市政道路項目路基改良紅黏土試驗研究

何宏進

（長沙市湘行交通建設管理有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

紅黏土是一種特殊土壤，裂隙及液限均較高，因具有遇水膨脹、失水收縮的特點，導致穩定性較差，難以用于填土施工，力學性能亦存在不足。為獲取改良紅黏土填筑的相關數據，于某市市政道路施工現場采集土壤樣本，通過系列試驗研究改性紅黏土力學性能受生石灰質量比、含水率的影響情況。根據試驗結果對該市市政道路施工提出有針對性的建議。

1 材料基本物理性能

我國南方地區濕熱多雨，廣泛分布紅黏土，為研究紅黏土作為市政道路路基填筑存在的問題，采集國內南方某市市政道路施工現場的紅黏土樣本，對其物理性能進行測定。表1為試驗測定的物理性能詳細情況，選擇土壤樣本是高液限紅黏土。再者，通過篩分顆粒試驗結果可知，含黏粒量約為52.3%，因此紅黏土的液限較高，表2為采集土壤樣本各礦物質組分情況。開展系列試驗所使用的生石灰粉，有效成分為氧化鎂、氧化鈣，含量分別為4.1%、72.4%[1]。

表1 土樣的基本物理性能

表2 紅黏土的礦物含量

2 室內試驗研究

為實現摻入生石灰改性后的高液限紅黏土的最佳性能，進行了一系列室內試驗，根據試驗變化規律以確定最優的生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

壓實紅黏土的重要參考指標為素土的最大干密度及最佳含水率，實踐中使用此試驗獲取相應數據，圖1為試驗結果。制樣分兩種形式，干法和濕法。

通過干法測定最優含水率為30.6%，最大干密度是1.54g/cm3；通過濕法測定最優含水率為32.1%，最大干密度為1.43g/cm3。對比兩種方法測定結果可知，濕法測定的最優含水率大于干法測定的結果，濕法測定的最大干密度小于干法測定數值[2]。

紅黏土中黏土礦物含量較多，因自然沉降作用，該礦物結合大量水分，使用干法需將土樣置于烘箱中脫水，該過程破壞了土樣的內部結構。相較于干法，濕法則不存在上述問題，土樣的結合水對測定結果不造成影響。

2.2 直剪試驗

根據上述試驗結果，初步確定改良紅黏土施工所需含水量的范圍。工程實踐發現，干法獲取的結果與實際壓實度相比，難以滿足需求，因此以濕法試驗測定結果為準，即含水率為32.1%。設計5 種不同含水率，從小到大分別為28%、30%、32%、34%、36%，按照質量計算分別摻入生石灰粉，摻入量分別為0、4%、8%、12%、16%，然后均勻攪拌制作試樣，準備試驗。

研究紅黏土路基填料強度，進行測試分析，測試儀器選擇ZJ-4 四聯直剪儀，能夠測試50～400kPa 范圍內的應力，因淺層路基應力較小，試驗選擇四種加荷方案，分別為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，嚴格控制剪切速度，實踐中該速率維持在0.8mm/min 左右，表3和表4所示為具體試驗結果[3]。

表3 摻灰量不同和含水率不同影響黏聚力的試驗情況

表4 摻灰量不同和含水率不同影響內摩擦角的試驗情況

分析表3和表4可知，紅黏土中加入生石灰對其影響較大，改善較為顯著。相對初始條件下的紅黏土性能，最大可提升黏聚力17%～42%，初始內摩擦角為35.38o，經改性后提升至37.45o。隨著摻入生石灰量的增加，無論內摩擦角或黏聚力，均相應增加，直至摻入生石灰量達到16%時，內摩擦角、黏聚力顯著下降。綜上可知，摻入生石灰量在0～12%時，摻入量與內摩擦角、黏聚力呈正相關關系，即增加生石灰摻入量，內摩擦角、黏聚力隨之增加，減少生石灰摻入量，黏聚力、內摩擦角隨之降低。

分析表3和表4可知，改良紅黏土的剪切性能亦受到含水率的影響，影響情況與擊實試驗相當。當摻入較少量（4%）的生石灰時，在OMC 附近出現剪切參數（c 和φ）變化的最大峰值，隨著增加生石灰的摻入量，2 個剪切參數變化情況幾乎相同，但最優含水率出現一定的變化，由34%增大至36%。

