高液限土（共8篇）
高液限土 篇1
1 概述
高液限土在我国南方地区有大量分布,我公司在国道324复线改造工程、翔安南路、国道324线立交工程等工程的路基填筑中都遇到了大量高液限土。依据《公路路基设计规范》、《公路路基施工技术规范》规定:液限大于50%,塑性指数大于26,含水量不适宜直接压实的细粒土,不得直接作为路堤填料,需要使用时,必须采取技术措施进行处理,经检验满足设计要求后方可使用。而由于这些高液限土数量大,分布范围广,且附近的非高液限土不易取得,施工现场的原状高液限土全部为作为弃方会大幅增加工程造价,破坏生态环境,因此我公司中心试验室考虑收集高液限土的工程特性、填筑常见问题、改良原理等资料,根据已有高液限土改良案例,通过试验取得试验数据,通过对不同改良技术的试验数据比较,研究高液限土的路用性能和施工处理技术,为今后高液限土的施工提供技术参数。
2 高液限土的定义和工程特性
依据《公路土工试验规程》,高液限土的定义为:小于0.075mm的颗粒含量大于50%、液限大于50%,塑性指数大于26的土。高液限土的特点是含水量高、容重轻、稳定性差、强度低,按常规的施工工艺压实度达不到设计规范要求。
高液限土的工程性质表现为:高液限土粒径小,毛细水上升高度大,但速度较慢,土中含有的矿物成分带有较多的负电荷,亲水性强,造成土粒结合水膜厚度较大,而渗透系数较低。这表明高液限土中的水分在正常情况下不易溢出,且不容易压实。当土体失水时,土体收缩开裂,其开裂程度随粘粒含量的增加而加大,体现出高液限土的收缩特性。根据大量工程实践可知:高液限土透水性较差;干硬时强度高,坚硬不易挖掘,不易压实;毛细现象明显,吸水后能长时间保持水分,故吸水后承载力小、稳定性差;具有较大的可塑性、弱膨胀性和粘性。
3 高液限土填筑路基的常见问题
高液限土地因其胀缩性、裂隙性、崩解性,不加处理而用于路基填筑可能会引起多种病害,具体如下:(1)天然含水量过大,难以碾压达到规定的压实度,如果压实功过大会导致土体内部产生剪切破坏;(2)雨季施工,如排水不及时,易造成车辙、弹簧翻浆,边坡坍塌等不良病害;(3)干缩性大,太阳爆晒易造成表面开裂,裂缝宽最大超过2cm,降低了路基整体强度;(4)若施工处理不当压实后路基即处于不稳定状态吸水后路基发生膨胀,含水量升高强度降低,在活载和路堤自重作用下,路堤易发生不均匀沉降、横向位移等灾害,导致路面开裂。
4 标准规范对路基填料的使用规定
《公路路基施工技术规范》对路基填料的要求和土质路基压实度标准如表1、表2规定。
5 高液限土的改良原理
高液限土可通过改良土的工程性质,将不良的材料变成技术上经济合理的路基填筑材料,以满足路基路面设计对路基强度和稳定性的要求。根据以往高液限土处理的工程实例,常见的高液限土处理方法有:(1)掺入粗颗粒土改变颗粒级配减少细颗粒土对土体性质的影响;(2)掺入无机固化材料石灰或水泥减小土中水的含量提高承载力;(3)化学处理法;(4)改善施工工艺和包心处治。强度与变形是路基填筑的两个重要控制指标。所有因路基引起路面结构破坏均可归结为这两个指标不满足要求所致。路基填筑主要保证其强度与稳定性,路基的压实度是为了保证其强度,减小变形,提高压实度本身不是目的,而是手段。国外有许多国家以路基的CBR值作为设计参数。化学处理因施工工艺复杂、成本较高,因此我试验室采用方法1、方法2、方法3进行对比试验。
6 工程实例
6.1 工程概况
本工程为国道324复线与同集路交叉口立交工程。国道324复线与同集路交叉采用全互通立交,国道324复线上跨同集路,各转向交通通过立交匝道实现。里程范围为:国道324复线LK0+035~LK1+305段,全长1270米;同集路MK3+748.925~MK4+866.887段,全长1117.962米。该工程为城际快速路,执行高速公路、一级公路标准。本工程施工内容主要包括路基工程、路面工程、涵洞工程、交通工程、市政管线工程、照明工程、绿化工程。路基范围内土质基本上为黏土及部分粉土,液限偏高,在雨季施工含水量较高的情况下,很难压实成形。
6.2 原状土标准试验情况
2015年11月-12月,我们取先后在324沿线四口圳取土场取了三组原状土做土的标准试验,情况见表3。
由表3可知,324沿线原状土天然含水量偏高,液限为50%-60%,塑限为35%-37%,塑性指数为19-25%,CBR值达不到标准规范要求。
6.3 高液限土不同处治和改良试验情况
因该工程填土方量大,沿线均为高液限土,弃方处理不适用。本试验室参考已有高液限土处治工程的案例数据,对利用高液限土进行不同处治和改良,具体方案如下:(1)对该高液限土采用掺3%剂量水泥处治;(2)掺20%砂处治;(3)对原状土进行晾晒回填。
6.4 根据预定处治方案,具体试验情况如下
(1)掺3%剂量水泥处治试验情况。配合比设计方案:掺入3%剂量的P.C32.5复合硅酸盐水泥,并测定水泥稳定土的最大干密度和最佳含水量,CBR承载比。试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》。
试验步骤:将土样风干,过4.75mm筛,测定风干含水量,将试样分为5份,预估土样的最佳含水量,在预估最佳含水量的附近预定5个不同的含水量,将土加入预定的含水量,闷料12小时,闷料完毕,加入设计剂量的水泥,将水泥和土拌和均匀后进行击实试验,测出最大干密度和最佳含水量。并根据确定的最大干密度和最佳含水量,做CBR承载比试验。试验数据如表4。
试验结果表明,掺入3%水泥稳定土后,土最大干密度变大,最佳含水量减小,CBR值有了显著提高,远远超过了标准规范对路基填土的CBR承载比要求。
试验室通过试验确定3%的水泥剂量标准曲线报告,现场实际施工时采用路拌法,项目部实际施工时需控制掺灰拌和的均均度,并及时取拌和后的水泥稳定土做水泥剂量试验,以保证现场掺灰量符合设计要求。
(2)掺20%砂改良试验情况。掺砂处理试验步骤:将土样风干,过4.75mm筛,测定风干含水量,加入预定20%的砂,预估砂土的最佳含水量,在预估最佳含水量的附近预定5个不同的含水量,将砂土加入预定的含水量,闷料12小时,闷料完毕,进行击实试验,测出最大干密度和最佳含水量。并根据确定的最大干密度和最佳含水量,做CBR承载比试验。试验数据如表5。
试验结果表明,掺入20%砂后,土最大干密度变大,最佳含水量减小,CBR值有所提高,已符合高速公路、一级公路对路基填土的承载比要求,但明显小于抄3%水泥处治的CBR承载比。现场采用此种方案施工时需控制掺砂处理拌和的均匀度,工效较低。
(3)对原状土进行晾晒回填,试验情况。因该工程高液限土的物理力学性能试验结果的CBR值满足《公路路基施工技术规范》中对高速公路路基1.5以下路堤填料要求,所以考虑对1.5米以下的路基填筑部分考虑直接利用该高液限土。我们对第三组填实用于路基填筑时碾压相同遍数的情况下,翻晒前和翻晒后的现场压实度试验结果如表6、表7。
通过以上试验数据可看出,相当的碾压遍数下,高液限土的含水量高于最佳含水量时,压实度达不到标准规范要求,而通过翻晒后,含水量控制在最佳含水量附近时,通过碾压其压实度能满足规范要求。因此为保证路基填筑的最佳压实效果,须对拟用高液限土的含水量进行控制,可以采用翻晒,确保其填筑时在最佳含水量±2%范围,并严格控制填土厚度以保证路基填土的压实效果满足规范要求。但是此种方案工期较长、受气侯影响制约大、影晒难度大。
通过以上工程实例中三个方案的试验结果表明,掺3%水泥剂量对高液限土的CBR值提高效果显著,施工中需控制路拌施工灰土拌和的均匀度和水泥剂量以保证路基填土的强度和压实效果满足标准规范要求;掺20%砂处理能保证路基CBR值满足规范要求;原土翻晒填筑适用于1.5m以下路堤,现场施工时需控制含水率在最佳含水率±2%范围,但工期长,受气侯影响制约。今后项目施工遇到高液限土时可根据现场具体情况采用以上三种处治方案。
参考文献
[1]JTG E40-2007公路土工试验规程[S].
