巴东组泥岩路基土改良试验研究

巴东组泥岩路基土改良试验研究

1泥岩及风化土改良研究宜昌至巴东高速公路经过巴东组紫色粘土层，完全风化、分解和分解淤泥颗粒，由于化学风化作用较弱，矿化和含量没有显著变化，其中石膏和蒙脱石的含量也没有改变。相反，由于风化后岩屑的成土作用，小型粘土物质容易积聚，形成具有强烈肿胀和分解性的伊利石和蒙脱石颗粒和聚体的数量。这是由于它。直接将这些风化剥离的岩屑或黏土聚集物用于路基填筑,产生了路面鼓包,翻浆冒泥和路基不均匀沉降、承载力不足等工程问题。但由于路基填料缺乏、节省工程造价等原因,路基填筑一般就地取材。因而开展泥岩改良研究十分必要。软岩作为路基会产生不良工程地质问题,对此学者们针对软岩开展了大量的改良研究,成果颇丰。石灰、水泥、粉煤灰被广泛用作改良路基土的材料,改良效果较好。杨和平等还用土水特征曲线分析膨胀土的改良效果。张抒对花岗岩残积土崩解特性进行了研究。目前对路基土进行改良研究时,评价改良效果主要着眼于膨胀性、承载比、无侧限抗压强度等。而针对巴东组泥岩风化物这类特殊土,改良目的不仅仅要限制其膨胀性,提高路基土强度及承载力,还应努力消除其易崩解特性,同时提高其水稳定性。为此开展以石灰、水泥、粉煤灰为改良剂的室内改良试验研究,为现场改良路基土填筑施工提供依据。开展了击实、CBR承载比、无侧限抗压强度、崩解试验、土水特性测试、微观电镜扫描等试验,从宏观和微观角度研究泥岩改良土的工程特性。2试验土样和改良剂试验用土选自宜巴高速路段的紫红色泥岩风化物,土的基本物理性质指标见表1。改良剂指标见表2~4。3方法和结果分析3.1改良剂对土壤温度的影响根据规程对素土及改良土进行重型击实试验。过20mm筛,将筛下部分的土分别按照改良配比要求与石灰、粉煤灰混合,搅拌均匀后称取干料5kg,按照预定含水率喷水闷料24h。完毕后将改良湿土分5层,每层56击在重型击实仪上进行击实试验。对于水泥改良土,按照配比称好干土及水泥质量,先将干土按照预定含水率喷水闷料24h后,再与水泥混合搅拌均匀后立即进行击实试验,并在1h内完成试验。完成素土及改良土击实试验,得到最大干密度及最优含水率见表5~7,绘制击实曲线见图1~3。从击实曲线可以看出石灰土、粉煤灰土随着改良剂掺入量的增加,最优含水率逐渐增大,且都大于素土最优含水率;最大干密度降低,且都小于素土的最大干密度。这是由于石灰、粉煤灰与水发生水化反应,使击实土需要更多的水。同时与土颗粒产生凝聚和絮聚作用,形成颗粒更大的改良土粒,使土的压实效果变差,干密度减小。水泥改良土最优含水率及最大干密度都随着水泥掺量增大而降低。3.2膨胀率及cbr试验按照击实试验得到素土及改良土的最优含水率及最大干密度,制备击实试样。将制备好的试样安装在膨胀装置内,浸水膨胀4d,测量膨胀率后取出试样进行承载比贯入试验,试验结果见图4~6。完成了素土及改良土的浸水膨胀及CBR试验,结果见表5~7。绘制素土及改良土的浸水膨胀率及CBR承载比值曲线如图7,8所示。由图7可知,改良剂能很好地抑制红土的膨胀特性,并且掺入比越大,耐膨胀性越高。水泥改良土基本不膨胀,石灰掺入比在5%以上抑制膨胀性效果明显,粉煤灰抑制膨胀效果不及两者。素土的CBR=7.81%,不符合规范对路基承载力的最低要求。改良土的CBR值提高明显,路基土的承载能力得到了改善。水泥改良土的承载能力随着水泥掺入比的增大而显著增大。当石灰掺入比较低时,石灰土承载能力随掺入比增大而提高,掺入比达到7%以后出现降低现象,说明石灰改良土存在最优掺入比。粉煤灰改良土承载能力随着粉煤灰掺入量增大而增大,但效果都不如前2种改良剂。3.3改良剂加入比根据规程制取素土及改良土击实试样,标准养护条件下养护7d后进行无侧限抗压强度试验。得到强度指标见表5~7。将无侧限抗压强度与改良剂掺入比关系绘制成曲线如图9所示。素土的无侧限抗压强度不满足工程强度需求。改良土无侧限抗压强度都高于素土的强度。当石灰掺入比为7%时石灰土强度最大,存在最佳配比。水泥土强度随水泥掺入量增大而提高,改良效果明显。粉煤灰由于掺入量比较低,只观察到强度随掺入量增加而增大的趋势。总体而言,水泥改良土强度增加最明显,石灰改良效果次之,粉煤灰改良由于掺入量较少,改良的强度效果一般。3.4掺比对崩解速率的影响为了测试素土及改良土的崩解特性,自制崩解仪,如图10所示。对素土及改良土试样进行崩解试验,结果如图11~14所示。由图可知,随着改良剂的掺入,试样耐崩解性得到提高,改良剂掺量越高,平均崩解速率越慢,耐崩解性越强。