CN112663590B - 一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法，属于岩土工程领域。该方法包含以下步骤：膨胀土等级划分、柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作、膨胀土边坡的认定及改性修复土的制作、改性修复土的检测、对膨胀土边坡的包边和耕植层及植被层的施工。本发明采用包边方式修复膨胀土边坡，施工简单，显著缩短施工工期，钙基材料显著提高早期强度，改性效果均匀性佳，耐久性好，提高边坡稳定性。

Description

一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法

技术领域

本发明涉及一种柔性复合材料改性包边修复膨胀土边坡的方法，属于岩土工程领域。

背景技术

膨胀土作为一种特殊岩土体，广泛分布于世界各地。由于膨胀土中含有大量蒙脱石、伊利石等亲水矿物，在水分变化条件下，易吸水膨胀、失水皱缩。引起自身性质显著恶化，从而导致工程活动过程中，结构开裂、路基变形、边坡失稳等，给工程项目造成了巨大的经济损失。而膨胀土边坡也由于膨胀土的特性而异于其它边坡，其滑坡灾害有浅层性、牵引性、平缓性、长期性及季节性的特点，这也使得膨胀土边坡更难以治理。

因此，要从根本上治理膨胀土边坡。当前对膨胀土进行大量改良试验，常规的改良方法主要有：夯实法、物理改良法、化学改良法、换土法、生物改良法等，但是大多使用都有一定的局限性，无法从根本对膨胀土进行一定的改性，而化学改性法可以从根本上改善膨胀土的胀缩性，从而改善膨胀土工程性质，是国内外膨胀土工程处理技术中的研究热点。

石灰作为工程上常用的膨胀土改良材料，效果显著且成本低，但是存在耐水性差、孔隙填充效果不佳、早期强度低等缺点，且传统的换填法需要大量非膨胀土，施工工期长，耗费严重，本发明针对上述问题提出一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法，能有效改善边坡膨胀土修复的耐水性差、施工工期长等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性钙基纳米二氧化硅材料包边修复膨胀土边坡的方法，以解决上述修复过程存在的问题，且能显著促进早期反应，提高早期强度，可根据控制配比修复各类膨胀性的膨胀土，耐水性好，成本低廉，改性效果均匀性佳，修复土体的强度高。所使用的包边修复方法操作简单，实用性强，耐久性好。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法，包括以下步骤：

步骤1，按膨胀土的自由膨胀率δ_ef将膨胀土划分为以下等级：

δ_ef＝40％～60％，弱膨胀土；

δ_ef＝60％～90％，中膨胀土；

δ_ef≥90，强膨胀土；

步骤2，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作

步骤2.1，将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时～2小时，然后再放置在80℃～150℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时～1小时；

步骤2.2，将培养后的疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作成柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的质量比如下：

弱膨胀土：1∶8～1∶10；

中膨胀土：1∶6～1∶7；

强膨胀土：1∶4～1∶5；

步骤3，膨胀土边坡的认定及改性修复土的制作

步骤3.1，在疑似膨胀土的边坡场地取边坡土土样，密封保存至实验室，检测该边坡土土样的自由膨胀率δ_ef和蒙脱石质量占比w，当自由膨胀率δ_ef≥40％或蒙脱石质量占比w≥7％时，认定该边坡为膨胀土边坡；

按照步骤1的划分确定该膨胀土的等级，并检测该膨胀土的塑限w_p；

步骤3.2，对步骤3.1确认的膨胀土边坡，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m范围内的表层膨胀土，置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；

步骤3.3，测量步骤3.2所述表层膨胀土的含水率w，并通过补充洒水或晾晒方式控制该表层膨胀土的含水率w为0.97％-1.2％w_p；

将通过以上步骤处理过的表层膨胀土称为表层膨胀干土；

步骤3.4，根据膨胀土等级选择并按照步骤2.2的配比选择柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，将该柔性钙基纳米二氧化硅改性剂拌在步骤3.3所述表层膨胀干土中，拌和均匀后焖料24小时～48小时，焖料期间至少翻拌一次，其中，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的质量为表层膨胀干土质量的7％～8％；

