生石灰处置过湿粘性土压实性研究

张文思,战高峰,董伟智,朱　福

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院　长春市　130118)

摘　要： 针对吉舒高速公路项目路段中过湿粘性土含水率较大、在填筑路基时难以满足压实要求的问题,结合现场施工的实际情况,通过室内土工试验,对该路段两种经过生石灰处置的过湿粘性土的压实性进行了对比研究。试验结果表明:塑性指数大的粘性土经过生石灰处置后物理性质变化明显,处置后土体的塑性指数与黏粒含量显著下降,施工时允许的含水率上限变高,压实性能改善明显,可以当作路基填料。

关键词： 过湿粘性土；生石灰处置；压实性；室内土工试验

0　引言

路基施工要破坏土体的天然状态,使得土体结构松散,为了使路基保证足够的强度,必须采取压实措施,使得土颗粒间的缝隙减小,密度增加,从而增加土体的稳定性。吉舒高速公路部分路段路基填土含水率较大,压实度很难达到规范要求,在压实的时候可能出现“弹簧”现象。压实度是路基稳定的关键因素,因此对此路段的过湿粘性土必须进行处理才能使用,否则会使道路出现不均匀沉降而引起各种道路病害,严重影响行车安全。石灰具有诸多优点,被广泛应用在道路施工中。在土中掺入适量生石灰,土和生石灰产生一系列的物理化学反应使得土的性质发生变化,会使土的含水率降低,强度和稳定性提升,可塑性增强,更容易压实。主要通过生石灰处置过湿粘性土的室内土工试验,对其压实性进行研究。

1　基本物理性质试验

1.1　实验方法

按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[1]以及《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[2]对土样及石灰掺入比为3%、5%、7%、9%、11%的处置土进行试验：

(1)液塑限试验采用液塑限联合测定法(T0118-2007),第一种土使用76g锥,第二种土使用100g锥；

(2)击实试验采用规程中T0131-2007法使用重型击实,分3层,每层击实27次;

(3)颗粒分析试验采用密度计法(T0115-1993),使用M85型甲种土壤密度计进行试验。

1.2　试验结果

(1)第一种土

素土各项物理指标见表1、表2。

表1　土样基本物理特性指标

液限ωl/%塑限ωp/%塑性指数Ip最佳含水率ω0/%最大干密度ρmax/g/cm333．917．311．414．31．841

表2　土颗粒分析试验结果

粒组>0．075mm0．005～0．075mm<0．005mm所占比例>

生石灰处置土试验结果见图1、图2。

(2)第二种土

图1　界限含水率与石灰掺入比的关系

图2　粉黏粒含量与石灰掺入比的关系

素土各项物理指标见表3、表4。

表3　土样基本物理特性指标

液限ωl/%塑限ωp/%塑性指数Ip最佳含水率ω0/%最大干密度ρmax/g/cm338．421．017．414．81．834

表4　土颗粒分析试验结果

粒组>0．075mm0．005～0．075mm<0．005mm所占比例>

生石灰处置土试验结果见图3、图4。

图3　界限含水率与石灰掺入比的关系

图4　粉黏粒含量与石灰掺入比的关系

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)[3]3.3.5条,第一种粘性土的塑性指数大于10小于17,为粉质粘土,第二种粘性土塑性指数大于17为粘土,同时两种土颗粒都以粉粒黏粒为主。对比两种处置土的液塑限试验数据,第一种处置土的液塑限随掺灰比缓慢增加,塑性指数上下波动,与素土相比变化不大；第二种土的液塑限和塑性指数随着石灰掺入比的增加分别增大和减小,达到5%掺灰比后趋于平缓。再对比颗粒分析试验,随着石灰掺入比的增加,由于石灰的粘结性,土颗粒变大,粉粒和黏粒的含量大体上逐渐减小。粉质粘土的黏粒含量下降幅度较小,在掺灰比7%之前其含量与素土相差不大,甚至在3%时含量比素土还有所增加；粘土的黏粒含量下降幅度很大,当掺灰比超过7%时其含量基本稳定在10%上下。在相同掺灰比下,经过石灰处置的粉质粘土的黏粒含量要大于经过处置的粘土。

2　室内标准击实试验

2.1　试验方法

相关研究表明[4],采用生石灰处置过湿土时,湿土法(先掺水再掺石灰)与干土法(先掺石灰再掺水)标准击实试验相比,湿土法试样制备过程中土体含水率从高到低的变化更符合现场施工的情况。所以试验将采用湿土法,按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[1]T0131-2007方法,使用重型击实,分3层,每层击实27次,依次对掺灰比为0%、3%、5%、7%、9%、11%的生石灰处置土进行标准击实试验。

2.2　试验结果

(1)生石灰处置粉质粘土

试验数据见表5以及图5、图6。

表5　生石灰处置粉质粘土试验结果

石灰掺入比/%0357911最佳含水率/%14．2812．7812．6913．4814．1314．64最大干密度/g/cm31．8411．8571．7941．8041．8131．826

图5　掺灰比与最佳含水率关系图

图6　掺灰比与最大干密度关系图

表6　生石灰处置粘土试验结果

石灰掺入比/%0357911最佳含水率/%14．7514．8215．0915．3515．5115．58最大干密度/g/cm31．8341．7851．7601．7271．7101．699

图7　掺灰比与最佳含水率关系图

图8　掺灰比与最大干密度关系图

(2)生石灰处置粘土

试验数据见表6以及图7、图8。

粉质粘土在掺灰之后,最佳含水率和最大干密度与掺灰比的趋势图都呈现上下波动的状态,而且塑性指数还有粉粒黏粒含量,在7%掺灰比内都和素土相比很接近。过湿粘性土本身因为压实性达不到要求是不能当作路基填土的,而经过石灰处置后其各项试验指标在一定的掺灰比范围内变化都不大,所以石灰的掺入并没有改善此种土的压实性,因此第一种土不适合使用石灰处置。