[2]JTG F10-2006公路路基施工技术规范[S].
[3]程涛,洪宝宁,刘鑫,等.高液限土最佳掺砂比的确定[J].西南交通大学学报,2012(4).
[4]张亚杰,洪宝宁,刘鑫,等.高液限土掺灰改良的试验研究[J].水利与建筑工程学报,2014(01).
高液限土 篇2
高液限土在宁道高速公路中的应用
介绍高液限土的工程特性,利用试验数据分析施工区的高液限土特征.提出通过控制高液限土碾压时的`含水率从而达到路基要求的压实度的工作思路,详细阐述在宁道高速公路利用高液限土充当路基填料所采取的技术措施.从填筑质量看,压实度全部达到设计要求,由此验证施工工艺是可行的.
作 者：聂成友 Nie Chengyou 作者单位：中铁二十三局一公司,山东,日照,276826刊 名：石家庄铁路职业技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAY TECHNOLOGY年，卷(期)：20098(2)分类号：U412.36关键词：高液限土 工程特性 施工工艺 含水率
高液限土的处治方法机理 篇3
关键词：高液限土,土壤稳定剂,处治方法
1 高液限土的特性
高液限土的特点是工程性质差,难以直接作为路基,特别是路床的填料。其特性为:1)小于0.074 mm的颗粒含量大于50%;2)液限大于50%。根据JTG D30-2004公路路基施工技术规范的规定:液限大于50%,塑性指数大于26的细粒土,以及含水量超过规定的土,都不得直接作为路基填料,需要用时,必须采取满足设计要求的技术措施,经检验合格后方可使用。
2 高液限土的处治方法及其作用机理
2.1 隔水保护法
采用隔水措施提高高液限土的遇水稳定性。隔水措施包括设置粒料吸收层,包芯法或包边法等。包边方法是指在路基两侧用适宜土质分层(每3 m一层)包裹的方法;包芯方法是指在路基两侧包边,路基底部采用50 cm砂砾透水层,顶部50 cm用掺灰改性土加以封闭的方式,如图1所示。通过包边或包芯,再加上在挖填结合部位挖台阶及加铺土工格栅等辅助手段,以及合适的排水措施,使路基形成稳定的、具有相当强度的不受水浸破坏的整体,从而达到处治的目的。
2.2 掺加石灰处治高液限土的机理
1)吸水放热反应。
在高液限黏土中加入一定量的石灰,遇到水后一般会发生下列反应:
CaO+H2O=Ca(OH)2
这一反应是石灰改良高液限土不良特性的一系列反应的基础,具有以下功效:a.减少高液限土的含水量;b.增大土的pH值,提高了黏土矿物中硅酸盐和铝酸盐的溶解度,从而加速其水化反应;c.生成大量Ca2+,OH-和Ca(OH)2,为后续反应的进行提供了必要条件。
2)离子交换反应。
土粒结合水膜厚度的变化是影响土的工程性质的主要因素之一,结合水膜薄,粒间粘结力就大,土的抗剪强度高,膨胀性小;反之,结合水膜厚,粒间粘结力变小,土的抗剪强度低,膨胀性大。水化反应生成的大量游离Ca2+能大量的置换土粒表面所吸附的阳离子,从而改良土颗粒表面电荷性质,使热力电位下降,扩散层厚度减薄,降低了土粒之间的相互排斥能,提高了土粒滋生的凝聚力。通过离子交换的原理促使水化膜的变化来改善其性能。
同时,吸附在黏土矿物周围的Ca2+产生絮凝作用,将矿物颗粒连接和胶结起来,从而改变了整个土粒的孔隙结构。
3)碳酸化反应与Ca(OH)2的结晶反应。
以上反应生成的氢氧化钙具有可溶性碱的性能,它又非常容易与空气中的二氧化碳结合反应生成碳酸钙晶体,进而结成硬块。反应如下:
Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O
随着土中含水量的降低,氢氧化钙从饱和溶液中结晶析出,固体颗粒互相靠拢粘结,强度也随之提高。其反应如下:
Ca(OH)2+nH2O=Ca(OH)2·nH2O
其次黏土矿物中的Al3+与石灰中OH-反应形成氢氧化铝:Al3++3OH-=Al(OH)3,使土脱水硬化,增强了土的胶结力,从而提高了土的强度,降低了土的膨胀性。
2.3 掺砂、卵、碎石等改善土的级配组成
不同比例的粗颗粒掺入细粒土中,可形成3种结构形式:1)如图1a)所示,会有大量的细粒土没有与粗颗粒接触。粗颗粒之间的空隙由细粒土填充,浮于细粒土之中,未形成骨架作用,但改善了内聚力C和内摩擦力φ,土体强度得到提高,但对稳定性影响不大。2)如图1b)所示,随着粗颗粒掺量的增大,粗颗粒的空隙由细粒土和细砂共同填充,密实度进一步提高,收缩性较悬浮结构大大减小,形成悬浮密实结构。3)如图1c)所示,粗颗粒掺量继续增大,粗颗粒之间相互接触,形成空间骨架,细粒土填充骨架的空隙,形成骨架密实结构。C,φ值大大提高,收缩性显著降低。
2.4 “康耐”土壤稳定剂作用机理
“康耐”是一种土壤稳定剂,由多种表面活性剂和稳定剂组成,是含硫的高分子聚合物的化学混合物,其主要成分是磺化油,半透明、无味、深红色液体,无毒副作用、无污染、无腐蚀、不燃烧。其作用机理如下:
1)因含多种表面活性剂,土壤稳定剂水溶液的表面张力较小,这意味着它可以很容易在土粒表面铺展开,润湿土粒表面及毛细管。
2)与此同时,土壤稳定剂也被置于土粒表面及毛细管中,而它的强电荷及氢键极易与土粒表面发生吸附作用,使稳定剂分子发生扭转,极性基团朝向土粒,而疏水基向外。
3)高分子长链活性剂开始是溶于水的,随着交换作用的进行,亲水官能团与土颗粒表面作用后,整个长链变成了不溶于水的大分子,表面活性物质转为疏水性物质。 疏水性物质所形成的油性保护膜堵塞了土壤中的毛细孔, 使之不易受到水的侵蚀,降低了水对土体的浸润损害。
2.5 ISS固化剂作用原理
1)离子交换作用减薄黏土表面双电层厚度。2)表面活性剂改善黏土—水界面的表面特性。3)压实作用提高土体强度。
2.6 NCS固化剂作用机理
NCS(New Type of Compasite Stabilizer For Cohesive Soil)是一种新型复合黏性土固化材料的简称。由石灰、水泥和合成“SCA”添加剂改性而成。NCS加入土中,除具有对土的改性作用外,它还进一步使湿黏质土和NCS两者发生一系列物理化学反应。土中NCS与水接触释放出较多的Ca2+,Al3+高价阳离子与粘粒的负电荷中和,使扩散层减薄,土粒之间靠近,聚集成土团,形成团粒化和砂质化结构,增强了土的可压实性。
同时土粒在NCS水化反应中生成新的水化硅酸钙和水化铝酸钙,可使自由水以结晶水的形式固定下来,使土壤中的含水量迅速大量降低。新增长的针状矿物,使得土的固相体积增加120%以上,并有效地填充土团粒间空隙,使加固土变得致密,加强了土体的强度及水稳性。
3结语
对于以上所提到的几种处理高液限土的处治措施,要具体情况具体使用,要根据土质特性、取土条件、施工机械、施工工期和经济方面综合考虑,做到因地制宜。
参考文献
[1]JTG D30-2004,公路路基施工技术规范[S].
[2]罗志强.高液限土在高速公路建设中的应用研究[J].中南公路工程,2004(1):107-108.