将伴有柔性钙基纳米二氧化硅改性剂并焖料完成的表层膨胀干土记为改性修复土；

步骤4，改性修复土的检测

在步骤3所述改性修复土中取适量改性修复土样，密封保存至实验室，养护14天～28天，检测改性修复土样的无侧限抗压强度q及抗剪强度S，若q≥1.5MPa且S≥500kPa，则改性修复土制作完成；否则，返回步骤3重新进行处理直至满足要求；

步骤5，对膨胀土边坡的包边

将改性修复土沿坡面、由坡底至坡顶回填形成膨胀土边坡的包边层，该包边层在回填过程中分为两层进行压实，每层层厚为0.5m～1m，且压实度均不得低于90％；

步骤6，耕植层及植被层的施工

在包边层上覆盖0.2m～1m厚度的土形成膨胀土边坡的耕植层，压实度为20％～50％，在该耕植层上覆盖植被层。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明采用超声震荡疏水性纳米二氧化硅，有效防止在水中团聚，具有更好的分散作用，极强的反应活性可显著增强体系的早期强度，大大缩短作用时间。

2、本发明适用范围广，适用于不同膨胀性膨胀土边坡修复，工艺简单，取材简单，改性后的膨胀土可直接用于路基工程。

3、本发明通过疏水性纳米二氧化硅的掺入，可降低火山灰材料的使用，减少环境污染。

4、本发明通过在膨胀土表面形成防水层且疏水性纳米二氧化硅对微孔隙的填充作用，有效阻止边坡土水分入渗，减少干湿循环及碳化作用对膨胀土的影响，提高包边土耐水性和耐久性。

5、本发明通过现场改性及包边，施工方便，显著缩短施工工期。

附图说明

图1为本发明实施例中包边修复完成的膨胀土边坡结构剖面图；

图2为本发明实施例中的包边示意图；

图3为本发明实施例中边坡耕植土层及植被层的结构示意图；

图4为包边修复土的无侧限抗压强度与材料配比及养护龄期的关系图；

图5为包边修复土的自由膨胀率与材料配比的关系图。

其中，1边坡膨胀土层，2包边层，3耕植层，4植被层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1本发明实施例中包边修复完成的膨胀土边坡结构剖面图，图2为本发明中的包边示意图，图3为本发明中边坡耕植土层及植被层的结构示意图，由图1、图2、图3可见，包边修复完成的膨胀土边坡由上而下分别为植被层4、耕植层3、包边层2和边坡膨胀土层1，其中包边层2由改性修复土回填构成。

具体的，改性修复土的制作、包边层2的构成见以下实施例。

实施例1，一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法，包括以下步骤：

步骤1，按膨胀土的自由膨胀率δ_ef将膨胀土划分为以下等级：

δ_ef＝40％～60％，弱膨胀土；

δ_ef＝60％～90％，中膨胀土；

δ_ef≥90，强膨胀土。

步骤2，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作

步骤2.1，将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时～2小时，然后再放置在80℃～150℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时～1小时。

在本实施例中，将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时，然后再放置在100℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时。

步骤2.2，将培养后的疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作成柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的质量比如下：

弱膨胀土：1∶8～1∶10；

中膨胀土：1∶6～1∶7；

强膨胀土：1∶4～1∶5。

在本实施例中，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的质量比为1∶8。在制作过程，要充分搅拌至均匀状态。

步骤3，膨胀土边坡的认定及改性修复土的制作

步骤3.1，在疑似膨胀土的边坡场地取边坡土土样，密封保存至实验室，检测该边坡土土样的自由膨胀率δ_ef和蒙脱石质量占比w，当自由膨胀率δ_ef≥40％或蒙脱石质量占比w≥7％时，认定该边坡为膨胀土边坡；

按照步骤1的划分确定该膨胀土的等级，并检测该膨胀土的塑限w_p。

在本实施例中，根据检测结果，该边坡土土样的自由膨胀率δ_ef为50％，认定该边坡为膨胀土边坡、膨胀土的等级为弱膨胀土。检测该膨胀土的塑限w_p，w_p为26.6％。

步骤3.2，对步骤3.1确认的膨胀土边坡，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m范围内的表层膨胀土，置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；

