红黏土的路用性能特性及改良性能研究.pdf
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1、专题论述红黏土的路用性能特性及改良性能研究胡小波吴心怡刘凌云(中交上海三航科学研究院有限公司,上海200032)摘要】针对红黏土高液塑限、工程应用时难以压实、干湿变化时其物理力学性质不稳定等特点,本文以云南曲靖地区红黏土为研究对象,采用室内试验的方法对红黏土的液塑性指标、压实特性、承载力指标、胀缩性指标、干湿循环下的稳定性指标进行了研究,并采用就近获取的开山土石混合料对其进行改良。对改良后的红黏土进行击实、干湿循环等关键指标试验,试验结果表明,经改良后其具有更良好的压实性能,胀缩性指标降低,CBR强度及干湿循环下的稳定性显著提升。本文采用的改良方法克服了传统采用水泥、石灰改良成本较高及其在现场
2、拌和均匀性难以保证的缺点。关键词红黏土胀缩特性压实度干湿循环路基填料改良1前言红黏土为红土的一个亚类,与一般黏土相比,其颗粒组分中黏粒含量,尤其是粒径小于0.0 0 2 mm的胶粒含量显著偏高,可达40%70%,使红黏土具有高分散性。红黏土在干燥状态下具有较高的力学强度和较低的压缩性,但随着含水率的变化,其物理力学指标变幅也较大。上述特性主要是因为红黏土在红化过程中形成的游离氧化铁的胶结结构使其具有高孔隙比、高含水量、高液塑限和塑性指标的特点,在工程上常表现为天然含水量高、难压实、易干缩开裂等不良特征。在公路工程中,通常不能将红黏土直接作为路堤填料。公路路基设计规范(JTGD30-2015)中
3、规定:对于液限大于5 0%、塑性指数大于2 6 的高液塑限土,不宜直接作为路基填料,须经适当的措施处理后方可用于路基填筑。规范主要对颗粒组分、CBR强度、液限、塑性指数有所要求,对于具有膨胀特性的黏土,尚需满足胀缩总率的要求。规范特别规定:用于填筑路基的红黏土压缩系数不得大于0.5 MPa-,未经改性处理的红黏土填筑路堤高度不宜大于10 m。此外,作为弱膨胀土,红黏土尚应满足规范中对于膨胀土胀缩总率不超过0.7%的规定。目前常用的改良方式通常有掺加水泥、石灰、化学药剂,或者采用黏土包边等措施。水泥、石灰由于成本较高,添加量一般较低,虽然在实验室环境下能够取得较好的改良效果,但现场拌制的均匀性较
4、难保证,对实际效果影响较大。本文研究思路:采用可从当地较方便获取的筑路材料(开山土石料)拌入红黏土进行改良,通过试验验证其CBR强度、压实度、液限、胀缩性、干湿循环稳定性等特性。该方法成本相对较低,由于掺入量较一般水泥石灰比例大,对现场施工拌和的均匀性要求较低。2试验研究的内容本文主要针对原红黏土以及改良后的混合料展开以下试验研究:(1)通过液塑限试验判断其液塑性指标是否需要改良;(2)通过颗分试验获取不均匀系数C.和曲率系数Cc,判断掺加料的级配情况及压实性能;(3)通过重型击实试验判断其压实性能;(4)通过CBR试验判断其刚度指标是否满足公路路堤填料要求;(5)通过膨胀及收缩试验计算其胀缩
5、总2率。胀缩总率是红黏土能否用于路基填筑的判别依据,规范规定:弱膨胀土作为路堤填料时,若胀缩总率不超过0.7%,可直接填筑,并采取防水、保温、封闭、坡面防护等措施;否则,应按公路等级、气候、水文特点、填土层位等具体情况,结合实践经验进行处治;(6)通过干湿循环试验模拟:干湿循环交替的气候条件下,路堤在施工及运营期间发生胀缩变形后的强度稳定性。3原红黏土物理力学特性本文选取宣曲高速路线附近4个取土点的土样进行原状红黏土的室内试验。3.1液塑限试验取土点1、2、3的液塑限试验结果如表1所示。由试验结果可知:宣曲高速该标段的红黏土液限达5 5.2%5 6.3%,塑性指数达3132,不满足规范关于路基
6、填料液限的规定。因此,该标段红黏土不得直接作为路堤填料,使用时必须进行改良。表1红黏土液塑限统计表取土点液限WL/(%)塑限Wp/(%)塑性指数IP取土点155.223.432取土点256.325.731取土点355.424.631统计55.256.323.425.73132根据表1计算该区域红黏土的天然稠度:Wc=(WL-W)/Ip式中:Wc一天然稠度;W一天然含水率。天然含水率按36%计,液限按5 6%计,塑性指数按31计,代入得天然稠度为0.6 45,根据相关文献的一般工程经验,天然稠度小于0.8的土不宜直接使用。塑性分区图如图1所示。根据表1,计算得Ip=31,大于Ip=0.73(Wi
7、-2 0)=2 6,故本地区红黏土在B线右侧、AAA线:Ip=0.73(WL-20)60B线:Wi=50%50CHCHO40B30MH20CLMHOCLO10Ip=10MLIp=6-MLO10102030405060708090100110液限Wi/(%)图1塑性分区图线上方,具有一定的膨胀性,需采取一定措施进行改良后方可利用。3.2重型击实试验对上述取土点的原状红黏土进行室内击实试验得到pa-w曲线,并据此得出红黏土最优含水率及最大干密度统计表,见表2。表2红黏土最优含水率及最大干密度统计表天然含水率最优含水率最大干密度取土位置W/(%)Wop/(%)P dnax/(g/cm)取土点135.
