CN109505210A

CN109505210A - 一种高液限土用于路基填筑的改良方法

Info

Publication number: CN109505210A
Application number: CN201910000788.9A
Authority: CN
Inventors: 汪优; 汤明明; 张洪东; 张壮壮
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2019-03-22

Abstract

本发明公开了一种高液限土用于路基填筑的改良方法，该方法采用的固化剂的各组成成分的重量百分比以及其使用范围和方法。本发明中的固化剂以水泥作为主固化材料，石膏和UEA膨胀剂主要作用是生成钙矾石提供膨胀源，填充孔隙，同时引入高价阳离子与软土阳离子交换，使扩散层变薄，从而增加土的强度与稳定性。该发明适用液限在50%~100%的高液限土，并通过一系列步骤确定固化剂掺量比、保证固化剂和高液限土混合料拌和均匀以及控制其压实含水量略高于最佳含水量。本方法的实施解决了高液限土压实度和强度达不到设计规范要求的问题，对于高液限土分布广泛的路段也能就地取土，减少砂石料的适用，有利于保护环境、节约成本。

Description

一种高液限土用于路基填筑的改良方法

技术领域

本发明涉及道路工程中路基填筑材料技术领域，具体涉及一种高液限土用于路基填筑的改良方法。

背景技术

由于湖泊众多，水网密集，高液限土在我国南方分布十分广泛。公路是大型的线状构筑物，一般会跨越不同的地形地貌，沿线将遇到各种高液限土。高液限土一般指的是液限大于50%，塑性指数大于26土。高液限土具有含水量高、容重轻、稳定性差、强度低等不良性质，按常规的施工工艺压实度达不到设计规范要求。

针对高液限土的路基处理，保守的观点是将土废弃，用别处的高质量的土来替代其作为填料。然而，高速公路建设的填方量极大，该方法不仅会导致施工耗资巨大，而且会造成环境的破坏。目前，常用的处理方法是对高液限土进行改良后再回填，很多学者和工程师对高液限土的改良进行了研究，其中被改良土本身的性质以及改良使用的材料的物理性质和化学性质均对改良效果有着重要影响。

Bell（1996）研究了石灰对粘土及其常见矿物成分（高岭土、蒙脱石、石英等）的工程力学性质的改良作用。柳厚祥（2004）采用掺入不同剂量生石灰进行高液限土的改良试验，研究其物理力学性质和强度变化规律，确定了高液限土经掺入6 %的生石灰改良处治后，路用性能良好，可用于高速公路的路基填料。黄新（2007）用普通硅酸盐水泥和一种含铝膨胀组分构成的复合固化剂，选取2 种有代表性的试样，进行软土固化试验研究表明适当的钙矾石生成的固相膨胀作用填充孔隙能增强固化效果。程涛（2012）根据掺水泥和掺砂改良后的CBR 值为20 时分别确定不同分类高液限土的最佳掺灰比例范围，再综合考虑颗粒含量、液限、素土的CBR值确定最佳掺灰比例范围。

上述对高液限软土路基改良的措施一般是选择单掺砂、石灰或者水泥。而单掺某一种材料很难应对各种类高液限土的改良需求，且受河道禁采和环境保护的限制，砂石价格涨幅较大，因此，本发明提出一种新的高液限软土路基的改良方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优越和经济合理高液限软土路基的改良方法，根据试验研制改良材料的掺量配比，并依据被改良的高液限土的细颗粒含量和含水量来调整固化剂的掺量以期达到路基的设计施工要求的同时降低施工成本。

本发明的关键在于一种高液限软土的复合固化剂，其成分以及各重量百分比为：普通硅酸盐水泥75%，石膏20%，UEA膨胀剂5%。

水泥是应用最广泛的无机结合料，也是最长用的土壤固化材料。其固化机理的首先与水发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶状水化物（CSH凝胶），其与土壤中的活性成分反应生成片状、纤维状或针状晶体，互相交错，增进土壤颗粒之间的连接，在土壤中形成稳定的网状结构。