[3]刘瑾.高分子土固化剂的合成及固化机理研究[J].材料科学与工程,2002(2):74.
关于高液限土的冲击碾压试验 篇4
关键词：高液限土,冲击碾压,试验
1概述
二广高速公路三水至怀集段挖土场有较多含砂高液限粉土, 含水量较大, 按常规施工工艺, 难以达到设计压实度标准 (93%) , 为提高路基承载强度, 寻求适宜的施工方法。在K31+800-K31+900主线段路基进行高液限土冲击碾压试验。
2试验目的
2.1确定采用3YCT32冲击压路机在高液限粉土按常规施工后进行冲击碾压, 能否使压实度增长至满足设计压实度标准;
2.2确定采用3YCT32冲击压路机冲击碾压, 不同遍数对路基增强效果和有效影响深度的相应关系。
3试验段概况
3.1试验段碾压前施工概况
K31+800-K31+900主线段填方路基, 填筑前为水田, 现填土高度约1.5m, 现宽约50m。K31+600~700土源土质变化较大, 其液限在全线高液限土中是较小的, 此前填土经多次试验, 液限在50%~57%、最大干密度在1.82kg/cm3~1.86kg/cm3之间。现试验段土样指标为WL=50.3%, Ip=19, ρmax=1.79kg/cm3。
试验前该路段均采用K31+600~700土源填筑按常规施工工艺施工, 则按松铺厚度不起过30cm控制分层填筑, 采用18t压路机按“静压1遍+强振6遍+静压1遍”工艺碾压, 大部分层次的填土均经历雨季降水过程;2007年7月13日~2007年7月15日我部在此段落进行了高液限土常规施工工艺填筑的试验, 压实度在89%~93% (取原ρmax=1.86kg/cm3计算86%~90%, 按试验段现标准ρmax=1.79kg/cm3重新计算, 压实度在89%~93%) 之间;9月16日我部在取土样送四会分站后进行了冲击碾压前最后一层填土, 松铺厚度按30cm内控制, 不经晾晒, 直接用18t压路机采用“静压1遍+强振6遍+静压1遍”工艺碾压, 检测压实度作为表层20cm初测值。
3.2段碾压试验概况
2007年9月17日开始冲击碾压, 2007年9月22日完成30遍冲击碾压, 相关试验指标检测2007年9月23日结束。
试验段工序:冲击碾压前高程、压实度、贯入值DCP检测→冲击碾压10遍—整平碾压—检测高程、压实度、贯入值DCP→再冲击碾压10遍—整平碾压—检测高程、压实度、贯入值DCP→再冲击碾压10遍—整平碾压—检测高程压实度、贯入值DCP。
注: (1) 每测点位置压实度分别按中心位置在表面以下深20cm, 深50cm, 深80cm分三层检测。
(2) 原计划冲击碾压25遍则停止, 由于冲碾至25遍后沉降量较大, 继续冲击碾压至30遍, 冲碾至25遍时仅检测了沉降量指标。
4试验检测与结果
采用精密水准仪观测计算沉降量。
采用灌砂法分别检测路基压实度。
采用轻型触探检测贯入值。
注:以上各检测指标均在冲击碾压前、冲击碾压至10遍、20遍、30遍测设一次。
5检测数据分析
5.1沉降量分析
试验区设沉降测点43个, 每次均测量各点高程, 计算高差作为当次沉降量。考虑到每次检测压实度挖坑较大及虚土较多, 将每10遍沉降量大于10cm的点视为无效的异常点, 相关数据在分析时给予剔除, 检测有效数据基本情况如图1:
(1) 冲击碾压10遍 (有效点41个) , 平均沉降为3.1cm, 均方差为0.0006, 各处沉降均匀;
(2) 10~20遍 (有效点40个) , 平均沉降为1.1cm, 均方差为0.0005, 各处沉降均匀;
(3) 20~30遍 (有效点31个) , 平均沉降值为5.3cm, 均方差为0.0005, 各处沉降均匀;
(4) 冲击碾压30遍总沉降量为9.8cm, 均方差为0.0011。
(5) 从检测数据可以看出每10遍沉降量均方差较小, 各处沉降均匀;冲击碾压30遍总沉降量均方差为每10遍的2倍左右, 各测点总沉降不均匀。
从沉降量检测数据可以看出在冲碾10~20遍时平均沉降为1.1cm, 土体沉降量已基本趋于稳定, 但其后20~30遍平均沉降值为5.0cm, 沉降速率明显增大。
从沉降量检测数据说明0~60cm强度冲击碾压20遍, 该土质路段0~60cm冲击碾压效果较佳;但再增加冲击碾压, 可能会破坏原土体, 所以20~30遍沉降量有个突变过程。
5.2压实度分析
试验区设压实度检测点12个, 按方案在各测点附近1m范围内选不同位置分阶段共检测4次, 每次在表面以下分20cm、50cm、80cm测三个压实度值。其中按梅花布置, 由四会分站检测其中6点, 项目部检测6点。检测数据详见表2, 分类汇总见以下分布示意图。
检测数分类汇总见以下图2, 图3, 图4, 图5, 图6。
(1) 相同遍数, 不同深度压实度。
(2) 相同深度条件下各测点不同冲碾遍数前后压实度:
a.20cm深度压实度:
b.50cm深度压实度:
c.80cm深度压实度:
根据检测压实度数据作如下分析:
(1) 从图2可以看出, 初测总体压实度平均值为92.9%, 10遍总体压实度平均值为91.8%, 10遍总体压实度平均值为92.8%, 20遍总体压实度平均值为92.8%, 经过30遍的冲碾总体压实度提高不明显。
(2) 冲击碾压20遍后20cm、60cm压实度达93%, 满足了设计要求, 30遍后提高不多;80cm压实度达91.9%, 不满足设计要求。
5.3贯入值DCP分析
采用轻型静力触探进行检测, 有关贯入值见图7, 概况如下:
(1) 初测情况
原填土均按常规方法施工, 概况见本报告相关章节。初测为平均37击, 60~120cm平均为均为46击。除新填表层 (约25cm) 比其下至120cm低9击外, 60~120cm原土体压实度很平均。
(2) 经过10遍冲碾后的情况
0~30cm平均击数为42击, 较初测平均值提高5击;30~60cm平均击数为45击, 比初测降低1击;60~90cm平均击数为42击, 比初测降低4击;90~120cm平均击数为47击, 比初测提高1击。
(3) 经过20遍冲碾后的情况
0~30cm平均击数为50击, 较10遍时平均值提高8击;30~60cm平均击数为42击, 比10遍时降低3击;60~90cm平均击数为41击, 比10遍时降低1击;90~120cm平均击数为45击, 比10遍时降低2击。
(4) 经过30遍冲碾后的情况
0~30cm平均击数为59击, 较20遍时平均值提高9击;30~60cm平均击数为50击, 比20遍时提高8击;60~90cm平均击数为45击, 与20相同;90~120cm平均击数为42击, 比20遍时降低3击。
(5) 对30遍冲碾过程贯入度的变化进行分析 (图8)
随着冲碾遍数从0→10→20→30, 轻型触探击数变化:
0~30cm从37→42→50→59, 每10遍变化为+5→+8→+9, 从10遍开始, 击数增加已很明显;
30~60cm从46→45→47→50, 每10遍变化为-1→+2→+3, 前10遍击数无明显变化, 从20遍开始, 击数增加已很明显;
60~90cm从46→42→41→45, 每10遍变化为-4→-1→+4, 前20遍击数无明显变化, 后10遍击数增加明显;
90~120cm从46→47→44→42, 每10遍变化为+1→-3→-2, 三次检测变化不大;
从以上轻型触探数据变化说明, 60cm以上土体随冲碾遍数增加路基土体强度逐渐增强, 90cm以下土体随冲碾遍数增加出现强度有所降低的现象。
6结论
6.1通过采用3YCT32冲击压路机对二广七标按常规施工的高液限粉土路段冲碾补强试验段表明, 经过30遍的冲碾总体压实度提高不明显;沉降量随碾压遍数增加而增加, 30遍时沉降量为9.8cm。