2.3 CBR 試驗

在路基設計中，加州承載比CBR 值應用更廣泛。國家現行的規范規定，路基填料最小值CBR 值不應低于3%，如CBR 超過8 則各等級均滿足。根據上述試驗結果，分別按照摻入0、4%、8%、12%、16%生石灰制備CBR 試件，靜置4 天后，對試件進行檢測，分別讀取CBR 值，圖2為具體結果。

通過圖2的數據變化情況可知，隨著摻入生石灰數量的不斷增加，能夠顯著改善紅黏土的CBR 值。當摻入8%～12% 的生石灰時，測試試件的飽和土樣CBR 值最高，強度遠超素土強度，高達15.3 倍。這一試驗結果表明，經改性后的紅黏土CBR 值完全符合國家規定的公路路基填筑標準。綜合分析CBR 試驗、直剪試驗，表明在增強紅黏土強度方面，生石灰（量）存在最優值，若想獲取最佳的強度，需嚴格控制摻入的生石灰量，保持在8%～12%之間[4]。

2.4 無側限抗壓強度試驗

紅黏土路基填料經改良后，通過測試其無側限抗壓強度，詳細了解改良情況，明確改良效果，決定是否應用于路基填料施工。為了解生石灰改良紅黏土過程中不同含水量的影響情況，研究了摻入生石灰量12%的情況[5]。

試驗的具體過程如下：其一，通過擊實試驗對最優含水率OMC 環境下的改良土干密度進行測定，獲取干密度數據；其二，使用靜壓成型方法制備圓柱體土樣，壓實度主要有5 種，分別為90%、92%、94%、96%、98%，然后科學養護一周的時間；其三，使用UTM 伺服材料機開展無側限加載試驗，速度控制在1mm/min。圖3為試驗的具體結果和相關情況[6]。

通過上述抗壓強度試驗結果可知，含水率不同、壓實度不同，對應的強度大小亦不相同。試驗發現如下規律：其一，不斷增加壓實度，可以顯著提升改良紅黏土的抗壓強度，其中最大抗壓強度可達1.0MPa，由此可以判定，改良紅黏土的性能受壓實度影響較大；其二，通過含水率與強度變化情況可以得知，紅黏土中摻入12%的生石灰，最優含水率為34%～36%。

3 施工壓實控制的討論

此次試驗為路基填筑做重要支撐，根據試驗結果，得出壓實控制結論如下：

其一，從含水率角度來看，使用紅黏土填筑市政道路路基施工，為了得到最優含水率，可以使用濕法擊實，得出的含水率更具參考意義。

其二，根據改良試驗結果可知，使用生石灰改良紅黏土存在最優含水率，介于OMC+2%～OMC+4%之間。因施工過程中存在水分流失，考慮這一外界影響因素，建議使用改良土填筑路基施工時，最適宜的含水率為OMC+4%，能夠獲得更好的填筑路基質量和效果。

其三，使用生石灰改良紅黏土的相關性能，不能無限增加生石灰摻入量，應嚴格控制摻灰量，經試驗可知，最佳的生石灰摻入量為10%，最大摻入生石灰量不能超過12%，否則會起到反作用。

其四，經探析紅黏土改良后強度變化情況可知，紅黏土改良性能并不隨著生石灰摻入量的增加而無限增強，經過試驗研究發現，高液限紅黏土摻入生石灰量最佳為8%～12%，嚴禁多摻入生石灰[7]。

4 結語

試驗顯示，濕法擊實測定的最大干密度小于干法擊實測定數值，綜合紅黏土實際特性，分析填筑路基施工實際，選擇最優含水率參考值時，建議使用濕法擊實法；使用生石灰改良紅黏土相關性能，最佳的生石灰摻入量為10%，最大摻入生石灰量不能超過12%；根據改良試驗結果可知，使用生石灰改良紅黏土存在最優含水率，介于OMC+2%～OMC+4%之間，因施工過程中存在水分流失，考慮這一外界影響因素，改良土填筑路基施工時，建議適宜的含水率為OMC+4%，對比OMC 條件下碾壓，不僅保證了實際效果，還能提升施工效率。