巴東組泥巖路基土改良試驗(yàn)研究

巴東組泥巖路基土改良試驗(yàn)研究

1泥巖及風(fēng)化土改良研究宜昌至巴東高速公路經(jīng)過巴東組紫色粘土層，完全風(fēng)化、分解和分解淤泥顆粒，由于化學(xué)風(fēng)化作用較弱，礦化和含量沒有顯著變化，其中石膏和蒙脫石的含量也沒有改變。相反，由于風(fēng)化后巖屑的成土作用，小型粘土物質(zhì)容易積聚，形成具有強(qiáng)烈腫脹和分解性的伊利石和蒙脫石顆粒和聚體的數(shù)量。這是由于它。直接將這些風(fēng)化剝離的巖屑或黏土聚集物用于路基填筑,產(chǎn)生了路面鼓包,翻漿冒泥和路基不均勻沉降、承載力不足等工程問題。但由于路基填料缺乏、節(jié)省工程造價(jià)等原因,路基填筑一般就地取材。因而開展泥巖改良研究十分必要。軟巖作為路基會(huì)產(chǎn)生不良工程地質(zhì)問題,對(duì)此學(xué)者們針對(duì)軟巖開展了大量的改良研究,成果頗豐。石灰、水泥、粉煤灰被廣泛用作改良路基土的材料,改良效果較好。楊和平等還用土水特征曲線分析膨脹土的改良效果。張抒對(duì)花崗巖殘積土崩解特性進(jìn)行了研究。目前對(duì)路基土進(jìn)行改良研究時(shí),評(píng)價(jià)改良效果主要著眼于膨脹性、承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等。而針對(duì)巴東組泥巖風(fēng)化物這類特殊土,改良目的不僅僅要限制其膨脹性,提高路基土強(qiáng)度及承載力,還應(yīng)努力消除其易崩解特性,同時(shí)提高其水穩(wěn)定性。為此開展以石灰、水泥、粉煤灰為改良劑的室內(nèi)改良試驗(yàn)研究,為現(xiàn)場改良路基土填筑施工提供依據(jù)。開展了擊實(shí)、CBR承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、崩解試驗(yàn)、土水特性測試、微觀電鏡掃描等試驗(yàn),從宏觀和微觀角度研究泥巖改良土的工程特性。2試驗(yàn)土樣和改良劑試驗(yàn)用土選自宜巴高速路段的紫紅色泥巖風(fēng)化物,土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。改良劑指標(biāo)見表2~4。3方法和結(jié)果分析3.1改良劑對(duì)土壤溫度的影響根據(jù)規(guī)程對(duì)素土及改良土進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)。過20mm篩,將篩下部分的土分別按照改良配比要求與石灰、粉煤灰混合,攪拌均勻后稱取干料5kg,按照預(yù)定含水率噴水悶料24h。完畢后將改良濕土分5層,每層56擊在重型擊實(shí)儀上進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。對(duì)于水泥改良土,按照配比稱好干土及水泥質(zhì)量,先將干土按照預(yù)定含水率噴水悶料24h后,再與水泥混合攪拌均勻后立即進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),并在1h內(nèi)完成試驗(yàn)。完成素土及改良土擊實(shí)試驗(yàn),得到最大干密度及最優(yōu)含水率見表5~7,繪制擊實(shí)曲線見圖1~3。從擊實(shí)曲線可以看出石灰土、粉煤灰土隨著改良劑摻入量的增加,最優(yōu)含水率逐漸增大,且都大于素土最優(yōu)含水率;最大干密度降低,且都小于素土的最大干密度。這是由于石灰、粉煤灰與水發(fā)生水化反應(yīng),使擊實(shí)土需要更多的水。同時(shí)與土顆粒產(chǎn)生凝聚和絮聚作用,形成顆粒更大的改良土粒,使土的壓實(shí)效果變差,干密度減小。水泥改良土最優(yōu)含水率及最大干密度都隨著水泥摻量增大而降低。3.2膨脹率及cbr試驗(yàn)按照擊實(shí)試驗(yàn)得到素土及改良土的最優(yōu)含水率及最大干密度,制備擊實(shí)試樣。將制備好的試樣安裝在膨脹裝置內(nèi),浸水膨脹4d,測量膨脹率后取出試樣進(jìn)行承載比貫入試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖4~6。完成了素土及改良土的浸水膨脹及CBR試驗(yàn),結(jié)果見表5~7。繪制素土及改良土的浸水膨脹率及CBR承載比值曲線如圖7,8所示。由圖7可知,改良劑能很好地抑制紅土的膨脹特性,并且摻入比越大,耐膨脹性越高。