8、222.61.58取土点232.422.21.60取土点337.623.81.62取土点436.225.01.58统计32.437.622.225.01.581.62据表2 分析,本地区红黏土的最优含水率2 2.2%2 5.0%,天然含水率32.4%37.6%,天然含水率高出最优含水率约10%12%。含水比aw=w/wL=36%/56%=0.64,根据岩土工程勘察规范,本地区红黏土0.5 5 aw=0.64I,即该地区红黏土收缩后复浸水膨胀,能回复到原位。3.3承载比试验港工技术与管理2 0 2 3年第4期本次室内土工试验对取土点4取2 组红黏土试样进行承载比试验(CBR),试验结果如图2 和
9、表3所示。由试验结果可知:取土点4的2 组红黏土单位压力P/kPa单位压力P/kPa020040060080002004006008000一1223344L566(a)取土点4试样1(b)取土点4试样2图2CBR试验P-L曲线表3CBR计算统计表L=2.5 mmL=5.0 mm取土点4CBR最终取值/(%)单位压力/kPaCBR/(%)单位压力/kPaCBR/(%)试样1403.95.76749.57.137.13试样2494.17.06609.46.587.06试样的CBR为7.13%和7.0 6%,均满足公路路基设计规范(JTGD30-2015)规定的上、下路堤填料最小承载比要求。3.4膨
10、胀及收缩试验(1)有荷膨胀试验对红黏土分别进行2 5、5 0 和2 0 0 kPa荷载下的有荷膨胀试验,试验结果如图3所示。由试验结果可知:随着上覆荷载的增大,膨胀率逐渐减小,说明上覆压力对膨胀变形(%)/率湘0.4-0-25 kPa-g-50 kPa-200kPa0.20.0g20406080100时间/h-0.2-0.4图3有荷膨胀试验结果起抑制作用。土体在较小荷载下,压缩稳定后再浸水膨胀,膨胀力大于上覆荷载,膨胀率大于0;在较大荷载下,试样没有膨胀反而继续被压缩。将土体的膨胀看作一个平衡体系:压力与膨胀力相等时处于平衡点;当压力小于膨胀力时,土体膨胀势增大,膨胀率变化大;当压力大于膨胀力
11、时,土体膨胀势被抑制,仅产生压缩。因此,在用膨胀土作为填料时,不宜作为上部填料,须在上部填筑一定高度的非膨胀性土。根据图3可知,2 5、5 0、2 0 0 kPa上覆荷载下的膨胀率分别为0.2 5%、0.12%、-0.38%,可据此采用插值的方式计算膨胀力。(2)收缩试验红黏土收缩试验得到的收缩曲线如图4所示。由图4可知,最终线收缩率为3.10%,直线段斜率为0.32 6,该红黏土的收缩系数即为0.326。膨胀土的收缩主要是由于土样中水分的减少导致的。收缩过程中,土中水分不断HVIH0.12%;ep5050kPa压7en50(%)/率斯Xh54321110010203040-1含水率/(%)图
12、4收缩曲线散失,土样中的孔隙内部产生负孔隙压力,从而产生粒间吸力,迫使土粒向孔隙内收缩。当土颗粒间间距逐渐减小、斥力逐渐变大且最终大于负孔隙水压力时,土体将不再收缩,趋于稳定状态。由收缩曲线延长两段直线段得到该红黏土的缩限W.为19.5 4%。(3)月胀缩总率膨胀土经过击实作为路基填料时,其胀缩总率可以用下式计算:eps=ep50+Csl(W-Wm)式中:Csl一收缩系数,填筑时的含水率按最优含水率中值2 3%考虑,Cs=0.326;Wm一地基土在收缩过程中可能产生的含水量的下限值,本文按缩限考虑取19.5 4%,也可根据当地气候的降雨和蒸发情况计算求得。故本工程区红黏十的胀缩总率为e ps=
13、0.12%+0.326x(23%-19.54%)=1.25%根据计算结果,本地区红黏土胀缩总率为1.2 5%,略大于规范规定的0.7%的限值,需经适当的处理后方能满足要求。3.5干湿循环试验膨胀土路堤在一个年度内承受多次干湿交替,导致其微观结构和宏观力学特性发生改变。膨胀土边坡往往在初始形成的时候具有较高的强度和稳定性,但在若干年后便受到破坏。路堤中的填土多处于中等湿润中等干燥状态,即在一个年度内路堤填料承受多个幅度有限的干湿循环交替。本试验通过多个极端的干湿循环(干湿交替幅度大)模拟路堤在多年内的干湿循环变化,试验采用重型击实试样,一个循环分为3个步骤:(1)将试样放入套环中,置于水中浸泡4
14、8h,使试样充分吸水;(2)将试样移入烘箱中,使试样在40 下干燥失水5 h;(3)将试样在室温中继续风干7 d。每个步骤结束后测量含水率,每次循环结束后(即风干7 d后)进行CBR试验,重复上述循环至设计干湿循环次数。本试验共进行了3次循环,干湿循环过程中实测含水率试验结果如表4所示。由表4可知:试验土样的最优含水率为2 4%,吸湿后含水率达35%,含水率增大11%;风干7 d后,试验含水率仍在2 8%左右,表明在自然状态下,红黏土路堤的天然含水率高于其最优含水率4%。表4各循环次数试件含水率(单位:%)干湿循环次数123吸湿后含水率34.935.335.0脱湿后含水率32.633.033.
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