高液限土路基掺砂改良试验研究 篇5
公路工程多采用掺无机料, 如石灰、水泥改良, 包边处置等方案进行填筑[6,7]。由于石灰和水泥改良的土施工难度大、水稳定差, 实践证明高液限土的CBR值小于3%、细颗粒含量大于75%, 液限介于50%~65%之间, 应优先采用掺砂改良填筑方案[8]。目前随着环境保护意识的加强, 高液限土改良填筑路堤的工程应用在我国逐渐拓展, 由于没有相应成熟规程的借鉴, 工程技术人员对于掺砂的合理配比及施工控制问题仍感困惑。现就掺砂改良的配比确定依据、各参数指标的变化特点进行试验分析, 以满足路堤压实度和强度 (CBR值) 为基准要求, 探讨合理掺砂比和施工评价指标的问题。
基于高液限土的液限高、颗粒细、强度低的工程特点, 界限含水率是研究高液限土路用特性的必要指标, 能较好地表达界限含水率变化特点;浸水CBR值是判定路基水稳定性的重要参数;空气率指标是从土体汽、液、固三相组成的角度考虑高液限土压实困难, 液限高、保水性强而汽相变化灵敏的优势特点来分析施工压实问题, 含水率、最大干密度是路基施工控制通用的主要参数。考虑与国家规范对路基填筑质量验收的统一性, 现仍以满足压实度设计为基准, 以CBR强度值作为辅助评价指标。按通常设计惯例及国家规范对特殊土的要求, 某公路高液限土下路堤改良后要求压实度满足90区, 强度CBR强度大于3, 即施工质量检测指标标准为:压实度满足90%, CBR值>3。
1 试验研究
试验土样取自广东省某高速公路k30+650~k30+750路段, 依据勘查报告数据, 该路段高液限土的液限为58.6%, 塑限为28.6%, 塑性指数为30, 天然含水率为25.8%, 小于0.074 mm的细粒含量为84.93%, 不宜直接填筑, 须进行改良处理。根据该高液限土细颗粒含量较高的特点以及当地环境条件, 并通过掺石灰、水泥试验的综合对比, 确定采用掺砂改良。
高液限土掺砂后土体的颗粒级配得到改良, 粗颗粒含量增加, 土体从黏性土转变成非黏性土, 颗粒之间的相互作用发生改变, 从而使得土体的性质得到改良。
1.1 土样物性指标试验
现场取土样进行室内重塑土试验, 试验项目包括干密度、液限和塑性指数、含水率、土粒比重、CBR (加州承载比) 试验等。各项指标的试验获取方法均按照《公路土工试验规程》 (JTG E40—2007) [9]进行试验, 试验过程不再详述。试验结果详见表1。
从物理力学指标上看, 试验土样中, 液限最高值超过50%、塑性指数超过26;细粒含量所占比重最高达85%。含水率远大于最优含水率预示着土层的饱和度较高;液限高、塑性指数大说明土体塑性大, 难以压实;细粒含量高, 土体渗透性低, 翻晒降低含水率难度大。这种土体不宜作为路堤填料进行直接填筑, 需进行改良处治。
1.2 室内配比试验
定义掺砂率为干砂的质量与干土质量的百分比。现以不同比例的掺砂量进行室内配比试验。以液塑限、含水率、最大干密度、CBR值、空气率作为分析指标, 以压实度和强度为最终评价标准, 探索一适合现场土体的掺配比例。按照《公路路基施工技术规范》 (JTG F10—2006) [10]砂土混合料含水率宜在最优含水率±2%附近进行填筑。试验将现场取回的高液限土烘干, 按照不同的掺砂比 (0~30%) 配料, 分别掺入10%、12%、14%、16%、18%的水拌合均匀后, 用塑料袋密封养护24小时后在电动击实仪上击实, 用烘干法测定压实后的含水率, 获得最优含水率, 而土样的液塑限、浸水CBR值、最大干密度指标的试验获取方法均按照《公路土工试验规程》进行进行试验, 试验过程不再详述。控制掺砂率为0%、15%、18%、20%、25%、30%几种不同掺砂量的情况下, 研究掺砂量对混合料最大干密度、最优含水率、界限含水率、含水率、CBR值的影响, 选取高液限土随掺砂量不同而显著变化的分析指标, 进而选取作为控制指标。
1.3 击实试验
试验用砂均采自珠江流域级配良好的中粗砂。通过对砂样进行颗粒分析试验, 见表2, 其试验数据均为三组平行试验的平均值。
从试验结果看来, 珠江流域河砂属于中粗砂, 级配合理, 不均匀系数Cu=7.8>5, Cc=2.1在1~3之间, 结果表明, 砂的级配良好。高液限素土击实试验结果见表3。
从室内击实试验结果表3看出, 最大干密度随着掺砂量的增加而逐渐增加, 掺量从0%到20%左右增加较缓慢, 从20%~25%增加较快, 而从25%之后增加又开始变缓慢, 掺砂率为30%时最大干密度基本不再改变;最优含水率随着掺砂量的增加而逐渐减小, 且减小的幅度是先快后慢。由此可以初步判断, 掺砂率在20%~30%时对于改变土样最大干密度和最优含水率比较合理。
1.4 掺砂改良土界限含水率试验
改良材料对土料液、塑限, 塑性指数的影响是判断改良材料改良效果的重要依据, 因此需对改良土进行液塑限试验分析。
从表4数据看, 高液限土的液限降低、塑限增高, 从而使高液限土塑性指数减小。液限降低使土的路用性能得以改良, 但塑限增高则增大了压实的难度。改良土液限降低的幅度较大, 塑限增高幅度很小, 因此材料的整体性能得到了改善。液限随着掺砂量的增加而逐渐减小, 且减小的幅度为:从0到20%减小幅度较大;掺砂率在20%~30%时, 液限减小幅度较小。同样表现在塑性指数方面, 掺砂率在15%~25%时, 塑性指数变化较大, 而在25%~30%的掺砂率时, 塑性指数变化不大, 如继续增大掺砂率对改良效果补益不大。由此可以看出, 掺砂率在25%~30%时对于改善土样塑性指数比较合理。
1.5 掺砂改良土料含水率试验
由于含水率对于路堤填筑压实的质量评判比较关键, 为较宽泛获取掺砂率对土料含水率的影响数据, 采用拓宽掺砂比率范围进行试验, 实验结果如图1所示。
由图1可知, 随着掺砂率的增大, 混合料含水率的减小并不明显, 掺砂率为30%时, 土料含水率减小的幅值仅为4.9%。掺砂改良降低含水率的原因主要在于所掺砂的含水率小于高液限土, 掺砂改良土含水率为砂与高液限土的混合料含水率。因此在较小掺量情况下, 掺砂改良对土料含水率降低的影响是较小的。
1.6 颗粒分析试验
用四分法称取500 g代表性土样烘干, 置于盆中用清水浸泡, 浸润后过2 mm筛, 并把筛下溶液过0.074 mm洗筛, 将大于0.074 mm的砂土烘干称重, 进行筛分试验分析其颗粒组成;将小于0.074mm的细粒土烘干, 用比重计法分析颗粒组成。高液限土颗粒分析成果如表5。
表5试验结果可知, 随着砂粒掺量增大, 土体粗颗粒含量逐渐增加, 粉粒含量变化较小, 黏粒含量大幅度降低。掺砂改良土的颗粒分布随着掺砂率增大, 土料粗颗比例大, 细颗粒含量比例减小, 粒径级配趋好。
1.7 掺砂改良土料强度试验
采用重型击实仪和南京土壤仪器厂CBR—1型承载比试验仪, 素土样采用风干过筛2 mm高液限土体, 依据混合料的最优含水率参数制样, 测得不同掺砂率条件时的CBR2.5值, 如图2所示。
从图2看出, 掺砂率在15%~20%时, 土样CBR强度值变化幅值较大, 而当掺砂率在25%~30%时, 土样的CBR值提高明显, 达到峰值, 此后, 增大掺砂率并不能有效提高土料的强度。由此得出结论, 掺砂率在25%~30%时对于改善高液限土样强度 (CBR值) 比较合理。
1.8 掺砂改良土料强度特性
选取掺砂率25%研究其压实度、含水率、CBR强度之间的关系特点。试样含水率以最优含水率为基准进行调配, 具体为:ωopt-2, ωopt, ωopt+2, ωopt+3, ωopt+4, ωopt+5, ωopt+6。依据击实桶体积、土样含水率和最大干密度之间的关系计算土料总量, 制成不同压实度和含水率的土样进行浸水96h CBR2.5试验。试验测得土样强度参数如图3、图4所示。