水泥改良土基本不膨脹,石灰摻入比在5%以上抑制膨脹性效果明顯,粉煤灰抑制膨脹效果不及兩者。素土的CBR=7.81%,不符合規(guī)范對(duì)路基承載力的最低要求。改良土的CBR值提高明顯,路基土的承載能力得到了改善。水泥改良土的承載能力隨著水泥摻入比的增大而顯著增大。當(dāng)石灰摻入比較低時(shí),石灰土承載能力隨摻入比增大而提高,摻入比達(dá)到7%以后出現(xiàn)降低現(xiàn)象,說明石灰改良土存在最優(yōu)摻入比。粉煤灰改良土承載能力隨著粉煤灰摻入量增大而增大,但效果都不如前2種改良劑。3.3改良劑加入比根據(jù)規(guī)程制取素土及改良土擊實(shí)試樣,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。得到強(qiáng)度指標(biāo)見表5~7。將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與改良劑摻入比關(guān)系繪制成曲線如圖9所示。素土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不滿足工程強(qiáng)度需求。改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都高于素土的強(qiáng)度。當(dāng)石灰摻入比為7%時(shí)石灰土強(qiáng)度最大,存在最佳配比。水泥土強(qiáng)度隨水泥摻入量增大而提高,改良效果明顯。粉煤灰由于摻入量比較低,只觀察到強(qiáng)度隨摻入量增加而增大的趨勢?？傮w而言,水泥改良土強(qiáng)度增加最明顯,石灰改良效果次之,粉煤灰改良由于摻入量較少,改良的強(qiáng)度效果一般。3.4摻比對(duì)崩解速率的影響為了測試素土及改良土的崩解特性,自制崩解儀,如圖10所示。對(duì)素土及改良土試樣進(jìn)行崩解試驗(yàn),結(jié)果如圖11~14所示。由圖可知,隨著改良劑的摻入,試樣耐崩解性得到提高,改良劑摻量越高,平均崩解速率越慢,耐崩解性越強(qiáng)。試樣在不同崩解時(shí)間段內(nèi)的崩解速度是變化的,試驗(yàn)開始時(shí)崩解速度較快,隨后逐漸減慢。粉煤灰改良土在3min內(nèi)完成崩解,隨著摻比增加,平均崩解速率降低。石灰改良土隨著摻比的增大,耐崩解性得到顯著提高,摻比為9%,11%時(shí),崩解后期試樣已經(jīng)浸水飽和,但由于石灰土具有整體穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),試樣不再解體。摻比3%時(shí)的水泥改良土試樣,8h崩解率只為0.33%,其余摻比試樣浸水10d不崩解,這是因?yàn)樗喔牧纪列纬闪藞?jiān)硬穩(wěn)固的結(jié)構(gòu),耐崩解性極強(qiáng)。水泥改良土耐崩解性優(yōu)于石灰土,石灰土改良效果優(yōu)于粉煤灰土。3.5土水特性曲線為了測試改良土的土水特性,考慮了粒徑對(duì)土水特征曲線的影響,自制大環(huán)刀,環(huán)刀直徑61.8mm,高度50mm,使制備出來的試樣尺寸更大,土水測試結(jié)果更接近工程實(shí)際。制備素土及改良土試樣,抽氣飽和后養(yǎng)護(hù)7d,利用壓力板儀進(jìn)行土水特征曲線測試。試驗(yàn)結(jié)果如圖15~17所示,可以看出改良土土水曲線在素土土水曲線之上,相同壓力下,改良土殘余含水率更大;改良劑摻入比大的土水曲線在摻入比小之上,相同壓力下,摻入比大的試樣殘余含水率更大,持水特性更強(qiáng)。水泥改良土,當(dāng)吸力大于50kPa時(shí),其土水曲線趨于平緩,含水量隨壓力變化較小,接近殘余含水率,摻比增加,試樣的持水能力更強(qiáng),水穩(wěn)定性越好。粉煤灰改良土土水曲線變化斜率小于素土曲線,說明粉煤灰改良土持水能力較強(qiáng)及水穩(wěn)定性增強(qiáng),摻比對(duì)粉煤灰改良土土水曲線影響幅度有限。石灰改良土水穩(wěn)定性及持水能力也得到提高,隨著摻比的增大,越加明顯。3.6土體強(qiáng)度及水穩(wěn)定性利用掃描電鏡對(duì)素土及改良土試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)掃描,分析其改良機(jī)制。圖18顯示素土土顆粒單元大部分呈片狀和扁平狀,局部呈粒狀。以伊利石和蒙脫石為主黏土礦物顆粒形成微聚集體,這些微聚集體之間以面–面、面–邊形式相互作用,形成絮聚狀結(jié)構(gòu)。粒間孔隙分布不均勻。