本发明方法以水泥作为主要的改良材料，石膏（CaSO4）和UEA膨胀剂（主要成分为Al2(SO4)3、Al2O3、KAl(SO4)2等多种含铝膨胀源）作为辅料，其中石膏和UEA膨胀剂的作用是使其在固化过程中产生适量的钙矾石（3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O）。钙矾石含32个结晶水，其形成过程中体积膨胀120%左右，利用其吸水以及体积膨胀的性质填充孔隙，使改良土的结构密实，并与CSH一起形成独特的空间网络和受力骨架。其化学反应式为：

3CaO·Al2O3·mH2O + CaSO4 +(32 -m)H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 。

利用高液限软土自身的电化学性质，引入高价的阳离子与软土胶体阳离子交换。软土胶体微粒通常具有双电层，粘土颗粒的表明带负电，围绕土粒形成电场，土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子均被吸附在土粒表面。在最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面形成固定层。在固定层外围，静电引力较小，因此水化离子和极性水分子的活动性比在固定层中大些，形成扩散层。水溶液中的阳离子的原子价位越高，它与土粒之间的静电引力愈强，平衡土粒表面负电荷所需阳离子或水化离子的数量愈少，则扩散层厚度愈薄。本发明利用这一原理，引入高价阳离子，使扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定性。软土中一些常见阳离子的交换能力顺序如下：

Fe³⁺ ＞Al³⁺ ＞H⁺ ＞Ba²⁺ ＞Sr²⁺＞Ca²⁺ ＞Mg²⁺ ＞Cs⁺ ＞Rb⁺ ＞HN⁴⁺ ＞Na⁺ ＞Li⁺。

本发明的适用范围为液限50%~100%的高液限土。

本发明通过以下技术方案来实现，一种高液限土用于路基填筑的改良方法，包括以下步骤：

（1）室内试验：取原状土样测量其基本物理性质，主要包括液塑限、颗粒级配、最大干密度和最优含水量；

（2）试配：根据其液限大小确定其掺量比（固化剂的质量/干土的质量），一般液限在50%~70%，其掺量比在3%~5%，液限在70%~100%，其掺量在5%~10%。当液限超过100%时，此方法不再经济适用，可以选择掺砂改良或者弃方；

（3）清表：对预填筑路基基地进行清理，洒水湿润；

（4）测量放样：按设计图纸放出中桩和边桩，对中桩进行二次放样工作，以取得准确的平面位置，然后把中线桩位引到路肩两侧路槽边缘线外1m，以辅助控制中心桩位；

（5）划分网格：按掺量比和卸料的纵横间距，在填土表面划出网格。一般取100m路段为1个分段摊铺区；

（6）上土准备：高液限填土松铺厚度应在30cm以内，其天然含水量不应超过最优含水量10%；

（7）拌和整平：按掺量比计算每方格所需的固化剂，按格卸料。将铺好的填土和固化剂采用拌和机械翻拌两遍，使高液限土粒径大小降至1.5cm一下，且基本均匀。拌和机应匀速、平稳行走，拌和到灰土颜色一致，无灰条、灰斑为止。对于边角部位处，拌合机施工不到处，应采用旋耕机配合施工，死角处人工配合施工，同时应注意各路段之间的搭接宽度不少于30cm。压实时混合料的含水量应略高于最佳含水量，若其含水量在处理后仍难降低至略高于最佳含水量，也可进行碾压，但其压实含水量与最佳含水量只差不应超过6%。若混合料的含水量不足，应用喷管式洒水车补充洒水，使其含水量略大于最佳含水量；