从图3、图4可知, 高液限土掺砂25%改良后, CBR强度值随压实度的增加而增加, 基本呈线性方式增加, 而在同一压实度情况下, 改良土料的CBR强度值随含水率先增加后减小, 强度峰值发生含水率为:ωopt+4, 这与常规黏性土路堤填筑时, 规范要求控制含水率为最优含水率+2%有所不同, 这说明高液限土路堤填筑受液限高、颗粒细等因素的影响所致;土料含水率为ωopt-2时, CBR强度随压实度的增加, 能够满足设计要求, 但强度增加的幅度很小, 且安全储备较小, 若再降低含水率强度将不能满足要求, 说明在低含水率情况下, 要达到较高的压实度和强度需要付出较大的压实功, 含水率较底时高液限土的改良填筑不理想但能满足要求;而控制含水率在ωopt+6时, 压实度和强度也能满足设计要求, CBR强度相对含水率为ωopt-2时大, 但其CBR强度相对设计要求的底限CBR>3相差不大, 对93区而言强度为设计值底限的1.6倍, 其安全性基本能满足应用需求, 如再加大含水率, 改良土强度将不能满足设计要求。高液限土掺砂改良满足90区的含水率控制范围为:最优含水率~最优含水率+6%的范围。
2 掺砂改良土压实度分析
掺砂改良土在填筑过程中, 土料的汽、液、固三相中, 液相和土颗粒是不可压缩的, 压实其实就是固体颗粒与液体重新排列, 汽体挤出的过程, 土中汽体含量的大小能准确反映土料的密实程度。要使单位体积内固体颗粒增加, 就使得汽相空气含量尽量减小, 但常规条件下汽象又不能减小至零, 通过课题组试验表明:空气体积占总体积比率为4[11]时, 土体将很难再压实。空气率为土体中空气体积占总体积的比例, 以百分比表示。工程上, 可以压实度、最大干密度、比重换算得到空气率的数值。
从表6可知, 空气率指标随含水率的增加和压实度的增加而逐渐降低, 压实度为90%时, 空气率较大, 土体孔隙较多, 土体欠密实, 强度将会偏低, 尤其在低含水率ωopt-2时空气率最低, 达到17.7%, 易于压缩导致路堤沉降, 其对应的强度也将最低, 不适合施工;当含水率为较高的ωopt+6时, 压实度只能满足90区, 而大于90区时, 空气率较低, 低于4%, 现实中难以发生, 过压将导致土体结构破坏;当含水率为ωopt+4时, 虽然强度达到峰值, 但空气率的值随含水率增加而减小的幅度较小, 说明土体已达到较好的密实度, 继续击实 (碾压) 将导致土体结构改变强度降低。故此, 可知:掺砂率为25%~30%时, 含水率为ωopt~ωopt+4, 压实度90%~93%、CBR强度4~10, 各参数均比较理想, 是最优的施工条件。
3 掺砂改良土填筑质量控制
通过室内掺砂改良的一系列试验表明, 要使改良高液限土压实度和强度同时满足要求, 必须严格控制含水率在一定的范围。土体压实度、含水率、强度三者是互相关联的, 并不是任意两两之间关系, 三者之间存在最优的匹配状态, 该状态时土料的强度、密实度、水稳定性达到最佳状态。
通过试验分析可知, 含水率指标是控制高液限土改良施工的关键, 只有把含水率控制在稍大于最优含水率条件下, 改良土才能达到较好的强度和密实度。而CBR值能够反映土体的强度和水稳定性, 因此, 把含水率指标作为施工控制指标是施工的关键性, 操作也比较方便, 把压实度和CBR指标作为施工检测指标则是顺应规范, 完全可行。即:满足90区压实度的含水率范围为:最优含水率~最优含水率+6%的范围;强度检测指标为:压实度满足设计要求, CBR值>3。但在含水率为:最优含水率~最优含水率+4%时, 土体强度、压实度为最佳。
4 结论
(1) 掺砂改良后的高液限土, 由于粗颗粒的增加, 液限的降低, 改良土体的密实度、强度、水稳定性均有较大程度的改善。
(2) 掺砂后的高液限土, 同一含水率条件, 强度随压实度的增加基本呈线性增加, 而强度随含水率的增加呈先增加后减小, 存在峰值。峰值随含水率的增大而增大。
(3) 改良土体压实度、含水率、强度三者是互相关联的, 且存在最优的匹配状态, 该状态时改良土的强度、密实度、水稳定性达到最佳。
(4) 掺砂改良土的施工最佳状态为:掺砂率为25%~30%, 含水率为:ωopt~ωopt+4%, 压实度:90%~93%, CBR强度:4~10。
参考文献
[1] 黄正昌, 王书伟.高速公路高液限土填筑路基施工技术.广东建材, 2005; (6) :47—49
[2] 曾胜.高液限土室内改良试验研究.中外公路, 2007;27 (3) :208 —210
[3] Tonoz M C.Effects of Lime Stabilization on Engineering Properties of Expansive Ankara Clay.Earth and Environment Science, 2004; (104) :466—474
[4] 黄灿森.高液限土的特性分析及其处治方法.公路交通科技应用技术版, 2008; (39) :64—67
[5] 章为民, 戴济群, 王芳.高液限路基土改良设计方法研究.路基工程, 2006; (5) :67—70
[6] 赵朝阳石灰改良高液限土试验研究.公路工程, 2010;35 (2) :70 —73
[7] 雷剑, 王朝辉, 高志伟, 等高速公路煤矸石路基包边土厚度分析长安大学学报 (自然科学版) , 2011;31 (1) :22—25
[8] 曾宪新, 钟扬有.掺砂改良高液限土修筑路基技术研究.广东交通职业技术学院学报, 2005;4 (1) :13—15
[9] 《公路土工试验规程》 (JTG E40—2007) .北京:人民交通出版社, 2007
[10] 《公路路基施工技术规范》 (JTG F10—2006) .北京:人民交通出版社, 2006
高液限土 篇6
目前以空气率指标控制高液限土填筑的问题逐渐被重视和研究[7,8], 但仍需系统化、量化分析。现以高液限土填筑的长期研究成果为依据, 分析一定压实度条件下的空气率、含水率的改变与土体总体积之间的变化关系, 进而解决高液限土路堤自密沉降变形的计算问题。
1 空气率指标理论分析
空气率可定义为:土体中空气所占体积与总体积之比, 以百分数计[9]。如式 (1) 所示。
式 (1) 中, va为土体空气率 (%) ;ρd为土体的干密度, (g/cm3) ;ρw1为纯水在4℃时的密度, 等于1 g/cm3, Gs为土粒相对密度;ω为土体含水率 (%) 。
则
土体变形量
最终以空气率、压实度、最大干密度为参数的高液限土直接填筑路堤的变形计算表达式为
式 (6) 中, K为路基压实度 (%) ;ρmax为土体的最大干密度, (g/cm3) ;ρw1为纯水在4℃时的密度, 等于1 g/cm3, H0为路堤填筑高度 (m) ;Δω为含水率的变化量 (%) ;va0为高液限土填筑压实初始空气率 (%) ;va1为高液限土填筑压实后空气率 (%) 。
从公式可以看出, 高液限土直接填筑路堤的变形主要受土体含水率和空气率变化的影响, 这与实际情况比较相符合。利用该公式很方便地计算出路堤自填筑到不同阶段的胀缩变形量, 而不受土体强度参数的制约。只要获得施工土体不同阶段的含水率、初始空气率及压实度就可计算出某一阶段由于孔隙水的排出 (或增湿) 、空气率减小而导致路堤的变形量。利用该计算方法也可以依据室内试验参数预测高液限土路堤不同运营阶段的沉降变形, 用以指导确定路堤的最大设计高度。
2 积分法计算原理
如将高液限土路堤看成整体, 计算基本公式为
