高速公路石灰改良高液限紅黏土試驗研究

劉 武

(湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

紅黏土是指碳酸鹽巖經特殊的物理化學作用后形成的一類特殊性土體，廣泛分布于我國長江以南地區，尤其在云貴高原、“兩湖”“兩廣”地區較為常見[1]。我國高速公路建設發展越來越快，大量的高速公路需要穿越特殊性紅黏土地區，深入研究紅黏土的性質對工程建設具有重要指導意義。本文結合湖南省祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路路基施工，進行石灰改良紅黏土試驗研究，通過施工石灰改良土試驗路，確定了碾壓遍數、碾壓速度、松鋪厚度、松鋪系數等各項工藝參數，用以指導后續大面積的改良土填筑施工。

1 工程實例

祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路地處衡陽地區，該地區有大面積的紅黏土。室內試驗檢測數據表明，該類紅黏土液限>50%，塑性指數>26。依據《公路路基施工技術規范》(JTG-T 3610-2019)關于路基填筑材料的要求，這類高液限土不得直接作為路堤填料，必須采用技術措施進行處理后才能用于高速公路路基填筑。高液限紅黏土天然含水率高，毛細現象顯著，具有較低的模量與強度和較大的黏性與可塑性，且接觸雨水后能較長時間保持水分，表現出較低的承載力工程特性，不宜作為路堤填料[2]。

經過實地勘察、取土調查發現，該地區附近缺乏優質的路基填筑土源。考慮到經濟效益、環境保護和就近利用土地資源等因素，宜選擇當地紅黏土作為路基填料。不同地區紅黏土的顆粒組成、液塑限、水穩定性等物理特性和化學成分有很大區別，應進行具體的試驗研究和分析加以區別對待。若改良失敗，將導致高速公路在運營過程中存在不均勻沉降、路基軟化塌陷、邊坡垮塌等嚴重質量隱患，從而造成巨額經濟損失。

目前處理高液限紅黏土的措施主要有物理改性、化學改良、包邊法三類。物理改性主要是通過摻加砂礫改善紅黏土的液限、塑性指數以及強度，當粗粒料含量>35%～40%時，可以滿足一般的路基填筑要求。化學改良是指在紅黏土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等外加劑，使之與土壤發生一定的物理化學反應，以改變原狀土的物理力學性能來穩定紅黏土，可有效降低含水率、提高強度，同時又可降低塑性指數，提高水穩性。包邊法是將強度低、水穩性差的高液限紅黏土進行隔水封閉，選擇具有良好水穩性的低液限土作為外包封閉材料[3]。結合祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路路基工程，對紅黏土采取石灰改良措施，研究改良前后的物理性能、強度變化，并通過施工石灰改良紅黏土試驗路對實際應用效果進行檢驗分析。

2 石灰改良土試驗研究

2.1 試驗目的

本次對紅黏土進行了大量的室內試驗研究，包括原狀土的物理性質試驗和強度試驗，通過物理試驗對比分析紅黏土摻石灰前后的液塑限變化和最佳含水率、最大干密度變化；通過改良土的無側限抗壓強度試驗和CBR試驗，對比不同石灰摻比下改良土的7 d無側限抗壓強度和CBR值，確定合理的摻和比[4]。

2.2 原狀土試驗

試驗所用的紅黏土原狀土取自祁東歸陽至常寧蓬塘高速公路K24+700段的取土場。原狀土的物理性能及試驗結果如表1所示。

表1 紅黏土的基本物理性質表

2.3 石灰改良紅黏土試驗研究

目前處理紅黏土的方法主要是化學改良，即在原狀土中摻入一定比例的石灰、水泥等外加劑，拌和均勻后與土壤顆粒充分發生物理化學反應，原狀土的物理力學性能隨之改變，結構變得更加穩定。依據路基施工規范，改良濕黏土宜采用磨細的生石灰粉或者消石灰，石灰顆粒應<20 mm，石灰質量等級不低于三級標準[3]。試驗采用磨細的生石灰粉，質量等級為三級，摻配比例分別為0、3%、5%、7%、9%，進行擊實試驗、界限含水率試驗、7 d無側限抗壓強度試驗及CBR試驗(對應96%的壓實度)，試驗結果如表2所示。

表2 紅黏土及其石灰改良土的液塑限、擊實、強度試驗結果表

2.3.1 擊實試驗

在紅黏土摻入石灰過程中，石灰與土壤顆粒充分發生物理化學反應使得原來的土結構發生改變，微細顆粒的凝絮和絮聚導致原狀土的黏土顆粒形成粒徑較大的粗顆粒，徹底改變了結構的穩定性和壓實性能。如圖1所示，石灰改良土的最佳含水率明顯大于原狀紅黏土，且隨著石灰摻比增大而增大；石灰改良土的最大干密度明顯小于紅黏土的最大干密度，且隨著石灰摻比增大而減小[5]。摻入石灰后，由于土顆粒的凝聚以及石灰與土的水化反應要消耗土中一部分水分，導致改良土的最佳含水率增大，由于石灰的比重小于紅黏土的比重使得改良土的最大干密度減小[6]。

圖1 不同石灰摻比的改良土擊實試驗結果對比曲線圖

2.3.2 液塑限試驗

摻入石灰后，紅黏土顆粒與石灰之間發生離子交換，原來的黏性細顆粒絮聚成團粒結構。如圖2所示，隨著石灰摻比的增加，石灰改良土的液限隨之降低，塑限隨之提高，塑性指數顯著降低。由此可知，高液限紅黏土摻入石灰后，親水性能減弱、水穩定性提高，工程性質得到改善[7]。

2.3.3 無側限抗壓強度試驗及CBR試驗

如圖3所示，隨著紅黏土中石灰摻比增大，改良土的7 d無側限抗壓強度和CBR值呈現增大的趨勢，石灰摻比增大能顯著影響改良土強度。石灰在摻比<7%時主要起到穩定紅黏土的作用，有效降低紅黏土的高液限和塑性指數，使其水穩定性得到改善，強度明顯提高。但是石灰含量>7%時，由于過量的石灰沉積在土壤間隙中不參與反應，7 d無側限抗壓強度提高不再明顯。7%石灰改良土7 d無側限抗壓強度為0.64 MPa，能夠滿足≥0.5 MPa的設計要求，且CBR值滿足高速公路對于路基路床填料的要求，最終確定最佳石灰摻比為7%[7]。

圖2 不同石灰摻比的改良土液塑限對比曲線圖

圖3 不同石灰摻比對改良土7 d無側限抗壓強度影響曲線圖

3 結語

根據室內紅黏土改良試驗研究表明，在紅黏土中摻入石灰后，有效降低了紅黏土的高液限和塑性指數，水穩定性得到改善，密實度和強度得到穩定，工程性質顯著改善。根據無側限抗壓強度試驗結果，石灰最佳摻比為7%，且CBR值滿足高速公路對于路基路床填料的要求，7%石灰改良土可作為高速公路路基路床的填料。考慮到拌和時石灰的損耗，現場施工時石灰的摻量應該比室內試驗確定的最佳摻量適當提高0.5%～1.0%。