（8）碾压：使各部分碾压到的次数尽量相同，路堤的两侧应多压2~3遍。，前两遍碾压速度以采用1.5~1.7km/h为宜，以后宜采用2.0~2.5km/h。直线和不设超高的平曲线段，由两侧路肩向路中碾时，应重叠1/2轮宽，后轮必须超过两处理段的交接处，新填筑路段一般需碾压6~8遍。严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上调头或急刹车，以保证碾压过的土层表面不受破坏。碾压过程中，混合料的表面应始终保持湿润，如水分蒸发过快，应及时补撒少量的水，但严禁在过湿状态下碾压。碾压过程中，如有“弹簧”、松散、起皮等现象，应及时翻开重新拌和或用其它方法处理，使其达到碾压要求。高液限土混合料，宜在灰料凝结前，即在试验路段确定的延迟时间内完成碾压，并达到要求的压实度，同时没有明显的轮迹。在碾压结束之前，必须将局部高出部分刮除并扫出路堤外；

（9）验收：该方法改良高液限填土的质量控制检测主要是压实度、压实含水量和强度的检测。检测频率每层沿路基纵向100m不少于6个点。

附图说明

下面通过附图对本发明做出直观的说明，图1为本发明方法的施工流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种高液限土用于路基填筑的改良方法，为了使本发明方法的目的、技术方案和效果更加清楚明确，以下结合具体实施案例对本发明进一步详细说明。应当了解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，不用于限定本发明。

以下实施案例的土壤选用长沙市望城地区的高液限土，其性能指标依据规范《公路土工试验规程》得出，详见表1：

表1 各土样基本物理性质

该实例目标是在最佳含水量和95%的压实度下，掺入不同比例的固化剂，分别测量其CBR值和无侧限抗压强度。值得一提的是，目前公路工程路基的设计控制指标主要是CBR值，施工质量控制主要指标是压实含水量和压实度，但以水泥为主要材料的固化剂其效果随着时间的增加而增强，所以本实例除测量其CBR值外，再测量其养护7天和28天的无侧限抗压强度，以充分证明其改良的效果。

实例

取编号1土样，分别添加3%和5%的复合固化剂，其CBR值与7D和28D无侧限抗压强度如表2所示：

表2 土样1的CBR和强度值

取编号2土样，分别添加3%和5%的复合固化剂，其CBR值与7D和28D无侧限抗压强度如表3所示：

表3 土样2的CBR和强度值

取编号3土样，分别添加6%和8%的复合固化剂，其CBR值与7D和28D无侧限抗压强度如表3所示：

表4 土样3的CBR和强度值

Claims

1.一种高液限土用于路基填筑的改良方法，其特征在于，该方法采用的固化剂的各组成成的重量百分比（水泥75%，石膏20%，UEA膨胀剂5%）以及其使用范围和方法。

2.根据权利要求1所述的用于高液限土路基填筑的固化剂，其特征在于以水泥作为主固化材料，石膏和UEA膨胀剂的主要作用是生成钙矾石提供膨胀源，填充孔隙，并引入高价阳离子与软土阳离子交换，使扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定性。

3.根据权利要求1所述的用于高液限土路基填筑的固化剂使用范围，其特征在于液限在50%~100%的土，对于液限超过100%的土本方法不再经济适用。

4.根据权利要求1所述的用于高液限土路基填筑的固化剂使用方法，其特征在于选择固化剂掺量比、保证固化剂和高液限土混合料拌和均匀以及控制其压实含水量。

5.根据权利要求4所述的固化剂掺量比的选择，其特征在于一般液限在50%~70%，其掺量比在3%~5%，液限在70%~100%，其掺量在5%~10%。

6.根据权利要求4所述的保证固化剂和高液限土混合料拌和均匀，其特征在于拌和前先划分网格，保证松铺厚度不超过30m，采用拌合机多次拌和，死角处采用人工拌和，最终至灰土颜色一致为止。

7.根据权利要求4所述的控制压实含水量，其特征在于控制压实含水量与最佳含水量只差不超过6%。