這些特征導(dǎo)致素土試樣整體強(qiáng)度不高,耐崩解性、水穩(wěn)定性差。圖19顯示石灰改良土顆粒之間及表層生成了許多凝膠結(jié)構(gòu)物質(zhì),土顆粒之間的聯(lián)結(jié)類型為膠結(jié)連結(jié),使土顆粒之間的連結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng),土顆粒呈團(tuán)聚結(jié)構(gòu),使土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大。這使石灰土的強(qiáng)度指標(biāo)、耐崩解性及耐膨脹性得到明顯提高,土水特性顯示出更強(qiáng)的持水能力,水穩(wěn)定性。圖20顯示水泥改良土中生成了各種形狀的大塊凝膠,土顆粒被水泥凝膠吸附包裹,同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生了大量纖維狀結(jié)晶,填充于土顆粒中的孔隙中,構(gòu)成了一定的網(wǎng)絡(luò)格架作用,形成了水泥土骨架體。水泥土結(jié)構(gòu)更致密、孔隙更小,這使水泥土強(qiáng)度指標(biāo)提高。抑制了其浸水膨脹及崩解,水穩(wěn)定性極強(qiáng)。粉煤灰改良土機(jī)制主要是粉煤灰對(duì)黏土顆粒產(chǎn)生絮凝或團(tuán)聚作用。從圖21可以看出,土中的小團(tuán)粒變成大的團(tuán)塊,減小了黏粒含量,大量的硅鋁玻璃、微晶礦物顆粒和微粒充填在粒間孔隙內(nèi),使土體結(jié)構(gòu)變得致密。這種結(jié)構(gòu)使粉煤灰改良土的強(qiáng)度指標(biāo)、耐崩解性及水穩(wěn)定性均得到了提高。4改良土方案確定素土及改良土試驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)如表5~7所示。泥巖改良主要為了消除其膨脹性、崩解性、提高水穩(wěn)定性,同時(shí)又能滿足承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等工程需求,最后還要滿足經(jīng)濟(jì)要求。CBR值、脹縮總率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求見規(guī)范。同時(shí)要消除水對(duì)路基土的不利影響,保證路基穩(wěn)定,要求路基土水穩(wěn)定性強(qiáng),耐崩解性好。改良土土水曲線都在素土曲線之上,水穩(wěn)定性都得到提高,相同改良劑不同摻比的土水改良效果根據(jù)曲線上下次序依次利用數(shù)字分級(jí)評(píng)價(jià)。崩解特性用平均崩解速率評(píng)價(jià),崩解速率越低改良效果越好。結(jié)合這5個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)改良效果,最終確定石灰改良土最佳配比為7%,水泥摻比越大越好,考慮經(jīng)濟(jì)性選取配比5%,試驗(yàn)中粉煤灰最佳配比為11%。綜合考慮水泥改良效果最好,但在考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)時(shí)候宜采取石灰及粉煤灰改良劑,粉煤灰改良適當(dāng)增大摻量改良效果會(huì)更佳。5改良基礎(chǔ)材料根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在評(píng)價(jià)紅層泥巖路基土改良效果時(shí),將膨脹性、承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、耐崩解性、土水特性5個(gè)指標(biāo)結(jié)合綜合分析評(píng)價(jià)改良效果,更全面地反映了路基土改良后的工程特性。方法可行、結(jié)果可靠。得到主要結(jié)論如下:(1)試驗(yàn)研究表明,宜巴高速路穿越的巴東組紫紅色泥巖全風(fēng)化紅土工程性質(zhì)不良,不能滿足作為高速公路路基填料的指標(biāo)要求。石灰、水泥、粉煤灰3種改良劑能很好地改良紅層泥巖的不良工程特性,改良效果顯著,改良后可以作為路基填料使用。改良劑不僅消除了泥巖填料的膨脹性,也使其承載比及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)大幅提高,能滿足高速公路設(shè)計(jì)強(qiáng)度需求。同時(shí)也降低了泥巖