广东云浮高液限土路堤填料改良方案试验研究

公路交通技术2010年4月第2期TechnologyofHighwayandTranspo~Apr．2010No．2广东云浮高液限土路堤填料改良方案试验研究朱冬梅，邓百洪，洪宝宁，一，康良桢(1．广东长大公路工程有限公司，广州510620；2．河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京210098；3．河海大学岩土工程科学研究所，南京210098)摘要：对广梧高速公路高液限土进行室内试验研究，对比分析改良前后土体含水率、CBR值、压缩性和无侧限抗压强度物理力学性质，并结合改良方案的技术适用性和经济适用性，重点研究高液限土改良方案影响因素和改良方案的选择。结合理论分析和层次分析，得出最优改良方案为掺5％生石灰改良，研究结果对本地区高液限土改良具有参考意义，并可为类似工程提供借鉴。关键词：高液限土；性质；改良；方案文章编号：1009—6477(2010)02—0005—06中图分类号：U416．F2文献标识码：ATestandStudyonFillingImprovementProgramsforGuangdongYunfuHighLiquidLimitSoiIEmbankmentZHUDongmei，DENGBaihong，HONGBaoning~3KANGLiangzhenAbstract：ThispaperperformsindoortestandresearchonhighliquidlimitsoilonGuangwuExpressway，comparesandanalyzesthephysicalandmechanicalpropertiessuchassoilwatercontent，CBRvalue，compressibilityandnosidelimitcompressivestrengthbeforeandagerimprovement．Incombinationwithtechnicalandeconomicpracticalitiesofimprovementprograms，thepaperhighlightsthestudyonthein—fluencingfactorsandchoiceofhilghliquidlimitsoilimprovementprograms．Basedontheoreticalandhi-erarchicalanalysisthepaperobtainstheoptimizedimprovementprogrambymixinginto5％quicklime．Thestudyresultinthispaperexhibitsthereferencemeaningforimprovementofhighliquidlimitsoilinlocalregion，andcanprovideanexampleforsimilarprojects．Keywords：highliquidlimitsoil；property；improvement；program高液限土作为路堤填料或路堑土，从公路路基良处治方法。本研究课题按照最不利原则，选取该的强度和稳定性考虑是一种不良土质【l】，其工程处地区高液限土进行改良试验，研究得出了合格的路理措施尚处于探索研究阶段。广东广梧高速公堤填料，具有重要的理论意义和显著的应用价值。路云浮至梧州段，线路穿行于山岭重丘地区，沿线广泛分布着大量的高液限土，根据设计部门资料初1高液限土基本物理力学特性步统计，全线高液限土挖填土方量高达150多万选取广梧高速公路典型路段地下2m处高液In。由于该路沿线高液限土呈区域性分布，公路沿限土进行室内常规试验，试验结果见表1。由表1线附近很难找到符合填筑的土源，路堤填料短缺成可知，广梧高速公路所分布高液限土具有高天然含为当前该路修建面临和必须解决的问题。若对高液水率、高液限、高塑性指数、水稳性差、渗透性小限土弃方处理，势必增加工程造价，而且污染和破等特征。该土体在较低含水率时过于坚硬，用于填坏公路周边环境；另外，高液限土种类繁多，成因筑路堤时难以破碎和碾压；在较高含水率下填筑各异，力学性质复杂多样嘲，很难有统一标准的改时，含水率很难降低到最优含水率附近，压实效果表1高液限土常规试验结果收稿日期：2009—12—22作者简介：朱冬梅(1969一)，男，广东省韶关市人，本科，工程师 6公路交通技术2010．