根据条形基底竖向均布荷载作用模型, 设路面宽24.5 m, 路堤两侧坡比为1∶1.5。压缩层上部荷载等效为:p等效=车辆荷载 (25 k Pa) +1 m路面结构层荷载 (20 k Pa) +上层路堤荷载 (20H1) , 在压缩层内沿深度z取微断面dz, 根据力的平衡原理, 微断面上部外荷载为
pn=224.54.+53zp等效 (8) 微断面上部土体自重荷载为:σ=γz。微断面所受总荷载为p=pn+σ。
最终路堤自密沉降量为
式 (9) 中, e1为土粒初始孔隙比;av为压缩系数 (MPa-1) ;γ为土体重度 (k N/m3) ;h为计算压缩层厚度 (m) 。
3 计算对比分析
现以课题组广梧高速长期沉降监测的某10 m高路堤工程为例分析说明, 并与分层总和法、积分法计算结果对比分析。该10 m高路堤去除封顶和封底土外, 高液限土直接填筑为6 m, 其物理、力学参数如表1、表2及图1、图2所示, 计算结果见表3所示。
4 计算结论分析
(1) 路堤的沉降变形受土体的含水率变化影响较大, 而空气率指标对沉降变形影响较小, 这也和实际相符合, 因高液限土体的保水性强, 在压密状态中, 水不易排出而空气率含量又较小, 一般在4%~14%区间, 固土体的变形也较小, 主要是由于空气的排出及其他结构性改变而导致。
(2) 改变压实度对高液限土路堤自密沉降影响不大, 说明可以采用降低压实度并在填土含水率大于最优含水率的可控范围内进行填筑施工。从而较好地解释了降低压实度填筑高液限土路堤的可行性。
(3) 以压实度、空气率、最大干密度等为参数的沉降变形计算式所获得沉降值与常规的沉降计算结果偏差较大, 主要因为该理论是以实际发生的空气体积的缩小而发生的实际量的变化为计算依据的, 是与实际状态相符的。而常规的沉降计算, 是以强度参数压缩系数av1-2为依据的, 而其随路堤的高度和土体强度的改变而改变, 高液限土的特性就是细颗粒多, 压缩性强, 理论上导致传统沉降计算与实际有偏差较大。
(4) 三种理论计算值都较实测路堤自密沉降值差距较大, 一方面实测的历间较短, 还有沉降变形的趋势, 另一方面, 理论计算参数通过室内理想状态下获取, 与现实有差异, 说明高液限土直接填筑路堤的自密沉降计算理论尚不成熟, 还有待进一步研究。
参考文献
[1] 蔡卓生, 唐汉坤.惠普高速公路路基高液限土处治.广东公路交通, 2002; (3) :29—30
[2] 李振.高液限土填筑路基的处理技术.公路交通技术, 2005;2 (1) :14—16
[3] 张宁, 邓捷, 吴立坚.福建高液限土的工程特性研究.公路, 2009;12 (12) :143—146
[4] 李结全.多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究.南宁:广西大学, 2007
[5] 方庆军, 洪宝宁, 林丽贤, 等.干湿循环下高液限黏土与高液限粉土压缩特性比较研究, 四川大学学报, 2011;6 (43) :73—77
[6] 慕现杰, 张小平.干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究.岩土力学, 2008;11 (28) :580—582
[7] 靳建明.路基土密实度测试方法研究综述.路基工程, 2011; (2) :1—3
[8] 李小勇, 富志根.路基压实密度气囊检测方法研究.岩土工程学报, 2003; (5) :619—623
高液限土在金星路西延线上的应用 篇7
高液限粘土在我国分布比较广泛, 主要集中在南方多雨地区, 在高速公路路基施工中也颇为常见但用到市政主干道上还是少见的。但这类土质含水率高、塑性指数大、水稳定性差, 很容易对路基质量造成损害。当前, 我国建设环境要求不断提高, 同时出于建设经济性等方面的考虑, 对高液限粘土加以利用成为一个必然趋势。在我国相关规范中明确规定, 高液限粘土、红粘土均不能够直接用作路基填土, 必须对其性质加以改良, 加强施工工艺控制, 减少因高液限土施工处理不当造成的公路病害, 大大提升高液限粘土使用率, 延长道路的使用寿命。
2 高液限粘土概述
高液限粘土指的是液限含水量超过50%、塑性指数超过26的土, 按照规定, 此种土不得直接用作填土, 需加以处理。高液限粘土的颗粒较小, 含水率高、渗水慢, 若是处在浸水状态下, 则稳定性较差, 呈现为流态;若是土失水, 则极易收缩干裂, 对此施工过程中难以晾干、压实, 当土处于干燥状态存在一定强度, 极易压碎。因为高液限粘土所具有的物理特性, 必须注意施工前开展相应的土工试验, 测定含水率、CBR、自由膨胀率以及矿物质成分等试验。根据《公路路基施工技术规范》 (JTGF10-2006) 相关条例规定, 湿粘土、红粘土以及中、弱膨胀土直接用作填土, 需满足下述条件: (1) 填料液限处于40~70%范围内, 将填料用在上路堤时, 最小强度CBR值需超过4, 而用在下路堤时, CBR值需超过3; (2) 在碾压过程中, 填料的稠度需处于1.1~1.3范围内; (3) 压实标准与施工规范规定值相比, 可下降1~5%, 实际数值应按照具体土质情况加以试验分析, 土质最大干容重按照湿土法制件; (4) 严禁用作路床、零填、挖方0~800mm内填料。
3 工程概况
金星路西沿线位于长沙市望城经开区, 地形、地质复杂, 东起郭亮路, 终点接黄桥大道, 全线共长2.403km, 为城市主干线 (i级) , 设计车速为60km/h。其中高填深挖路基共6处, 高填方路基5处, 深挖方路基1处。工程开展后, 利用土方通过原设计本桩进行土工试验, 发现施工现场实际为高液限土。如果要利用水泥或生石灰等施工材料改良施工工艺, 除技术难度加大外, 工程成本也会随之增加;如果采取换填方式, 则会造成新的弃土堆, 在提高工程造价的同时也破坏了现场及周边环境。经过单位内各部门及专业人士共同的研究, 决定对本沿线高液限土进行了试验路段填筑, 从而确定最终施工方案, 将高液限土应用于金星路西延线中 (路面以下大于1.5m) 。
4 高液限土在金星路西沿线上的具体应用
4.1 施工前准备
高压限土在金星路西延线施工前, 应将资源配置到位, 施工器具例, 压路机、洒水车、旋耕机、推土机、挖掘机等;此外, 还需配置完善的高液限土检测设备, 主要用来检测高液限土中的液限度、塑性、含水量、成分分析等;在对高液限土进行检测之前需要按照公路土工试验规则模拟出土质的各项技术指标;除此之外, 还应准备好粗中颗粒砂土与土壤稳定剂。
4.2 施工过程
4.2.1 施工工艺流程
对上一填筑层的高程、平整度、压实度进行检测→检测填料的压实特性→施工放样, 布设控制网格→上料→摊铺整平→碾压前检测含水率、宽度、平整→碾压→检测压实度→下一层填筑。
4.2.2 施工工艺要点
为了有效确保路基边缘的稳定性与压实度, 填料实际摊铺的宽度与原设计宽度相比每侧应超出0.5m;进行整平时, 首先需使路基形成一定的横坡, 从而方便路基排水;碾压时需依据“先静压、后振动, 先慢后快, 先压边缘、后压中间”的原则, 碾压过程中静压时可将速度调至4.0km/h, , 匀速行驶, 振压时压路机速度宜控制在2.5~3.0km/h。每遍碾压时要求错轮1/3轮宽。
4.2.3 填土碾压结果
依据设计时的松铺厚度 (30cm) 将填料摊铺整平后进行碾压, 检测每遍碾压时的平均沉降与压实度, 直至第8遍碾压结束, 详细记录碾压遍数、相关压实度、机械组合、沉降等检测数据, 表1为填土碾压结果汇总详细情况。
依据表1并结合碾压现场实际情况, 可以看出, 在松铺厚度30cm的情况下, 该高液限土经碾压6遍的压实指标已满足90区压实度要求, 但碾压8遍仍达不到93区压实度要求, 因此可广泛的应用。
