市政道路路基工程改良紅黏土試驗分析

張志剛

摘要：針對市政道路路基紅黏土改良再利用的工程問題，本研究通過開展一系列室內試驗，根據試驗規律變化以確定最優的石灰摻量和施工含水率，并與素土擊實試驗結果對比，總結出合適的施工控制方法。結果表明：石灰的加入對紅黏土性能有較大的改善作用，生石灰的摻配推薦質量比在10左右且不宜超過12;根據改良的室內試驗結果，最優的施工含水率應該在OMC+2到OMC+4之間，同時考慮施工過程中的水份散失，宜采用OMC+4的含水率進行改良土路基填筑。

關鍵詞：紅粘土;石灰改良;施工含水率;壓實控制

0引言

紅黏土是一種具有高液限和高裂隙的特殊土，其遇水膨脹、失水收縮等典型特性十分不利于填土長期穩定，且其力學性能難以滿足路基施工的要求，通常不能直接用于路基填料。然而，由于特殊氣候和地質條件，我國南方地區廣泛分布著由碳酸類巖石風化、紅土化產生紅黏土，市政道路建設異地取土困難，這就面臨著紅黏土等不良填料改良再利用的工程問題。目前，對于改良紅黏土的研究已取得了許多有意義的成果，一些學者就紅黏土的特殊力學性質和改良機理展開了討論。為了獲得改良紅黏土填筑的壓實控制指標，本文采用湖南省長沙某市政道路工程現場土樣，對石灰質量比和含水率影響的改性紅黏土力學性能開展一系列試驗研究，對比分析擊實含水率與施工含水率的不同，并基于此對現場施工壓實控制提出建議和參考。

1材料基本物理性能

南方地區氣候條件濕熱多雨、紅黏土分布廣泛，為研究實際工程遇到的紅黏土填筑市政道路基問題，本試驗的紅黏土采用的是來自于湖南省長沙某市政道路工程的現場土樣，通過試驗測定其基本物理性能如表1所示，測定土樣為高液限紅黏土。同時，經過顆粒篩分和密度計法，所得顆粒分布試驗結果如圖1，其中黏粒含量約為52.3%，為土樣高液限的主要原因，礦物成分如表2所示。試驗所采用生石灰粉，其有效化學成分CaO和MgO的含量百分數分別為72.4%和4.1%。

2室內試驗研究

路基土的壓實特性是市政道路路基設計中非常重要的性能指標，同時也是直接反映施工質量的控制標準。為實現石灰改性后的高液限紅黏土最佳性能，本研究通過測定一系列室內試驗，根據試驗規律變化以確定最優的石灰摻量和施工含水率，并與素土干法和濕法擊實結果對比，總結出合適的施工控制方法。

2.1擊實試驗

（1）素土的最佳含水率和最大干密度是紅黏土壓實的重要參考，通常采用標準重型擊實試驗獲得相關的擊實曲線，其結果規律見圖2所示，本研究分別采用干法和濕法制樣;

（2）由圖2的結果表明，由干法擊實確定的最佳含水率（OMC）為30.6%，最大干密度（MDD）為1.54g/cm3;

（3）而通過濕法擊實的結果為1.43g/cm3的MMD，對應的OMC為32.1%。通過對比結果可知，干法測定的OMC低于濕法，但其MDD要大于濕法擊實結果;

（4）紅黏土中含有大量的黏土礦物，在自然沉積中這些礦物獲得了大量的結合水，而干法土樣在烘箱中的脫水過程實際上破壞了其原狀土的內部結構，從而使得礦物內結合水散失且過程不可逆，而對于濕法過程則不影響土樣中結合水的保持。

2.2直剪試驗

（1）結合上述素土的擊實試驗結果，可以初步確定改良紅黏土的施工含水率范圍。由于實際工程經驗表明干法擊實的結果往往難以滿足實際壓實度的要求，且施工過程通常采用翻曬后的填料加工并直接用于填筑，因此，本實驗以濕法試驗（OMC=32.1%）作為含水率基準，分別按照28%、30%、32%、34%、36%的含水率，采用濕法拌合成土膏并置于塑料袋中，扎好袋口于陰涼處悶料24小時，然后摻入質量比為0%、4%、8%、12%、16%的生石灰粉，最后拌合均勻后制成試樣。

（2）為了研究紅黏土路基填料的強度，采用ZJ-4四聯直剪儀進行測試，其測試應力范圍為50—400kPa，考慮到淺層路基的實際作用應力，本試驗設置50、100、150、200kPa的加荷方案，剪切速率控制在0.8mm/min左右，所得試驗結果如表3和表4所示。

（3）通過表3和表4的試驗結果發現：石灰的加入對紅黏土性能有較大的改善作用，相同初始含水率條件下改良紅黏土的黏聚力c最大可提升17%—42%，最大內摩擦角max從初始的35.38°增長至37.45°，隨著石灰質量比從0%增加到12%，其黏聚力c和內摩擦角均單調增加，而當石灰摻量達到16%時呈明顯下降趨勢;