年较差。灰改良土含水率均随着掺灰率增大而减小。从生石灰改良土的含水率与时间关系看，土体含水率并不2高液限土改良材料的基本性质总是随着时间增长而降低，而是存在一个最佳值。云浮为广东省主要的石材产地，盛产砂、石当时间超过最佳值时，土体含水率将有所回升，本灰、水泥等建筑原料，而且西江横穿该地区，运输文试验得到的时间最佳值为72h左右。熟石灰对方便。采用改良材料对高液限土进行改良，提出相降低含水率的效果明显不如生石灰。如掺灰率为应的措施，不仅节约工程造价，也可加快公路建设12的步伐。试验所用材料砂、石灰、水泥的基本性质lO见表2～4283高液限土改良方案选择和影响因素分析＼料26由高液限土基本性质可知，高液限土作为路堤如填料需要解决以下几方面问题：首先，高天然含水24率、高液限和高塑性指数问题；其次，低强度、高22压缩性和低渗透性问题；其三，高液限土细颗粒含20量过多，颗粒级配差的问题；最后，水稳定性和压o2468lOl2l4l6182O实性能不佳的问题。可见，高液限土改良方案的选掺灰率／％取，要以解决这几个问题为主。在满足技术适用性图1掺生石灰含水率与掺灰率关系的前提下，再综合考虑经济适用性。333．1技术适用性分析3231按最不利原则选择某断面高液限土作为改良试3O验土料，试验过程中试样制作、养护及试验过程严格按照规程]进行。耘273．1．1理论可行性26251)改善含水率。o48121620242832根据试验结果绘制生、熟石灰改良土的含水率掺灰率／％与掺灰率关系曲线，见图1、图2。由图可知，石图2掺熟石灰含水率与掺灰率关系表2试验用砂各粒组含量表3石灰基本指标测定结果表4试验使用的水泥性质测定结果 2010年第2期朱冬梅，等：广东云浮高液限土路堤填料改良方案试验研究75％uq，生石灰改良土72h后土体含水率可以降低9％以上；而熟石灰改良土含水率降低仅为2．7％。所以，就降低高液限土含水率而言，生石灰的效果远比熟石灰要好。根据试验结果绘制水泥改良土和砂改良土含水率与掺料率变化曲线，见图3、图4。由图可知，改良土土体含水率随着掺料率增加而降低，但降低掺料率／％土体含水率的效果不明显。当水泥掺灰率为10％注：1．为便于比较，水泥+砂的比例为：(1％+时，含水率降低5．5％；当掺砂率为lo％H~，土体l0％)、(1．5％+l5％)、(2％+20％)、(3％+3O％)，对应于图中横坐标1％、2％、3％、4％；2．图中含水率仅降低3．9％，掺砂对降低高液限土体含水曲线从左往右依次是：水泥+砂、水泥、生石率效果同样不好。在相同掺料率情况下，掺砂对降灰、熟石灰、砂改良土。低含水率的效果还不如掺水泥的情况。但由于掺砂图5CBR值与掺料率的关系曲线率一般比较大，而且随着土体含砂量增大，土体渗CBR值要大。透性提高，有利于水分排出。因此，对降低高液限掺水泥对增大CBR值的效果显著，水泥改良土含水率而言，掺砂的效果要比掺水泥好。土CBR值随着水泥掺灰率增大呈直线上升。掺砂32—∞u对增大CBR值的效果并不是十分明显，掺砂率为3l∞∞∞加mO10％时，改良土的CBR值为8．8％，已经能满足高30褂29速公路路堤对填料的要求；但是当掺砂率为30％28札时，CBR值也仅为12．8％，说明随着掺砂率的增27大，土体的CBR值增幅很小。而随着水泥与砂掺2625料增加，CBR值随之呈线性比例增大，当水泥与048l2l620242832砂混合料掺料率为(1+10)％时，CBR值已经达到掺灰率／％11．0％，相比素土增大了约3倍，已经能满足路堤图3掺水泥含水率与掺灰率关系顶层填料CBR强度要求。随着水泥和砂掺量增32多，CBR值呈线性增长。当水泥与砂掺料率为3l(3+30)％时，CBR值已经达到45．4％，改良土30CBR强度得到大幅度提升。甜29283．1．2压缩性扣、27在素土状态下，土体压缩系数a：0．55MPa一，26压缩性较高，属于高压缩性土层，是造成路基开25048l21620242832裂、下沉、翻浆、冒泥等病害的重要原因之一。图掺砂率／％6为改良土压缩系数与掺料率的关系。从图中可看图4掺砂含水率与掺砂率关系出，当在高液限土中加入一定量的生石灰、熟石2)CBR值灰、水泥、砂及水泥与砂混合料后，压缩系数呈明根据试验结果绘制CBR值与掺料率的关系曲线，见图5。