步骤3.3，测量步骤3.2所述表层膨胀土的含水率w，并通过补充洒水或晾晒方式控制该表层膨胀土的含水率w为0.97％-1.2％w_p；

将通过以上步骤处理过的表层膨胀土称为表层膨胀干土。

步骤3.4，根据膨胀土等级选择并按照步骤2.2的配比选择柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，将该柔性钙基纳米二氧化硅改性剂拌在步骤3.3所述表层膨胀干土中，拌和均匀后焖料24小时～48小时，焖料期间至少翻拌一次，其中，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的质量为表层膨胀干土质量的7％～8％；

将伴有柔性钙基纳米二氧化硅改性剂并焖料完成的表层膨胀干土记为改性修复土。

在本实施例中，首先清理边坡表面杂物，翻开膨胀土边坡部分场地中的膨胀土，自上而下挖取深度为1m范围内的表层膨胀土，置于场地附近拌料场，平摊风干，测其干土质量为5吨，粉碎过5mm筛，测得含水率w为22％，补充洒水250kg后制作成表层膨胀干土。然后取350kg的柔性钙基纳米二氧化硅改性剂拌和在表层膨胀干土中，拌和焖料24小时，焖料期间翻拌两次。

步骤4，改性修复土的检测

在步骤3所述改性修复土中取适量改性修复土样，密封保存至实验室，养护14天～28天，检测改性修复土样的无侧限抗压强度q及抗剪强度S，若q≥1.5MPa且S≥500kPa，则改性修复土制作完成；否则，返回步骤3重新进行处理直至满足要求。

在本实施例中，改性修复土样的养护时间为14天，检测结果为：无侧限抗压强度q＝4.4MPa，S＝925KPa，即改性修复土制作完成。

步骤5，对膨胀土边坡的包边

将改性修复土沿坡面、由坡底至坡顶回填形成膨胀土边坡的包边层2，该包边层2在回填过程中分为两层进行压实，每层层厚为0.5m～1m，且压实度均不得低于90％。

在本实施例中，包边层2中每层的层厚为0.5m，且压实度＝95％。

步骤6，耕植层3及植被层4的施工

在包边层2上覆盖0.2m～1m厚度的土形成膨胀土边坡的耕植层3，压实度为20％～50％，在该耕植层3上覆盖植被层4。

在本实施例中，耕植层3层厚为0.5m，压实度为20％，在该耕植层3上覆盖植被层4的草皮。

实施例2，强膨胀土边坡的修复

步骤3，膨胀土边坡的认定及改性修复土的制作

步骤3.1，在本实施例中，根据检测结果，该边坡土土样的自由膨胀率δ_ef为110％，认定该边坡为膨胀土边坡、膨胀土的等级为强膨胀土。检测该膨胀土的塑限w_p，w_p为22％。

步骤3.2，对步骤3.1确认的膨胀土边坡，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m范围内的表层膨胀土，置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；

步骤3.3，测量步骤3.2所述表层膨胀土的含水率w，并通过补充洒水或晾晒方式控制该表层膨胀土的含水率w为0.97％-1.2％w_p；

将通过以上步骤处理过的表层膨胀土称为表层膨胀干土。

步骤3.4，根据膨胀土等级选择并按照步骤2.2的配比选择柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，将该柔性钙基纳米二氧化硅改性剂拌在步骤3.3所述表层膨胀干土中，拌和均匀后焖料24小时～48小时，焖料期间至少翻拌一次，其中，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的质量为表层膨胀干土质量的7％～8％；

将伴有柔性钙基纳米二氧化硅改性剂并焖料完成的表层膨胀干土记为改性修复土。

在本实施例中，首先清理边坡表面杂物，翻开膨胀土边坡部分场地中的膨胀土，自上而下挖取深度为1m范围内的表层膨胀土，置于场地附近拌料场，平摊风干，测其干土质量为10吨，粉碎过5mm筛，测得含水率w为18％，补充洒水400kg后制作成表层膨胀干土。然后取700kg的柔性钙基纳米二氧化硅改性剂拌和在表层膨胀干土中，拌和焖料24小时，焖料期间翻拌两次。在实施例2中，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂中疏水性纳米二氧化硅与石灰的质量比为1∶4。

步骤4，改性修复土的检测

在步骤3所述改性修复土中取适量改性修复土样，密封保存至实验室，养护14天～28天，检测改性修复土样的无侧限抗压强度q及抗剪强度S，若q≥1.5MPa且S≥500kPa，则改性修复土制作完成；否则，返回步骤3重新进行处理直至满足要求。

