石灰改良膨胀土的物理力学性状试验研究和工程应用

研究背景和意义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。工程背景宁淮高速公路淮安段全长113.011公里，其中有92公里长的路段穿越膨胀土分布地区。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。高含水量膨胀土利用！！！存在的问题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填料碾压质量控制标准；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；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量的差异对土体膨胀变形量的影响。研究内容(1)路堤膨胀土填料改良方法研究(2)石灰改良膨胀土的施工工艺研究(3)改良膨胀土路堤填土施工质量控制标准的确定(4)天然膨胀土路基和改良膨胀土路堤的膨胀变形分析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的灰剂量。膨胀土填料改良试验研究试验成果：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、强度和变形方面的要求。改良膨胀土筑堤施工工艺研究二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碾压质量控制标准灰剂量检测标准碾压质量控制标准问题的提出：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，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50％。碾压质量控制标准研究方法：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工的碾压质量控制标准。室内击实试验图3.1干法击实试验示意图图3.2湿法击实试验示意图室内击实试验根据土料含水量变化过程来看，应属于湿法施工。对于按湿法施工的现场而言，采用干法制定的压实度标准是不是合适呢？室内击实试验室内击实试验马武九标先导段6#和7#取土坑含灰量5%的改良土击实试验成果表取土坑编号6#取土坑7#取土坑干法击实成果湿法击实成果干法击实成果湿法击实成果最大干密度ρdmax(g/cm3)1.6921.6141.7171.648最大干密度差值(g/cm3)0.0780.069差值占湿法击实ρdmax的百分比4.83%4.19%室内击实试验由击实试验成果可知：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3～5%；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3%～5%。试验段序号含水量范围（%）干密度范围（g/cm3）按干法击实结果判断的压实度（%）按湿法击实结果判断的压实度（%）备注第一试验段(K173+600-K173+740)17.5-21.5平均：19.81.269-1.616平均：1.50975.0-95.5平均：89.2合格点百分数：55%78.6-100平均：93.5合格点百分数：85%1段和2段6#取土坑湿法最大干密度ρdmax=1.614g/cm3干法最大干密度ρdmax=1.692g/cm33段和4段7#取土坑湿法最大干密度ρdmax=1.648g/cm3干法最大干密度ρdmax=1.717g/cm3压实度≥90%称为合格。第二试验段(K170+680-K170+840)18.9-22.8*平均：21.21.396-1.552平均：1.46682.5-91.7平均：86.7合格点百分数：10%86.5-96.2平均：90.8合格点百分数：70%第三试验段(K174+020-K174+150)18.7-21.8平均：19.71.475-1.568平均：1.51086.1-91.3平均：88.0合格点百分数：10%89.5-95.2平均：91.6合格点百分数：100%第四试验段(K173+120-K173+300)17.1-20.2平均：18.61.518-1.607平均：1.56488.4-93.5平均：91.1合格点百分数：69.5%92.1-97.5平均：94.9合格点百分数：100%碾压质量控制标准试验结论：填料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；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。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。灰剂量检测标准现行检测方法存在的问题：规范中给出的EDTA滴定法将石灰一次性掺加，灰剂量检测工作在石灰掺加后7d内完成。该试验方法的假设有时与工程实际相差较远。灰剂量检测标准灰剂量测试方法的改进思路：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。灰剂量检测标准以灰剂量为5%的石灰改良土为例，将在不同时间滴定标准试样所消耗的EDTA标准液体积随时间的变化关系线绘在半对数坐标上，获得的改进标准曲线如右图所示。图3.18灰剂量检测标准图3.19灰剂量检测标准两个试验段不同时间灰剂量检测成果试验段桩号二次掺灰后2天二次掺灰后25天二次掺灰后41天测点数(个)含灰量均值(%)测点数(个)含灰量均值(%)测点数(个)含灰量均值(%)原标准改进标准原标准改进标准原标准改进标准K170+680－840105.45.472.45.3111.74.6K173+600－74084.64.6102.14.7131.54.3灰剂量检测标准石灰改良土EDTA消耗量的衰减率随时间变化数据汇总表(韩艳芬，赵蔚东)掺灰后天数(天)统计值481216263037445158灰剂量平均值(%)8.07.96.96.96.65.95.55.75.44.4EDTA衰减率(%)100.097.885.786.381.973.568.871.067.655.0备注：试样EDTA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。