对于生石灰处置粘土,随着石灰掺量的增加,最佳含水率增加,最大干密度减小,为了进一步验证生石灰对其压实性有改善作用,将处置粘土击实试验中各个掺灰比的击实曲线绘制到一个图中,见图9。

图9　生石灰处置粘土击实曲线

在实际施工中,由于野外的条件限制,无法达到室内击实试验所得到的最大干密度,所以用压实度K来作为路基的压实标准。压实度K是工地实测干密度ρd与室内试验最大干密度ρd max的比值,即K=ρd/ρdmax。由于粉质粘土的击实曲线为单峰型[5],所以每一个干密度都对应着一大一小含水率,那么将干密度带入压实度的公式就可以得出每一个压实度都对应着一大一小的含水率[6],所以在实际施工中只要将土的含水率控制在这一范围内,即可保证路基的压实度符合要求。

可以看出,随着石灰掺入比的增加,击实曲线越来越平缓,曲线越平缓意味着在相同压实度下,掺灰比越高的处置土在施工时所允许的土体含水率范围越大,含水率上限也越高,所以石灰的掺入可以提高施工现场中高含水率土的使用量,减少换填土的使用量,使施工造价得到降低的同时又可以保证压实标准达到要求。因此试验所用粘土从压实性的角度来说是适合用石灰进行处置的,其最佳掺灰比根据液塑限试验趋势图以及击实曲线图并考虑经济的条件下应该在7%左右,当然在实际施工当中还需要结合力学试验来进行判定。

3　试验结果分析

两种土样的粘粒含量和塑性都很高,所以含水率不易降低,土颗粒在压力的作用下很难破碎,导致难以压实。

(1)对于第一种土,其塑性指数较小,为粉质粘土,经过石灰处置后各项指标与素土十分接近,塑性指数没有明显降低。在7%掺灰比内黏粒含量没有快速降低,而且同掺灰比下其含量高于另外一种处置土,黏粒含量越大,土中水吸附在黏粒上形成的水层越薄,土颗粒之间相互作用力不易被外力克服,使得土颗粒很难重新组合,空隙无法变小,空隙中的水和气体的存在抵消了很多击实功,导致这种土难以压实。

(2)第二种土塑性指数较高,为黏性土。掺入石灰后,石灰中的钙离子与土中离子相互交换,改变了土颗粒中离子的电荷状态,使得相互之间的吸引力增加,小颗粒聚集形成大颗粒,使得处置土最大干密度随着掺灰比的增加而减小,粉粒和黏粒大大减小,结构更加稳定。石灰与水的反应使得土中的一部分自由水转化为结合水,同时反应释放的热量也会导致土中水的损失,就需要更多的自由水,来填补土颗粒之间的缝隙,从而起到润滑作用,使土更容易被压实,所以最佳含水率随着石灰掺入比的增加而增加。随着石灰掺量的增加,未被反应的石灰变多,可以消耗更多的水,因此掺灰比越高的处置土在施工时所允许的含水率上限也越高,同时多余的石灰残留在土颗粒缝隙中,影响了其对土的处置作用,使得各项试验数据随掺灰比的增加最后都趋于平缓。

4　结论

通过对两种土样及其生石灰处置土进行的基本物理性质试验和室内标准击实试验得出以下结论：

(1)第一种粘性土塑性指数较低,为粉质粘土,经过石灰处置后各项指标尤其是塑性指数变化不大,在一定掺灰比内黏粒含量依然很大,压实性没有得到改善,因此此种土不适合使用生石灰进行处置。

(2)第二种粘性土为粘土,掺入石灰后,塑限变大,塑性指数以及粉黏粒含量明显降低,可塑性增强,施工时允许的含水率上限变高,压实性得到改善,适合用石灰处置。

参考文献

[1]　中华人民共和国交通部. JTG E40-2007公路土工试验规程[S]. 北京：人民交通出版社,2007.

[2]　中华人民共和国交通部. JTG E40-2007公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S]. 北京：人民交通出版社,2009.

[3]　中华人民共和国建设部. GB 50021-2001岩土工程勘察规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2009.

[4]　张文慧,王保田,张福海. 改良膨胀土筑堤压实度控制标准研究[J]. 河海大学学报(自然科学版),2005,33(2)：198-201.

[5]　王士杰,白永兵,张梅,等. 粉土压实特性初探[J]. 河北农业大学学报,2002,25(4):176-177.

[6]　朱福. 松嫩平原季冻区低路堤石灰土加固机理及应用研究[D]. 长春：吉林大学,2016.

Research on Compaction of Lime Treated Over Wet Clayey Soil

ZHANG Wen-si,ZHAN Gao-feng，DONG Wei-zhi，ZHU Fu

(School of Transportation Science and Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118,China)

Abstract　Aiming at the over wet clay with high water content in Jishu highway project road, difficult to reach the requirements of the problem in subgrade compaction, combined with the actual situation of the construction site, through indoor soil test, the section two after the disposal of the lime compaction of over wet clay was studied. The test results showed that the clay soil with large plasticity index changed obvious physical properties after treated with lime ，after disposal of the lime soil plasticity index and clay content decreased significantly and the allowable upper limit of moisture content during construction becomes high, compaction performance improved significantly, can be used as roadbed filler.

Key words　Over wet clayey soil; Lime treatment; Compaction; Indoor soil test

文章编号： 1673-6052(2018)03-0070-04　　　　　　

DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2018.03.018

中图分类号： U416.1　　　　　　

文献标识码：B

※基金项目：吉林省交通厅项目(2011103)；吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(JJKH20170260KJ)