淮江高速公路膨脹土填筑路堤的試驗(yàn)研究

1　前言

　　淮江高速公路是國(guó)道主干線同江至三亞、北京至上海的共線段，也是江蘇省“九五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。全長(zhǎng)153km，全線采用路基寬28m，雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)沿線分布有膨脹土。膨脹土中含有較多的粘粒及親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分，是一種遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、堅(jiān)硬而又常有收縮裂隙的高塑性粘土。用這種土來(lái)填筑路堤必須采取防護(hù)措施和填土改性，確保高速公路安全運(yùn)用。

　　由于膨脹土的液限、塑限和塑性指數(shù)較大，壓縮性偏低，在天然含水率的情況下處于較堅(jiān)硬的狀態(tài)，所以易被工程技術(shù)人員忽視，但其對(duì)工程建設(shè)潛在著嚴(yán)重的破壞性，膨脹土路堤易產(chǎn)生溜坍、坍塌、滑坡等嚴(yán)重事故，還會(huì)產(chǎn)生收縮開裂、膨脹、松散、剝落等病害，一旦出現(xiàn)問題，治理難度很大。世界上許多國(guó)家遇到過膨脹土的危害問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)由于膨脹土問題造成的損失，是洪水、風(fēng)和地震所造成的損失總和的兩倍多。我國(guó)有幾條重要鐵路、公路干線也遇到膨脹土引起的工程地質(zhì)問題。目前處理膨脹土的方法主要是化學(xué)改性，如摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈉、氯化鈣或磷酸等來(lái)穩(wěn)定膨脹土，其中加石灰是最普遍和最有效的方法，其摻灰量應(yīng)通過物理力學(xué)性質(zhì)、膨脹性、水穩(wěn)性等試驗(yàn)來(lái)選用最佳配比。因此必須根據(jù)淮江線膨脹土的特性，結(jié)合必要的試驗(yàn)，研究合理的處理方案以及在現(xiàn)場(chǎng)施工的適用性，提出填筑技術(shù)要求。

2　試驗(yàn)項(xiàng)目、方法及成果

　　根據(jù)研究要解決的問題，試驗(yàn)分成三大類，分別為：

　　(1)取土坑土樣試驗(yàn)，用以鑒別土樣的脹縮程度，包括液限、塑限、顆粒大小分析，自由膨脹率，粘土礦物成分分析(x射線衍射試驗(yàn)及差熱分析試驗(yàn))。

　　二個(gè)典型土樣試驗(yàn)成果如表1所示。

淮江高速公路膨脹土取土坑土樣試驗(yàn)成果表???表1

土樣 ? 編號(hào)	主要 粘土 礦物 成分	界限含水率			顆粒分析				自由膨脹率 Fs?(％)	膨脹 土工 程地 質(zhì)分 類
		液限 Wl (％)	塑限 Wp (％)	塑 性 指 數(shù) Ip	0.25 ～ 0.075 mm (％)	0.075 ～ 0.005 mm (％)	＜5 um (％)	＜2 um (％)
1	蒙脫石 伊利石	55 (73)	27	28	2	62	36	27	74	中等 膨脹 土
2	蒙脫石 伊利石	43(55)	20	23	1	62	37	29	65	弱膨 脹土

注：括號(hào)中液限數(shù)值是按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的關(guān)系式計(jì)算的100g圓錐下沉20mm所測(cè)的液限。

　　(2)不同摻灰率壓實(shí)試樣的脹縮性及力學(xué)性試驗(yàn)，用以比較不同石灰含量對(duì)消除膨脹土脹縮性、改良力學(xué)性質(zhì)的效果，包括重型擊實(shí)、膨脹力、無(wú)壓膨脹率、有壓膨脹率、線縮率、收縮界限、收縮系數(shù)、壓縮系數(shù)等，試驗(yàn)成果如表2所示。摻灰率以生石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比計(jì)算。

膨脹土不同摻灰率壓實(shí)及脹縮性試驗(yàn)成果???表2?

土 樣 編 號(hào)	石 灰 含 量 %	齡 期 d	重型擊實(shí) 試驗(yàn)		試 驗(yàn) 干 密 度 pd (g/ cm3 )	膨脹試驗(yàn)
			最大 干密 度 Pd max (g/ cm3)	最 佳 含 水 率 Wop (％)		自 由 膨 脹 率 Fs ％	膨 脹 力 Pe (k Pa)	無(wú) 壓 膨 脹 率 δe (％)	50 kpa 膨 脹 率 ep50 (％)	收 縮 界 限 Ws (％)	收 縮 系 數(shù) Csl
1	0	1	1.82	16.0	1.71	74	480	25	2.9	9.2	0.44
	4	1	1.77	16.0	1.66		12	4.9	1.61	8.6	0.17
		7	1.77	16.0	1.66		1.2	0.14	-1.01	6、7	0.16
		28	1.77	16.0	1.66		0	0.02	-0.125	5.6	0.07
	6	1	1.74	16.0	1.66		5.1	1.81	0.26	10.0	0.09
		7	1.74	16.0	1.66		0.77	0.015	-0.59	6.5	0.12
		28	1.74	16.0	1.66		0	-0.01	-0.10
	8	1	1.79	16.0	1.68		3.72	0.69	-0.32	10.0	0.09
		7	1.79	16.0	1.68		1.24	0.05	-0.29	6.0	0.11
		28	1.79	16.0	1.68		0	0	-0.23
2	0	1	1.87	15.0	1.76	65	106.5	22.1	1.79	9.7	0.42
	6	1	1.81	15.0	1.70		13.6	6.39	0.66	10.0	0.09
		7	1.81	15.0	1.70		0	0.21	-0.17	7.0	0.06
		28	1.81	15.0	1.70		0	0.09	-0.1