试样在不同崩解时间段内的崩解速度是变化的,试验开始时崩解速度较快,随后逐渐减慢。粉煤灰改良土在3min内完成崩解,随着掺比增加,平均崩解速率降低。石灰改良土随着掺比的增大,耐崩解性得到显著提高,掺比为9%,11%时,崩解后期试样已经浸水饱和,但由于石灰土具有整体稳定的骨架结构,试样不再解体。掺比3%时的水泥改良土试样,8h崩解率只为0.33%,其余掺比试样浸水10d不崩解,这是因为水泥改良土形成了坚硬稳固的结构,耐崩解性极强。水泥改良土耐崩解性优于石灰土,石灰土改良效果优于粉煤灰土。3.5土水特性曲线为了测试改良土的土水特性,考虑了粒径对土水特征曲线的影响,自制大环刀,环刀直径61.8mm,高度50mm,使制备出来的试样尺寸更大,土水测试结果更接近工程实际。制备素土及改良土试样,抽气饱和后养护7d,利用压力板仪进行土水特征曲线测试。试验结果如图15~17所示,可以看出改良土土水曲线在素土土水曲线之上,相同压力下,改良土残余含水率更大;改良剂掺入比大的土水曲线在掺入比小之上,相同压力下,掺入比大的试样残余含水率更大,持水特性更强。水泥改良土,当吸力大于50kPa时,其土水曲线趋于平缓,含水量随压力变化较小,接近残余含水率,掺比增加,试样的持水能力更强,水稳定性越好。粉煤灰改良土土水曲线变化斜率小于素土曲线,说明粉煤灰改良土持水能力较强及水稳定性增强,掺比对粉煤灰改良土土水曲线影响幅度有限。石灰改良土水稳定性及持水能力也得到提高,随着掺比的增大,越加明显。3.6土体强度及水稳定性利用扫描电镜对素土及改良土试样进行微观结构扫描,分析其改良机制。图18显示素土土颗粒单元大部分呈片状和扁平状,局部呈粒状。以伊利石和蒙脱石为主黏土矿物颗粒形成微聚集体,这些微聚集体之间以面–面、面–边形式相互作用,形成絮聚状结构。粒间孔隙分布不均匀。这些特征导致素土试样整体强度不高,耐崩解性、水稳定性差。图19显示石灰改良土颗粒之间及表层生成了许多凝胶结构物质,土颗粒之间的联结类型为胶结连结,使土颗粒之间的连结强度增强,土颗粒呈团聚结构,使土的结构强度增大。这使石灰土的强度指标、耐崩解性及耐膨胀性得到明显提高,土水特性显示出更强的持水能力,水稳定性。图20显示水泥改良土中生成了各种形状的大块凝胶,土颗粒被水泥凝胶吸附包裹,同时反应产生了大量纤维状结晶,填充于土颗粒中的孔隙中,构成了一定的网络格架作用,形成了水泥土骨架体。水泥土结构更致密、孔隙更小,这使水泥土强度指标提高。抑制了其浸水膨胀及崩解,水稳定性极强。粉煤灰改良土机制主要是粉煤灰对黏土颗粒产生絮凝或团聚作用。从图21可以看出,土中的小团粒变成大的团块,减小了黏粒含量,大量的硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和微粒充填在粒间孔隙内,使土体结构变得致密。这种结构使粉煤灰改良土的强度指标、耐崩解性及水稳定性均得到了提高。4改良土方案确定素土及改良土试验数据指标如表5~7所示。泥岩改良主要为了消除其膨胀性、崩解性、提高水稳定性,同时又能满足承载比、无侧限抗压强度等工程需求,最后还要满足经济要求。CBR值、胀缩总率、无侧限抗压强度的要求见规范。同时要消除水对路基土的不利影响,保证路基稳定,要求路基土水稳定性强,耐崩解性好。改良土土水曲线都在素土曲线之上,水稳定性都得到提高,相同改良剂不同掺比的土水改良效果根据曲线上下次序依次利用数字分级评价。崩解特性用平均崩解速率评价,崩解速率越低改良效果越好。结合这5个指标评价改良效果,最终确定石灰改良土最佳配比为7%,水泥掺比越大越好,考虑经济性选取配比5%,试验中粉煤灰最佳配比为11%。综合考虑水泥改良效果最好,但在考虑经济技术指标时候宜采取石灰及粉煤灰改良剂,粉煤灰改良适当增大掺量改良效果会更佳。5改良基础材料根据试验结果,在评价红层泥岩路基土改良效果时,将膨胀性、承载比、无侧限抗压强度、耐崩解性、土水特性5个指标结合综合分析评价改良效果,更全面地反映了路基土改良后的工程特性。方法可行、结果可靠。得到主要结论如下:(1)试验研究表明,宜巴高速路穿越的巴东组紫红色泥岩全风化红土工程性质不良,不能满足作为高速公路路基填料的指标要求。石灰、水泥、粉煤灰3种改良剂能很好地改良红层泥岩的不良工程特性,改良效果显著,改良后可以作为路基填料使用。改良剂不仅消除了泥岩填料的膨胀性,也使其承载比及无侧限抗压强度指标大幅提高,能满足高速公路设计强度需求。同时也降低了泥岩