(%)100.100.0 097.897.8 85.785.7 86.386.3 81.981.9 73.573.5 68.868.8 71.071.0 67.667.6 55.055.0备注：试样备注：试样EDTAEDTA消耗量的衰减率等于该时间的灰剂量平均值除以初始时间的灰剂量平均值。消耗量的衰减率等于该时间的灰剂量平均值除以初始时间的灰剂量平

17、均值。类似工程试验资料类似工程试验资料灰剂量检测标准灰剂量检测标准o改进的灰剂量标准曲线已被列入改进的灰剂量标准曲线已被列入新编的江苏省高速公路路基施工新编的江苏省高速公路路基施工技术规范。技术规范。 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 测试石灰改良膨胀土路堤在施工期和运测试石灰改良膨胀土路堤在施工期和运行期含水量的变化，分析路基中的水分行期含水量的变化，分析路基中的水分变化规律；变化规律；o 测试施工期膨胀土地基的膨胀变形量；测试施工期膨胀土地基的膨胀变形量；o 根据室内膨胀率试验资料提出适用于宁根据室内膨胀率试验资料提出适用于宁淮高速公路膨胀土地基的膨胀变形量计淮高速公

18、路膨胀土地基的膨胀变形量计算方法。算方法。天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析环境水分变化对环境水分变化对膨胀土地基膨胀膨胀土地基膨胀变形影响很大！变形影响很大！ 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 路基中的水分变化规律测试成果分析：路基中的水分变化规律测试成果分析：n 施工期间路堤填土含水量的最大增加幅度为施工期间路堤填土含水量的最大增加幅度为7.1% 7.1% 。n 在填土施工完成后，填土含水量最大变化幅在填土施工完成后，填土含水量最大变化幅度为度为4.1%4.1%。 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析膨胀土地基膨胀变形现场测试成果：膨

19、胀土地基膨胀变形现场测试成果：填土高度填土高度统计断统计断面数量面数量隆起变形隆起变形 (mm)(mm)左左 侧侧中中 间间右右 侧侧最大值最大值最小最小值值平均值平均值最大最大值值最小最小值值平均平均值值最大最大值值最小最小值值平均平均值值1.5m1.5m8 814.24 14.24 5.67 5.67 8.08 8.08 20.6720.67 1.77 1.77 7.71 7.71 18.16 18.16 7.20 7.20 6.11 6.11 1.52.0m1.52.0m8 819.18 19.18 12.43 12.43 15.56 15.56 19.4519.45 0.78 0.78

20、 9.27 9.27 18.77 18.77 3.45 3.45 14.54 14.54 2.02.5m2.02.5m131314.4814.48 6.92 6.92 9.30 9.30 14.07 14.07 1.82 1.82 6.70 6.70 13.21 13.21 2.02 2.02 7.19 7.19 典型断面隆起变形统计表典型断面隆起变形统计表天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 膨胀土膨胀变形的现有计算方法缺陷：膨胀土膨胀变形的现有计算方法缺陷：n 只考虑了上覆压力和干密度对土体膨胀性的只考虑了上覆压力和干密度对土体膨胀性的影响而没有直接反应土层土体孔隙中的初

21、始影响而没有直接反应土层土体孔隙中的初始水分含量的差异对土体膨胀变形量的影响；水分含量的差异对土体膨胀变形量的影响；n 现有研究成果证明这种影响对真实反映土体现有研究成果证明这种影响对真实反映土体的实际变形是非常重要的。的实际变形是非常重要的。 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 有荷膨胀率试验有荷膨胀率试验o 研究对象：宁淮研究对象：宁淮高速公路高速公路K130+030K130+030断面地断面地基土。基土。 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 有荷膨胀率试验成果有荷膨胀率试验成果(引自李进硕士论文引自李进硕士论文)上覆压力上覆压力(kPa)直线方程直

22、线方程相关系数相关系数R2450.967540.974630.992730.919830.9520= -16.24w + 3.51ep0= -29.51w + 6.36ep0= -21.50w + 4.70ep0= -19.04w + 4.31ep0= -12.36w + 2.71ep天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 有荷膨胀率试验成果：有荷膨胀率试验成果：o 在一定的竖向压力作用下地基土体膨胀在一定的竖向压力作用下地基土体膨胀率与初始含水量成线性关系，回归方程率与初始含水量成线性关系，回归方程为：为：epawb o 对于同一种膨胀土，对于同一种膨胀土，a a、b b应该

23、是与上覆压应该是与上覆压力有关的系数力有关的系数 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 系数系数a a、b b与上覆压力与上覆压力p p成线性关系，成线性关系，可以可以判定系数判定系数a a、b b与上覆压力与上覆压力p p成线性关系。成线性关系。可以用下式拟合：可以用下式拟合：1122acpdbcpd111221122()epawbcpd wcpdc pwd wc pd 天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析设计填筑高度设计填筑高度(m)(m)地基膨胀变形量地基膨胀变形量(mm)(mm)施工期施工期运行期最低含水量运行期最低含水量(%)(%)181819192