（4）通過表3和表4的試驗結果發現：含水率對改良紅黏土的剪切性能影響與擊實試驗相類似，當摻入石灰的質量比較小（4%）時，其剪切參數（c和）變化的最大峰值點在OMC附近，但隨著石灰含量增加，兩個剪切參數的變化趨勢仍基本保持一致，但其最優的含水率從OMC增大到34%—36%。

2.3 CBR試驗

（1）加州承載比CBR值在路基設計中被廣泛采用，其中規范對路基填料規定其最小值不應小于3%，且若CBR值大于8則滿足各等級道路要求。參照擊實試驗和OMC值，分別制備生石灰粉質量比為0%、4%、8%、12%、16%的CBR試件，并經過4d飽和后，測定試件的CBR值，結果如圖3所示。

（2）圖3中的變化趨勢表明，隨著生石灰粉的摻入，對紅黏土的CBR值有明顯的改善效果，當石灰質量比在8%—12%時，其飽和土樣的CBR值達到最大，較素土的強度增加了15.3倍，且其結果完全滿足市政道路基填筑的要求。將直剪試驗和CBR試驗結果綜合分析，生石灰對紅黏土的增強作用存在最優值，最佳的生石灰質量比在8%—12%范圍內。

2.4無側限抗壓強度試驗

（1）無側限抗壓強度是改良土路基填料的重要強度指標之一，為了探究不同含水率對石灰改良紅黏土的影響，本試驗以12%質量比的石灰為例展開研究。

（2）無側限抗壓強度試驗過程：首先通過擊實試驗測定最佳含水率OMC條件下改良土的干密度;

然后采用靜壓成型方法制備分別控制90%、92%、94%、96%和98%壓實度的圓柱體土樣，保濕養生7d;最后采用UTM伺服材料機以1mm/min的速度進行無側限加載試驗，試驗結果見圖4。

（3）從圖4中的抗壓強度結果可以看出，不同的含水率和壓實度對應不同的強度大小變化規律：1）隨著壓實度的增加，改良土的最大抗壓強度可達到1.0MPa左右;2）當壓實度為98%時的強度是90%時土樣的133.33%—139.44%倍，可知壓實度對改良土性能的影響顯著;3）從含水率對強度的變化曲線分析中不難發現，對于12%質量比的石灰改良土，其最優的含水率在34%—36%;4）采用最佳含水率OMC進行紅黏土填料的施工并不能完全發揮石灰改良的效果。

3關于施工壓實控制的討論

將上述試驗結果作為路基填筑的重要依據，可以對得到如下壓實控制結論：

（1）對于含水率，在紅黏土路基填筑時宜采用濕法擊實得到的最佳含水率作為參考設計值，施工含水率為OMC+4%;

（2）根據改良的室內試驗結果，最優的施工含水率應該在OMC+2%到OMC+4%之間，同時考慮施工過程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率進行改良土路基填筑，較采用OMC條件下碾壓，不僅效果更加，且在一定程度上縮減了填土翻曬的工期;

（3）對于摻灰量，生石灰的摻配推薦質量比在10%左右且不宜超過12%。摻入生石灰能顯著改善土樣的CBR值，使其滿足路基填筑的要求;

（4）通過改良土強度的變化規律發現，生石灰對改良土性能的增強效果并不是單調增長的，與擊實試驗相類似，存在最優比例，超過該比例土樣的性能反而減低，本試驗研究的高液限紅黏土在生石灰8%—12%的質量比時性能較佳。

4、結論

（1）干法擊實和濕法擊實獲得的最佳含水率和最大干密度均不相同，采用濕法擊實得到的含水率大于干法擊實，在紅黏土路基填筑時宜采用濕法擊實得到的最佳含水率作為參考設計值;

（2）石灰的加入對紅黏土性能有較大的改善作用，生石灰的摻配推薦質量比在10%左右且不宜超過12%;

（3）根據改良的室內試驗結果，最優的施工含水率應該在OMC+2%到OMC+4%之間，同時考慮施工過程中的水份散失，宜采用OMC+4%的含水率進行改良土路基填筑，較采用OMC條件下碾壓，不僅效果更加，且在一定程度上縮減了填土翻曬的工期。

參考文獻

[1]曾帥，曾長賢，卞友艷，華麗晶，張棟.干濕循環過程中紅黏土改良土路基填料試驗研究[J].鐵道建筑，2020，60（06）：82-84;

[2]張雨昕，白漢營，高宇豪，龔樂宗，馬嘉輝. 納米石墨粉紅黏土強度影響因素敏感性試驗研究[C]. 中國地質學會.2018年全國工程地質學術年會論文集.中國地質學會：《工程地質學報》編輯部，2018：632-639.

[3]馬兵林.高速鐵路軟土路基紅黏土改良試驗研究[J].建筑施工，2020，42（01）：27-29.

[4]胡文華，劉超群，劉中啟等.水泥或石灰改良紅黏土的力學強度特性試驗研究[J].路基工程，2017，（5）：11-14;

[5]王林峰，田耘，曾彪，等.高液限紅黏土的壓實特性與路基填筑方案[J].材料導報，2019，33（10）：75-79;