类似工程试验资料灰剂量检测标准灰剂量检测标准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技术规范。天然膨胀土路基膨胀变形分析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，分析路基中的水分变化规律；测试施工期膨胀土地基的膨胀变形量；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算方法。天然膨胀土路基膨胀变形分析环境水分变化对膨胀土地基膨胀变形影响很大！天然膨胀土路基膨胀变形分析路基中的水分变化规律测试成果分析：施工期间路堤填土含水量的最大增加幅度为7.1%。在填土施工完成后，填土含水量最大变化幅度为4.1%。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：填土高度统计断面数量隆起变形(mm)左侧中间右侧最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值1.5m814.245.678.0820.671.777.7118.167.206.111.5~2.0m819.1812.4315.5619.450.789.2718.773.4514.542.0~2.5m1314.486.929.3014.071.826.7013.212.027.19典型断面隆起变形统计表天然膨胀土路基膨胀变形分析膨胀土膨胀变形的现有计算方法缺陷：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始水分含量的差异对土体膨胀变形量的影响；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。天然膨胀土路基膨胀变形分析有荷膨胀率试验研究对象：宁淮高速公路K130+030断面地基土。天然膨胀土路基膨胀变形分析有荷膨胀率试验成果(引自李进硕士论文)上覆压力(kPa)直线方程相关系数R2450.967540.974630.992730.919830.9520==-16.24w+3.51ep0=-29.51w+6.36ep0==-21.50w+4.70ep0==-19.04w+4.31ep0==-12.36w+2.71ep天然膨胀土路基膨胀变形分析有荷膨胀率试验成果：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，回归方程为：epawb对于同一种膨胀土，a、b应该是与上覆压力有关的系数天然膨胀土路基膨胀变形分析系数a、b与上覆压力p成线性关系，可以判定系数a、b与上覆压力p成线性关系。可以用下式拟合：1122acpdbcpd111221122()epawbcpdwcpdcpwdwcpd天然膨胀土路基膨胀变形分析设计填筑高度(m)地基膨胀变形量(mm)施工期运行期最低含水量(%)1819201.5结构层施工前(实际高度0.74m)19.74结构层施工后15.228.305.002.141.9结构层施工前(实际高度1.14m)17.97结构层施工后13.447.284.331.822.0结构层施工前(实际高度1.24m)17.53结构层施工后13.017.034.171.742.26结构层施工前(实际高度1.50m)16.39结构层施工后11.885.743.381.392.5结构层施工前(实际高度1.74m)13.75结构层施工后9.693.022.061.21天然膨胀土路基膨胀变形分析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；计算成果与现场膨胀土地基膨胀变形量测试成果较为吻合；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为2.5m。路堤膨胀变形量分析石灰改良膨胀土路堤膨胀变形计算；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。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。路堤膨胀变形量分析改良膨胀土无荷膨胀率压实度90%掺灰5%压实度93%掺灰5%压实度95%掺灰6%压实度95%掺灰8%7天0.06%0.075%0.115%0.145%14天0.04%0.055%0.085%0.08%28天0.015%0.025%0.055%0.045%改良土路堤浸水后膨胀量养护时间7天14天28天浸水后膨胀量（mm）1.260.850.50路堤膨胀变形量分析膨胀土室内有荷膨胀率试验成果(引自张颂南硕士论文)含水量(%)压实度(%)不同竖向压力下的膨胀率膨胀力（kPa）0kPa25kPa50kPa100kPa149012.6%4.6%3.4%1.5%2669313.2%4.9%3.7%1.6%3059516.2%5.3%4.0%1.8%42316905.9%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压实度为95％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初始含水量一定的条件下，压实度为95%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：11lnepapba1，b1为拟合参数，干密度一定的条件下，与初始含水量有关。路堤膨胀变形量分析b1=-1.7425w0+35.43R2=0.9936a1=-0.273w0+5.7112R2=0.999942024681012101214161820初始含水率(%)参数b1参数a1参数b1参数a1初始含水量w0(%)路堤膨胀变形量分析压实度为95%的压实素土的有荷膨胀率与上部荷载和初始含水量的拟合关系式：101202101202()lnlnlnepewfpewfewpfpewf