24、0201.51.5结构层施工前结构层施工前( (实际高度实际高度0.74m)0.74m)19.7419.74结构层施工后结构层施工后15.2215.228.308.305.005.002.142.141.91.9结构层施工前结构层施工前( (实际高度实际高度1.14m)1.14m)17.9717.97结构层施工后结构层施工后13.4413.447.287.284.334.331.821.822.02.0结构层施工前结构层施工前( (实际高度实际高度1.24m)1.24m)17.5317.53结构层施工后结构层施工后13.0113.017.037.034.174.171.741.742.262.

25、26结构层施工前结构层施工前( (实际高度实际高度1.50m)1.50m)16.3916.39结构层施工后结构层施工后11.8811.885.745.743.383.381.391.392.52.5结构层施工前结构层施工前( (实际高度实际高度1.74m)1.74m)13.7513.75结构层施工后结构层施工后9.699.693.023.022.062.061.211.21天然膨胀土路基膨胀变形分析天然膨胀土路基膨胀变形分析o 由上述计算成果可知：填土的初始含水由上述计算成果可知：填土的初始含水量大小对路堤的膨胀量影响很大；量大小对路堤的膨胀量影响很大；o 计算成果与现场膨胀土地基膨胀变形量计

26、算成果与现场膨胀土地基膨胀变形量测试成果较为吻合；测试成果较为吻合； o 由计算成果和现场膨胀变形测试成果可由计算成果和现场膨胀变形测试成果可知：宁淮高速公路路堤的控制填筑高度知：宁淮高速公路路堤的控制填筑高度为为2.5m2.5m。 路堤膨胀变形量分析路堤膨胀变形量分析o 石灰改良膨胀土路堤膨胀变形计算；石灰改良膨胀土路堤膨胀变形计算；o 分析若直接采用膨胀土筑路可能产生的分析若直接采用膨胀土筑路可能产生的膨胀变形量。以比较石灰改良效果。膨胀变形量。以比较石灰改良效果。n 根据室内膨胀率试验资料提出适用于宁淮高根据室内膨胀率试验资料提出适用于宁淮高速公路膨胀土路堤的膨胀变形量计算方法。速公路膨

27、胀土路堤的膨胀变形量计算方法。路堤膨胀变形量分析路堤膨胀变形量分析改良膨胀土无荷膨胀率改良膨胀土无荷膨胀率压实度压实度90%90%掺灰掺灰5%5%压实度压实度93%93%掺灰掺灰5%5%压实度压实度95%95%掺灰掺灰6%6%压实度压实度95%95%掺灰掺灰8%8%7 7天天0.06%0.06%0.075%0.075%0.115%0.115%0.145%0.145%1414天天0.04%0.04%0.055%0.055%0.085%0.085%0.08%0.08%2828天天0.015%0.015%0.025%0.025%0.055%0.055%0.045%0.045%改良土路堤浸水后膨胀量改

28、良土路堤浸水后膨胀量养护时间养护时间7 7天天1414天天2828天天浸水后膨胀量浸水后膨胀量 （mmmm）1.261.260.850.850.500.50路堤膨胀变形量分析路堤膨胀变形量分析o 膨胀土室内有荷膨胀率试验成果膨胀土室内有荷膨胀率试验成果(引自张颂南硕士论文引自张颂南硕士论文)含水量含水量(%)(%)压实度压实度(%)(%)不同竖向压力下的膨胀率不同竖向压力下的膨胀率膨胀力膨胀力（kPakPa）0kPa25kPa50kPa100kPa149012.6%4.6%3.4%1.5%2669313.2%4.9%3.7%1.6%3059516.2%5.3%4.0%1.8%42316905.

29、9%2.8%1.5%0.6%254937.5%2.7%1.5%0.6%2779510.9%3.2%1.9%0.5%28218905.1%1.9%1.1%0.4%137936.0%1.7%0.8%0.3%180956.2%1.8%1.0%0.5%217路堤膨胀变形量分析路堤膨胀变形量分析压实度为压实度为9595素土在不同初始含水量下的有荷膨胀率与上覆压力的关系素土在不同初始含水量下的有荷膨胀率与上覆压力的关系 路堤膨胀变形量分析路堤膨胀变形量分析o 初始含水量一定的条件下，压实度为初始含水量一定的条件下，压实度为95%95%的压实素土的有荷膨胀率与上部荷载的的压实素土的有荷膨胀率与上部荷载的对数成线性关系，回归方程为：对数成线性关系，回