高速公路粉土路基改良研究.pdf
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1、总656期2023年第26期(9月 中)收稿日期:2023-03-09作者简介:吴雷(1982),男,河北张家口人,工程师,研究方向为道路桥梁。高速公路粉土路基改良研究吴雷(张家口市公路施工管理处,河北 张家口 075000)摘要:为扩大高速公路粉土路基的应用范围,分别通过水泥、石灰以及含黏粒的粉质土壤对其进行改良。从重型击实试验、侧限压缩试验、承载比试验以及变水头渗透试验等多个角度探讨改良粉土的适用性。研究结果表明,水泥和石灰改良粉土可有效提高压缩模量及CBR值,且同等条件下水泥的改良作用更为显著,在需要较低承载力和较高变形要求的粉土路基工程中,可优先使用水泥改良;掺入含黏粒粉质土的粉土不符
2、合路基填料要求;石灰改良粉土可降低渗透性,更适用于有较多降雨量地区的路基工程。关键词:改良粉土;高速公路路基;水泥;石灰中图分类号:U416.16文献标识码:A0 引言随着社会经济的发展,大量高速公路工程需穿越粉土地区。在沿线缺乏级配良好填料且长距离换填又会大幅提高施工成本时,往往需通过改良的方式实现粉土在高速公路中的应用。在粉土改良方面,目前已有较多研究,如徐东升等1研究了粉土的力学性能,并得出粉土承载性能有限等结论;张瑜等2通过研究水泥和石灰改良粉土,得出粉土改良后抗剪强度有所提高的结论;申爱琴等3探讨了公路底基层粉土加固技术,并提出对应措施。现有研究多从粉土力学特性和压实机理出发,而关于
3、路基工程中粉土适用性的研究仍较少。因此,为扩大高速公路路基中粉土的应用范围,本文将以某高速公路沿线粉土为研究对象,对其进行改良,以探讨粉土改良后的各项性能指标。1 试验粉土基础性质1.1 基本物理性质通过颗粒分析、击实试验等联合测定试验粉土的物理性质,所得结果见表1。最大干密度/(g/cm3)1.70最优含水率(%)14.3液限(%)20.1塑限(%)16.4不均匀系数2.39曲率系数0.90粗组含量(%)0.25 mmd0.5 mm1.410.075 mmd0.25 mm23.930.005 mmd0.075 mm71.93d0.005 mm0.31表1 试验用土物理性质1.2 适用性分析通
4、过变水头渗透、加州承载比和侧限压缩试验探讨高速公路路基应用粉土填料的可行性,所得结果如下。1)94%压实度时,粉土渗透系数为2.4210-4cm/s,且少量黏土颗粒在雨水冲刷作用下被带走。为保障路基的稳定性能,需降低粉土的渗透系数。2)96%压实度时,粉土加载承载比(CaliforniaBearing Ratio,CBR)为8.7,大于高速公路路基96区规定值8,表明粉土在室内96%压实度下的CBR值可满足要求。但施工现场难以将粉土压实度提高至96%,即施工时难以保证粉土的加载承载比满足要求。压实度指标准最大干密度与土体压实后干密度的比值,是路基重要的质量控制指标。在高速公路中,上路堤与下路堤
5、压实度最低标准分别为 93%和 96%。粉土压实度及压缩模量在最优含水率下的关系见图1。929394959697压实度(%)14.013.513.012.5压缩模量/MPa图1 粉土压实度-压缩模量关系曲线注:d为粒径。58交通世界TRANSPOWORLD由图1可知,粉土在压实度试验范围内的压缩模量为 1315 MPa。根据 公路土工试验规程(JTG 34302020),该压实度范围内的粉土为中压缩性土,压缩性较高,不满足高速公路路基填料低压缩性要求。综上,为满足高速公路路基需要,需对粉土进行改良。2 改良粉土的适用性2.1 改良材料与改良方案所用石灰及水泥分别为三级熟石灰和普通硅酸盐水泥。现
6、场挖方弃土为粉质土,其颗粒级配见表2。改良粉土试验方案见表3。表2 粉土颗粒级配组成成分含量(%)细砾0.28粗砂0.14中砂0.06细砂3.38粉粒71.61黏粒24.532.2 改良粉土的击实特性改良粉土的击实曲线见图2。试验名称掺入材料掺入比(%)压实度(%)重型击实试验水泥、石灰、粉质土2、4、6侧限压缩试验水泥、石灰2、4966、693/94/96粉质土5094承载比试验水泥、石灰2、6964、493/94/96变水头渗透水泥、石灰4、494粉质土5094表3 改良粉土试验方案812162024含水率(%)(a)石灰改良粉土812162024含水率(%)(b)水泥改良粉土1.801.
7、751.701.651.601.551.501.801.751.701.651.601.551.50干密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)6%水泥4%水泥2%水泥粉土6%水泥4%水泥2%水泥粉土812162024含水率(%)(c)含有黏粒粉质土改良粉土1.81.71.61.51.41.3干密度/(g/cm3)掺加粉质土粉土图2 改良粉土的击实曲线从图2(a)可以看出,石灰改良粉土的干密度始终小于原始粉土的干密度,且峰值点后半段曲线的斜率也较小。图2(b)和图2(c)峰值点后半段曲线和粉土曲线基本重合,表明在最优含水率后,相比于原始粉土,石灰改良粉土干密度受含水率变化的影响较小,而含水率变
8、化对水泥改良粉土和含有黏粒粉质土改良粉土的影响与其对原始粉土的影响基本一致。综上,从击实效果的角度考虑,建议采用石灰改良粉土。进一步分析随着掺入比的变化,石灰改良粉土及水泥改良粉土的最大干密度和最优含水率的变化情况。石灰改良粉土最大干密度小于原始粉土最大干密度,且石灰改良粉土最大干密度随掺入比增加而减小,但减小速率逐渐下降;水泥改良粉土最大干密度大于原始粉土最大干密度,且水泥改良粉土最大干密度随掺入比增加而增大,增速上涨但增幅较小。最佳含水率随掺入比增加而减小,但掺入比相同时,水泥改良粉土和石灰改良粉土有较为接近的最优含水率。2.3 改良粉土的压缩性1)不同掺入比下改良粉土的压缩模量。分析石灰
9、改良粉土及水泥改良粉土在96%压实度下的掺入比和压缩模量关系可知:随石灰和水泥掺入比的增长,石灰改良粉土及水泥改良粉土在96%压实度下的压缩模量不断增大,但增速渐趋缓慢;当水泥或石灰掺量大于 2%时,可提高改良粉土压缩模量至 15 MPa 以上,使其成为低压缩性土,从而满足路基填筑要求。此外,改良粉土的水泥和石灰掺入越多压缩性越低,路基填筑变形越小。掺入比相同时,相比于石灰改良粉土,水泥改良粉土有较大压缩模量,因此,建议对变形有较高要求的粉土路基采用水泥改良。此外,水泥与石灰的掺入比和压缩模量间的关系59总656期2023年第26期(9月 中)可由式(1)4表示:Es1-2=a+bm+cm2(
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