在本实施例中，改性修复土样的养护时间为28天，无侧限抗压强度q＝3.7MPa，S＝850KPa，即改性修复土制作完成。

步骤5，对膨胀土边坡的包边

将改性修复土沿坡面、由坡底至坡顶回填形成膨胀土边坡的包边层2，该包边层2在回填过程中分为两层进行压实，每层层厚为0.5m～1m，且压实度均不得低于90％。

在本实施例中，包边层2中每层的层厚为0.5m，且压实度＝90％。

步骤6，耕植层3及植被层4的施工

在包边层2上覆盖0.2m～1m厚度的土形成膨胀土边坡的耕植层3，压实度为20％～50％，在该耕植层3上覆盖植被层4。

在本实施例中，耕植土3层层厚为0.5m，压实度为30％，在该耕植层3上覆盖植被层4的草皮。

图4为包边修复土的无侧限抗压强度与材料配比及养护龄期的关系图，由图4可见，疏水性纳米二氧化硅的加入显著提高了膨胀土的早期强度，相比单掺石灰有更高的强度，少量的疏水性纳米二氧化硅的加入在短期内就有很好的强度提升作用。

图5为包边修复土的自由膨胀率与材料配比的关系图。由图可见，包边修复土即改性后的膨胀土自由膨胀率显著减小，膨胀性显著降低，在质量配比为1∶4～1∶8范围内自由膨胀率效果显著，且优于单掺石灰的效果，对膨胀土改性效果更好。

Claims (1)

1.一种柔性钙基材料改性包边修复膨胀土边坡的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按膨胀土的自由膨胀率δ_ef将膨胀土划分为以下等级：

δ_ef＝40％～60％，弱膨胀土；

δ_ef＝60％～90％，中膨胀土；

δ_ef≥90％，强膨胀土；

步骤2，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作

步骤2.1，将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时～2小时，然后再放置在80℃～150℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时～1小时；

步骤2.2，将培养后的疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作成柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的质量比如下：

弱膨胀土：1:8～1:10；

中膨胀土：1:6～1:7；

强膨胀土：1:4～1:5；

步骤3，膨胀土边坡的认定及改性修复土的制作

步骤3.1，在疑似膨胀土的边坡场地取边坡土土样，密封保存至实验室，检测该边坡土土样的自由膨胀率δ_ef和蒙脱石质量占比w，当自由膨胀率δ_ef≥40％或蒙脱石质量占比w≥7％时，认定该边坡为膨胀土边坡；

按照步骤1的划分确定该膨胀土的等级，并检测该膨胀土的塑限w_p；

步骤3.2，对步骤3.1确认的膨胀土边坡，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m范围内的表层膨胀土，置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；

步骤3.3，测量步骤3.2所述表层膨胀土的含水率w，并通过补充洒水或晾晒方式控制该表层膨胀土的含水率w为0.97％-1.2％w_p；

将通过以上步骤处理过的表层膨胀土称为表层膨胀干土；

步骤3.4，根据膨胀土等级选择并按照步骤2.2的配比选择柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，将该柔性钙基纳米二氧化硅改性剂拌在步骤3.3所述表层膨胀干土中，拌和均匀后焖料24小时～48小时，焖料期间至少翻拌一次，其中，柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的质量为表层膨胀干土质量的7％～8％；

将拌有柔性钙基纳米二氧化硅改性剂并焖料完成的表层膨胀干土记为改性修复土；

步骤4，改性修复土的检测

在步骤3所述改性修复土中取适量改性修复土样，密封保存至实验室，养护14天～28天，检测改性修复土样的无侧限抗压强度q及抗剪强度S，若q≥1.5MPa且S≥500kPa，则改性修复土制作完成；否则，返回步骤3重新进行处理直至满足要求；

步骤5，对膨胀土边坡的包边

将改性修复土沿坡面、由坡底至坡顶回填形成膨胀土边坡的包边层，该包边层在回填过程中分为两层进行压实，每层层厚为0.5m～1m，且压实度均不得低于90％；

步骤6，耕植层及植被层的施工

在包边层上覆盖0.2m～1m厚度的土形成膨胀土边坡的耕植层，压实度为20％～50％，在该耕植层上覆盖植被层。

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