图5直观地反映了生石灰与熟石灰2种改良土的CBR值随掺灰率变化的情况：掺灰率塞～为3％时，2种改良土的CBR值相差无几；但掺灰理骚率超过3％后，生石灰改良土的CBR值仍随着掺灰垛率的增大而明显增大，而熟石灰改良土CBR值与幽掺灰率的曲线变得很平缓，随着掺灰率增大，CBR值并没有明显提升。所以，在相同的掺灰率条件掺料率，％下，生石灰改良土CBR值明显比熟石灰改良土图6改良土压缩系数与掺料率的关系曲线 8公路交通技术2010血显下降趋势。经掺料改良后，土体由高压缩性土变为中压缩性土，改良土压缩性降低，刚度增加，利∞毫于路基稳定。、憩3．1．3无侧限抗压强度根据试验结果绘制2种石灰改良土无侧限强度醛屋与掺灰率的关系曲线，见图7。由图可知，素土的无侧限抗压强度为0．05MPa，当掺灰率为3％时，生石灰改良土的7d无侧限抗压强度为0．33MPa，掺砂率，％熟石灰改良土7d无侧限抗压强度为0．37MPa；养图8无侧限抗压强度与砂掺料率的关系曲线护28d以后，生石灰、熟石灰改良土无侧限强度分别达到0．67和0．63MPa。结果表明，石灰改良土强度增长受龄期和养护环境影响很大。土中掺入石灰后，石灰土因吸收大量水分后强度增长较慢，＼随着时间推移，随着石灰水化作用进行，石灰土可以达到较高的强度。从生石灰改良土和熟石灰改良醛土无侧限抗压强度的对比看，熟石灰改良土早期强暮如∞如加m∞∞6l4121Ol8O60402OO度比生石灰改良土稍大，但经过较长时间反应后，生石灰改良土强度得到较大的增长。从相同掺灰率O1122334条件下28d的无侧限抗压强度看，生石灰改良土掺灰率／％比熟石灰改良土稍大。说明掺熟石灰改良时，土体图9无侧限抗压强度与水泥掺灰率的关系曲线可以达到较高的早期强度，但就总强度而言，生石土而言，随着掺灰率增大，无侧限抗压强度也相应灰改良土的效果要比熟石灰改良土好。递增。从水泥改良土7d和28d无侧限抗压强度对比来看，7d无侧限抗压强度已经达到28d抗压强度的60％左右。塞＼根据试验结果绘制无侧限抗压强度与水泥和砂骥掺料率的关系曲线，见图l0。由图可知，随着水泥和砂掺料率增大，无侧限抗压强度与之呈正相关性增大；当掺料率为(1．5+15)％时，7d抗压强度为0．73MPa，28d无侧限抗压强度已达到0．91MPa，无侧限抗压强度增幅比较大，而在其后曲线掺灰率／％明显变缓，即强度增幅减小。7d抗压强度曲线和图7无侧限抗压强度与石灰掺灰率的关系曲线根据试验结果绘制砂改良土和水泥改良土无侧限抗压强度与掺灰率的关系曲线，见图8、图9。由图可知，随着掺砂率增大，无侧限抗压强度值先增后减。当掺砂率为15％时，素土无侧限抗压强度值由0．05MPa增大为0．46MPa；但掺砂率为20％1~，无侧限抗压强度降低为0．40MPa；当掺砂率为30％时，无侧限抗压强度降低到0．31MPa。出现这种现象的主要原因可能是由于砂粒掺人且掺掺料率／％量较少时，砂粒在土体中起骨架支撑作用，使土体注：图中横坐标1、2、3、4分别对应于水泥+砂的比例(1％+强度和稳定性提高；但随着土中砂粒增多，土体问10％)、(1．5％+15％)、(2％+20％)、(3％+3O％)。粘结作用降低，土体抗压能力下降。对于水泥改良图10无侧限抗压强度跟水泥与砂掺料率的关系曲线 2010年第2期朱冬梅，等：广东云浮高液限土路堤填料改良方案试验研究95o0O0H028d抗压强度曲线均表现出相同的规律。由此可450【xx)以看出，(1．5+15)％水泥与砂混合料为较关键的40oooO3500o0掺料率。3o00(x】3．2实际可操作性250000从石灰改良土方面看，施工工艺较成熟，石灰耄2~000150o(M】密度较小，单位质量内石灰的体积较大。所以，拌1oooo05OOo0和施工较为容易，一般拌和2遍，石灰土已经较为O均匀。熟石灰是生石灰消解后的产物，相对于生石掺料翠／％灰改良土而言，减少了闷灰消解的过程。石灰改良图1l改良土工程费用分析土施工中，熟石灰改良土可操作性较好。从水泥改良土方面看，水泥改良土的掺灰率一广，需考虑的因素很多。为了便于比较，本文仅在般较小，加上水泥密度较大，单位质量水泥的体积相同地质条件及环境条件下分析高液限土改良费很小，在水泥土拌和过程中难以保证其均匀性。在用，最大干密度和最优含水率取值按击实试验所得以往水泥土现场施工中，拌和4遍仍可见素土带，结果，压实度按93％计算。图11为生石灰、熟石水泥土的可操作性较差。