　　按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，壓實(shí)脹縮總率不得超過0.7%，1號(hào)和2號(hào)土壓實(shí)試樣分別為2.9%和1.79%，摻石灰齡期7d以上都為負(fù)值，符合此項(xiàng)規(guī)定。

　　(3)施工路段現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，用以鑒別實(shí)際膨脹土路堤的壓實(shí)及改性效果，包括壓實(shí)密度、含水率、摻灰率以及上一類所述的各種脹縮性試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

　　從施工現(xiàn)場(chǎng)選擇5個(gè)不同地點(diǎn)取樣，試驗(yàn)成果如表3所示。

淮江線現(xiàn)場(chǎng)土樣脹縮性試驗(yàn)成果表?????表3

取樣 地點(diǎn)	土樣編號(hào)	壓實(shí) 密度 P (g/cm3)	含水 率 W (％)	壓實(shí) 干密 度Pd (g/cm?3)	膨脹 力 Pe (kpa)	無(wú)壓 膨脹 率Se (％)	收縮 系數(shù) Csl	試樣 含水 率W (％)	收縮 含水 率Wm (％)	50kpa 膨脹 率 ep50 (％)	脹縮 總率 eps (％)
K31+200 左側(cè)	1-2	1．88	22．2	1．54		0．16
	1-4	1．95	22．2	1．63				22．2	23．2	-0.49	-0.49
K31+200 右側(cè)	1-1	1．90	19．7	1．59		0．315
	1-3	1．93	19．7	1．61				19．7	23．2	-0.78	-0.78
	1-5	1．88	19．7	1．57	0
	1-6	1．90	19．7	1．59	0
K31+660 路中	2-1	1．96	19．9	1．63		0．45	0．1
	2-2	2．00	19．9	1．67				19．9	17．2	-1.01	-0.74
	2-3	2．01	19．9	1．68	22．6
K36+600 右側(cè)	2-5	2．02	21．3	1．67		2．63
	2-6	1．96	21．3	1．62			0．1 lang=EN-US style='font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size:12.0pt;font-family: 宋體'>	21．3	17．2	-1.20	-0.79
	2-7	1．96	21．3	1．62	8．67
K36+630?路中	2-9	2．00	23．0	1．63		0．27
	lang=EN-US style='font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size:7.5pt;font-family:宋體'>2-10	1．87	23．0	1．52			0．1	23．0	17．2	-0.71	-0.13
	2-11	2．03	23．0	1．65	23．8

3　結(jié)論與建議

　　(1)試驗(yàn)路段的膨脹土按公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范的工程地質(zhì)分類為中等膨脹土和弱膨脹土，其中弱膨脹土的自由膨脹率已接近中等膨脹土，都應(yīng)改性處理后方可填筑路堤。

　　(2)對(duì)試驗(yàn)路段膨脹土以不同摻石灰率按最佳含水率和94%最大干密度壓實(shí)制樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，摻灰率4%以上，齡期7d以上其脹縮總率和無(wú)側(cè)限抗拉壓強(qiáng)度都已達(dá)到規(guī)范要求，膨脹力和無(wú)壓膨脹率都達(dá)到或接近0，壓縮模量增大到3倍以上，浸水飽和后摻石灰的效果更顯著。但現(xiàn)場(chǎng)施工土塊粉碎、石灰存放、拌和以及壓實(shí)后養(yǎng)護(hù)都達(dá)不到室內(nèi)試驗(yàn)的條件，根據(jù)規(guī)范規(guī)定采用路拌法施工石灰劑量應(yīng)比室內(nèi)試驗(yàn)確定的劑量多1%，因此摻灰率按干土重計(jì)算可取5%。

　　(3)根據(jù)含水率大于最佳含水率3%以不用摻灰率制樣試驗(yàn)，齡期7d以上脹縮總率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都達(dá)到規(guī)范要求。由于施工現(xiàn)場(chǎng)取土坑土料的天然含水率較高，降至最佳含水率的難度較大，根據(jù)路基施工技術(shù)規(guī)范可用接近最佳含水率的中等膨脹土填筑路堤，建議路堤碾壓可比最佳含水率大3%，但不宜再增大。

　　(4)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過的試樣試驗(yàn)，含水率大于最佳含水率3%～7%。2號(hào)取土坑附近含水率比最佳含水率大5%～7%，實(shí)測(cè)摻灰率3.4%，脹縮總率0.24%，雖不超過規(guī)范對(duì)路床要求的0.7%，但未達(dá)到“摻灰處理后的膨脹土脹縮總率接近零為佳”的要求，其膨脹力達(dá)66kpa，50kpa壓力下浸水后仍發(fā)生膨脹。因?yàn)楹蔬^高，摻灰率不足，可能引發(fā)填土收縮變形造成的危害，對(duì)此應(yīng)予重視。

　　(5)淮江高速公路目前尚未全面開工，本次試驗(yàn)僅限于先導(dǎo)試驗(yàn)段，代表性不夠，隨著工程的大規(guī)模展開，今后將繼續(xù)跟蹤試驗(yàn)，為膨脹土填筑路堤改性處理提供更完善的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)將不斷改進(jìn)填筑技術(shù)。