4.3 掺砂改良施工工艺
高液限粘土改良常见工艺主要为添加石灰、砂砾以及不同的化学改良剂, 同时对路基填筑土开展配比试验, 以分析物理力学性质、强度变化规律, 以获得最佳的配比数据, 以切实提升高液限粘土强度、压实度, 石灰加固十分常见, 根据相关研究显示, 高液限粘土内掺入4%石灰, 则28d强度最大, 且通过石灰的掺加能够显著改善土p H值, 降低或是消除高液限粘土胀缩性, 同时该方法使用便利, 适用范围广, 效果显著。
4.4 施工注意事项
(1) 路基挖方施工前, 需将排水沟挖好, 以降低土体天然含水量, 及时排除路基积水, 避免其渗入土体。
(2) 路基填筑前, 做好截水沟, 以将流向路堤的地表水截除, 注意截水沟需低于原地面50~80cm, 确保疏水畅通。填筑土需做到随挖、随运、随压实, 注意路基横波需放大到5%以上, 填筑松铺的厚度应处于30cm的范围内, 每层的压实厚度需小于20cm, 经现场检验合格, 方能够上土覆盖, 注意避免暴晒开裂与下雨渗透。
(3) 填料在满足施工控制含水量要求后, 通过平地机进行整平, 并根据现场试验所得碾压参数加以碾压, 碾压顺序为路堤外缘—中心, 从第2遍开始逐遍开展干密度、饱和度检查, 确保压实质量。
(4) 高液限粘土最佳填筑施工季节为旱季, 若是必须在雨季施工, 则必须加强排水, 若是高液限粘土被雨水浸泡或是未能够及时覆盖、碾压, 均需要及时废弃, 下层路基需开展复压;在晴天施工时, 下层施工完成后, 需及时覆盖上层土方, 防止因为曝晒导致土体水分蒸发、开裂, 已开裂的需翻松碾压;若是含水量过小, 需洒水至最佳含水量然后碾压。
5 高液限土应用中容易出现的问题以及成因分析
5.1 路基常见问题
高液限粘土在填筑路基时常存在以下问题: (1) 沉降。高液限粘土因为自身特殊的物理性, 极易遭受自然环境影响, 施工过程中难以粉碎, 且不容易压实, 高液限粘土填筑路基的初期强度高, 然而由于交通荷载的影响、大气水体的侵入, 均会破坏路基稳定性, 若是局部受力大, 则会引发沉降变形, 特别是路基压实不均部位, 更易出现沉降。 (2) 开裂。此情况主要发生于路堤边缘处, 因为此处和大气存在较大的直接接触面, 极易受大气环境的影响, 若是气温较高, 则会因为土体失水引发体积收缩, 而雨季时会因为吸水引发土体膨胀, 长期行车碾压则形成带状的薄弱面, 干湿交替反复收缩膨胀极易生成纵向开裂。 (3) 坍塌。雨水的冲蚀、风化作用, 均会导致土体间的连接性能下降, 以致于土体结构被破坏, 稳定性差, 长期下去则会导致裂隙变形, 最终出现滑坡、坍塌等灾害。
5.2 路基病害成因分析
(1) 土质特性。高液限粘土膨胀、收缩变形大, 且施工难度较大, 对于施工工艺、器械的要求十分高, 按照现行标准规定, 路基填土液限需小于50%, 液限指数需小于26, 此要求对高液限粘土而言难以达到。高液限粘土结构非常复杂, 我国的地质、地形多变, 高液限粘土经常和普通的土层夹杂在一起, 不同土质对路基施工的影响不同, 需采取适合的处置方法, 确保路基稳定。 (2) 自然气候影响。温度变化、蒸发、降水、风化等自然作用对路基性能的影响十分大, 路基土体含水率随自然环境变化而变化, 高度、深度较大的路基, 填土越高则越易被风化作用影响;降水时因为高液限粘土裂隙多, 以致于水分极易侵入, 导致土体软化崩解, 出现水分蒸发、土体开裂的问题, 此时裂隙则会继续深入发展, 使得路基强度被破坏。 (3) 荷载作用力。行车荷载作用力对于路堤的影响十分大, 荷载冲击作用施加的竖向应力会导致路基出现沉降变形, 横向应力会导致路堤路肩位置出现侧向滑移, 引发路肩崩塌。
6 结束语
高液限粘土作为路基填筑土具有一定的经济效益和环境效益。本延线实施上述工程处治措施后, 可满足规范对路基强度及稳定性的相关要求, 并且对缩短工期, 节约工程投资, 保护国家有限土地资源都具有积极的意义。
参考文献
[1]周建歧.高液限土路基的填筑与压实研究[J].广西交通科技, 2011 (4) :63~65.
[2]王孟霞, 李伟民.高速公路高液限土改良施工技术及质量控制研究[J].建材世界, 2013, 4:15~18.
高液限土 篇8
路基作为高速公路主体工程,应具有足够的强度、稳定性和耐久性。《公路路基施工规范》(JTG F10—2006)规定:液限大于50%、塑性指数大于26、含水量不适宜直接压实的细粒土,不得直接作为路堤填料[1];需要使用时,必须采用技术措施进行处理,经检验满足设计要求后方可使用。如此,依据国家规范高液限土作为填料时须进行处理,而控制其含水量在合适的范围内成为关键所在。
含水量的变化将直接影响高液限土的特征和工程应用,很多学者在这发面进行了深入的研究,例如:1980 年Allam 和Sridharanj 通过试验得出含水量的变化将直接影响高液限土的特征[2];Al-Homoud 从结构方面分析高液限土在干湿循环作用下的强度和膨胀性的疲劳效应[3];胡昕等进行了高液限土水敏感性研究,揭示了含水量变化对高液限土各项力学性能的影响[4]。目前,广东地区还没有系统的高液限土作为路堤填料的施工控制性指标(也未发现我国其它地区有类似的成果),导致实际工程中在这方面的处理比较零乱和无序,管理、设计、监理和施工单位难以掌握,严重影响施工质量和施工水平的提高。现将就高液限土作为填料时含水量控制指标进行初步研究,从而为设计、施工提供依据。
1容许含水率
1.1容许含水率的概念
《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2004) 中对土质路基压实检验,要求检测压实度和弯沉值,对含水率没有要求[5]。因此在现场施工实际中,只要压实度能达到相应标准就认为合格,对填筑时的含水率,没有硬性要求。所以在实际情况很难降低含水率的情况下填筑,采用较高含水率的高液限土填筑,经检验压实度符合要求也认为是合格的。
在工程实际实施工中,要达到设计的既定压实度,就要把土体的含水率控制在最佳含水率附近[6],而对高液限土来讲,一般高液限土的含水量是远大于最佳含水率的,可达到10%以上。所以要通过降低土体的含水率以达到要求的压实度。或者说是把高液限土的含水率降低至最佳含水率附近的限值。为此,需定义容许含水率。
容许含水率是指在高液限土路堤填筑过程中,要达到设计的压实度,土体所允许的最大含水率。
容许含水率计算的依据可解释为,当土体在最密实情况下(压实度为100%),其对应的含水量为最佳含水率,干密度为最大干密度,反之当设计的压实度较低时,如为93%,则其对应的干密度稍小,在此时状态下的孔隙体积为定值,如果空气的体积含量较小,水的体积含量就较大,如果空气率最小,含水率就最大。计算公式为:
ωmax=ρw(1-vamin)/ρd-1/Gs (1)
由于土体的最佳含水率、最大干密度可由击实试验得出,最佳空气率可以计算得到。对应某一压实度的干密度和土体比重可以获得,则很容易计算出容许含水率的值。
1.3容许含水率和最佳含水率对比分析
如已知高液限黏土的最大干密度为1.65 g/cm3,最佳含水率为20.2%,测得在该高液限土在压实度为93%和90%的干密度分别为1.535 g/cm3和1.485 g/cm3,可计算得对应的最大容许含水率为25%和27%,即比最佳含水率大了5和7个百分点。见表1。