灰、水泥及砂改良土每施工100m所需费用分析从砂改良土方面看，高液限土含水率较高，细图，其中不包括施工费、技术设备费、计划利润及颗粒含量较大，平时一般呈快状，而砂为相对较大税金等。从对水泥改良土和砂改良土的经济适用性的粗颗粒，在拌和过程中砂粒下沉，随着拌和遍数分析看，2种费用均较低。经过计算，采用水泥与增多，这种现象愈明显。所以，掺砂改良土很难拌砂改良的方案，当水泥与砂混合料的掺料率为和均匀，施工可操作性差。(1．5+15)％时，100m路段总费用为115375元：从理论可行性分析看，水泥与砂改良土的效当水泥与砂混合料的掺料率为(2+20)％和(3+3O)％果较好。但是，对砂改良土和水泥改良土可操作时，费用相应增加了30％和83％，也具有较好的性进行分析可知，水泥改良土和砂改良土的可操经济适用性。作性很差。水泥与砂改良土增加了2次掺料过程，相对于单独掺水泥与掺砂更增大了施工难度。所4方案选择定量分析以，从可操作性角度看，水泥与砂改良土的可操由3．1节分析可知，掺砂20％、掺水泥2％、作性最差。掺水泥与砂(1．5+l5)％、掺熟石灰5％和掺生石灰3．3经济适用性5％均能有较好的改良效果。采用层次分析法0]分高液限土改良方案的经济适用性分析涉及面很析改良方案，分别计算其权重，结果如下：0．0790．0940．3580．4610．17l0．1220．0790．0940．265O．1870．1320．609W组0．3620．0520．2270．1730．1330．1880．0830．3510．080O．1080．2480．0810．3960．4090．0700．0720．3l6由上式可知，掺砂20％、掺水泥2％、掺水泥最优改良方案(即掺5％生石灰)确定后，按照与砂(1．5+15)％、掺熟石灰5％和掺生石灰5％对应最优改良方案在广梧高速公路LK132十470～的权重分别为0．171、0．132、0．133、0．248和LK132+520高液限粉土段和K2+746～K2+8000．316，掺5％生石灰为最优改良方案。因此，最终高液限粘土段进行了试验路现场填筑⋯]。从最终压选择掺5％生石灰并将其作为最优改良方案进行试实度检测结果(表5)可见，试验路压实度都能达到验路现场填筑试验。93％的标准，掺5％生石灰改良效果较好。5试验路效果评价6结论 10公路交通技术2010丘表5掺灰改良高液限土压实度检测结果通过对广梧高速公路高液限土的室内试验研参考文献究，对比分析了改良前后土体含水率、CBR值、【1]刘涌江，邓卫东，杨青，严秋荣．高速公路路堤稳定性与压缩性和无侧限抗压强度物理力学性质，重点沉降变形规律研究公路交通技术，2005，10(5)：16-20．研究了高液限土改良方案影响因素和改良方案f2】张国炳，余概宁．高液限土的改良技术研究IJ1．公路交的选择。基于试验研究理论分析，得出以下结通科技，2005，22(11)：75—78．论：[3】黄灿森．高液限土的特性分析及其处治方法【JJ．公路交】)根据试验分析，5％生石灰改良土，5％熟通科技，2008(3)：64—67．石灰改良土、20％砂改良土、2％水泥改良土和[4】满玉，西丙辰．高液限土在路堤填筑中的改良应用fJ]．(1．5+l5)％水泥与砂改良土在技术上都能够满足黑龙江交通科技，2008(2)：18—19．高速公路路堤填料要求。【51聂成友．高液限土在宁道高速公路中的应用fJ1．石家庄2)就改良方案的实际可操作性而言，熟石灰铁路职业技术学院学报，2009，8(2)：39—42．【61交通部公路科学研究所．JTJ051—93公路土工试验改良土最好，生石灰改良土次之。水泥改良土和砂规程【s]．北京：人民交通出版社，1993．改良土的可操作性均不好，水泥与砂改良土的可操【7】交通部公路科学研究所．JrrJ057—94公路工程无机结作性最差。合料稳定材料试验规程北京：人民交通出版社，1994．3)掺砂和掺水泥改良经济性效果较好，采用【81宣家骥．多目标决策【M1．长沙：湖南科学技术出版社，1993．石灰改良费用较高。[91刘文龙，等．经济决策分析[Ml北京：军事谊文出版社，1993．4)经层次分析法分析及现场试验路填筑验证，【10】刘焕成，等．层次分析法一一种简易的新决策方法【M】．确定掺5％生石灰为最优改良方案，改良效果较北京：北京师范大学出版社，1986．好，可以应用于广梧高速公路云浮至梧州段路堤填【11】曹文．浅谈高液限粉(粘)土的施工『J1．机械化施工，筑，并可在类似工程中推广应用。2003(2)：49—51．