表1为理论计算及击实曲线图中得出的含水率范围,在云罗高速K27+850路段进行现场试验,采用压实吨位22T的碾压机碾压,并在路段取30组试样,采用灌砂法和烘干法分别测得其压实度和含水率(容许含水率),并分别用室内击实试验计算相应的最优含水率,通过比较,发现现场试验路的实测值与理论值差异较大,理论上容许含水率高于最优含水率7%时,理论压实仍可以达到90%的压实度。但在现场压实中当容许含水率高于最优含水率6%时就很难达到90%标准。现场某试验路压实度与含水率关系统计见表2。
压实吨位/t 22
由表2可知,当ω-ωop<6%时,压实度都可以达到90%。对不同的高液限粘土进行压实度统计也得出,当压实度达到90%时,压实过程中土的容许含水率与最优含水率的差值都在6%,因此,可以取最优含水率以上6%作为容许含水率。
2含水量变化与土体强度关系的分析
试验用土为从云罗高速6标段所取的高液限土,天然干密度ρd=1.30,最优含水率Wop= 28.5%。制备的试样为不同含水率下的高液限土,控制其干密度为1.5 g/cm3,含水率分别为10%,18%,28%,35%。
采用普通直剪仪进行高液限土的快剪试验。每个含水率制备四个试样,在四种不同法向应力作用下进行剪切试验,法向应力分别为100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa。钢环系数为2.38。土样在剪切过程中不排水。
由颗粒分析试验数据可发现,剪应力先随剪切位移增大而增大,当剪应力达到峰值后,随剪切位移增大而减小,此时,试样剪切破坏。并且抗剪强度随法向应力的增加而增加。为了比较不同含水率下,高液限土的强度特性的变化,现将不同含水率试样在各级垂直压力下的抗剪强度及对应的c、φ值。见表3。
由表3可知,含水率越高,对应的抗剪强度越低,对应的c、φ值也相应降低。根据表3的数据,可以总结以下几点。
初始干密度=1.5 g/cm3
2.1含水率对高液限土抗剪强度包线的影响
试样的抗剪强度与起始含水率具有明显的相关关系,且含水率越大抗剪强度越小,这与基质吸力与含水率成反比的规律[7]是一致的。当含水率从28%增加到35%时,高液限土的抗剪强度显著降低;但当含水率从10%增加到28%时,高液限土的抗剪强度则缓慢减小。说明,存在一个界限含水率,超过该含水率后,高液限土的抗剪强度将显著降低。见图1。
2.2含水率对黏聚力的影响
随着含水率的增大,高液限土黏聚力总体呈减小趋势,但变化趋势具有显著的阶段性。当含水率从10%增大到28%时,关系曲线梯度较小,黏聚力缓慢减小;而当含水率从28%增大到35%时,关系曲线梯度较大,黏聚力值发生急剧变化。一般认为,土的黏聚力是土颗粒间引力和斥力综合作用的结果,主要来源于土粒间的相互吸引、水膜联结及颗粒间的胶结等[8],其中土颗粒间的水膜联结和胶结作用对黏聚力的产生具有重要的作用。因而土的黏聚力随着含水率的不同而变化较大。含水率越小,颗粒间的水膜联结力越大;随着含水率的增大,水膜联结力逐渐减小,直至达到土体饱和含水率完全丧失。颗粒间的胶结作用主要来源于土料本身,亦即在矿物的溶解和重析出过程中生成的[9]。因此,当土的含水率增加到某一值后,颗粒间的胶结物将开始被溶蚀,颗粒胶结作用逐渐丧失。不难看出,含水率逐渐增大时,起初只有水膜联结力在逐渐减小,只有当含水率增加到某一值后,胶结作用才开始与水膜联结力一起减小,这也解释了随含水率增大高液限土黏聚力减小具有明显阶段性的原因。见图2。
2.3含水率对内摩擦角的影响
相对于黏聚力,含水率变化对高液限土内摩擦角的影响较小,当高液限土的含水率从10%增加到28%,内摩擦角变化不大,当含水率从28%增加到35%,内摩擦角急剧减小。见图3。
由以上分析可知,高液限土的强度特性受含水率的影响很大。具体总结如下:
①试样抗剪强度与初始含水率的关系是含水率越大抗剪强度越小,这与基质吸力与含水率成反比的规律是一致的;
②对不同初始含水率的试样而言,抗剪强度包线的内摩擦角φ相差不大,但凝聚力的差距则比较大。
③通过含水率与内摩擦角及凝聚力的关系曲线我们可以发现,这些曲线在ω=28%附近出现了急剧变化,表明此类高液限土在低于其塑限时,具有较高的凝聚力和内摩擦角,而超过最优含水率以后,凝聚力和内摩擦角将急剧减小。当高液限土的含水率高于塑限时,则强度比较低,如果含水率低于塑限,则土体比较坚硬。所以在处理高液限土时应当注重含水率的问题,应当把含水率控制在低于塑限,并且做好高液限土的隔水工作。
3容许含水率下高液限土CBR试验成果及分析
第2节已经论述了含水率的变化将直接影响土体的强度,所以在路基压实过程中最理想的状态是达到最优含水率,但考虑到高液限土特殊的工程特性,很难达到这一要求,第1节通过实验论证,当高液限土达到容许含水率时,压实度可以达到90%左右,本节将采用CBR实验论证容许含水率下的高液限土能否作为路堤填料。
击实试验可得到最优含水率ωopt、最大干密度ρdmax,可以用于确定压实度标准,容许含水率取值比最优含水率大6%;而加州承载比(CBR)是表征路基土、粒料、稳定土强度的一种指标,是填料能否用作路堤填料的重要评判之一[10],对于高液限土填筑CBR要求大于3。
路基路面充分的压实后,能得到较高的强度、较好的抗变形能力和良好的稳定性。具体试验结果参见表4,其中CBR试验在93%压实度条件下进行。
由表4可知,CBR实验中满足容许含水率的高液限土CBR值大多满足要求,即大于3,说明在工程应用中,满足容许含水率的高液限土是可以作为路堤填料的。
4结语
根据以上研究论证,建议在高液限土作为路堤填料的施工过程中,可以适当降低路堤的压实遍数,只要使土体满足容许含水率(最优含水率以上6%),土体就可以满足压实度要求和CBR值要求,能够作为路堤填料。
摘要：为了使高液限土在填筑过程中达到设计压实度,提出了容许含水率的概念。另外,对不同的高液限黏土进行压实度统计得出,压实过程中土的容许含水率与最优含水率的差值在6%左右时,压实度仍可以达到90%。采用普通直剪仪进行高液限土的快剪试验,得出含水率变化对高液限土抗剪强度产生影响,含水率越高,对应的抗剪强度越低,对应的c、φ值也相应降低。通过CBR试验结果分析,高液限土路堤只要满足容许含水率,就能具有较高的强度、较好的抗变形能力和良好的稳定性。
关键词：高液限土,容许含水量,快剪实验,CBR
参考文献
[1]JTG F10—2006公路路基施工技术规范.北京:人民交通出版社,2006
[2] Allam M M.Effect of wetting and drying in shear strength.Journal ofthe Geotechnical Engineering Division.1981;107(4):421—438
[3] Al-Homoud A S.Cyclic swelling behavior of clays.Journal ofGeotechnical Engineering,1955;121(7):562—565
[4]胡昕,洪宝宁.高液限土和煤系土抗剪强度的水敏感性比较研究.四川大学学报:工程科学版,2010;42(1):54—59
[5]JTG F80/1—2004公路工程质量检验评定标准北京:人民交通出版社2004
[6]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算.北京:水利电力出版社,1996:58O62
[7]张雪东,赵成刚,蔡国庆,等.土体密实状态对土-水特征曲线响规律研究.岩土力学,2010;27(1):89—92
[8]柳厚详,宋军,张起森,等.石灰改良高液限土路用性能的试验研究.吉林化工学院学报,2004;21(1):55—58
[9]曾静,邓志斌.竹城公路高液限土与红粘土路用性能的试验研究.岩土力学,2006;27(1):89—98