石灰改良黏性土在洛湛铁路路基中的应用

2022-12-29

在我国, 很多地区广泛分布D类的黏性土。这些地区修建高速铁路, 路基填料如果完全依靠外运合格填料, 既不经济, 也不可能, 唯一途径是对不合格填料进行改良, 使其达到所要求的质量标准。路基填料的改良实验已经不少, 但针对高速铁路的路基填料改良实验不多, 并且各地土质差异较大, 填料改良必须具有针对性, 本次实验对洛湛铁路 (岑溪段) D类的黏性土通过加入适量的石灰作为改良剂进行改良研究, 发现石灰改良土可以满足高速铁路路基基床及路堤部分填料要求。这为洛湛铁路路基设计提供了宝贵的参考资料, 也为广泛分布D类黏性土的地区修筑高速铁路提供了可以借鉴的经验和数据。

1 试验过程

1.1 实验材料

取土场为洛湛铁路永州至岑溪段, 土样里程为DK415+010～+290, 取样深度为地表下2m～5m。土样物理性质指标见表1。

1.2 实验方案及内容

土样为D类土, 塑性指数性对较高 (塑性指数高于11) , 抗压强度相对较高, 该类土颗粒相对较细, 大多有弱膨胀性, 宜于石灰进行化学反应, 而且填充效果较好, 故采用掺入石灰的改良方法。在土中掺入8%, 10%, 15% (重量比, 下同) 的石灰进行室内实验。

对改良后的土样进行了以下实验:液塑限及膨胀性实验、击实实验、直剪实验和无侧限抗压实验。

2 实验结果分析

2.1 改良土的液塑限及膨胀性的变化

对拟定方案进行液塑性及自由膨胀率实验, 实验结果见表2。

加入石灰改良后的黏性土, 其液限大致成线性下降, 但变化幅度不大, 不超过5个百分点;塑限显著增高, 增加了将近10个百分点, 且石灰含量在小于8%是塑限增长较快, 大于8%后增长变缓;塑性指数明显下降, 且降低幅度与素土的石灰掺量基本成正比。改良土的自由膨胀率比素土大幅降低, 当石灰含量为15%时, 自由膨胀率降低了50%左右, 基本丧失了膨胀性。

这是由于膨胀土粒度成份以黏粒为主, 其黏土矿物成分主要以蒙脱石、伊利石为主。膨胀土中掺入石灰遇水后发生反应, 生成氢氧化钙。它容易和空气中的二氧化碳结合生成碳酸钙晶体, 而结成硬块。碳酸钙本身就是一种非膨胀矿物, 当掺拌料中的石灰达到一定含量时, 这些碳酸钙晶体无论能否形成连续性网状格架, 无疑对提高强度, 减小土的胀缩性起主要作用。如果碳酸钙以包膜的形式覆盖在土样表面上时, 其作用就更显著。其次黏土矿物中的Al3+离子与石灰中氢氧基形成氢氧化铝, 使土脱水硬化, 增强了土的胶结力, 提高了土的强度, 降低了土的胀缩性。

2.2 改良土的最佳含水量和最大干密度的变化

改良土的最佳含水量和最大干密度是通过击实实验来完成的。

石灰改良土的最佳含水量和最大干密度从图1和图2可以看出, 掺入石灰后, 改良土的最佳含水量先下降, 到石灰含量8%最低, 然后有所增加。而改良土的最大干密度随掺灰量的增加在减小, 并且减小速率和石灰含量有近似正比关系。改良土的最大干密度和最佳含水量之间的关系比较复杂, 当改良土的最佳含水量增大时, 改良土的最大干密度呈现出两种完全相反的变化趋势。当石灰含量为8%左右时, 改良土的最佳含水量最小, 随石灰含量的增加或减小, 改良土的最佳含水量均增大。石灰含量从8%下降时, 随改良土最佳含水量的增加, 改良土的最大干密度随之增加。石灰含量从8%上升时, 改良土的最大干密度随之减小。

从微观加固机理上看, 土样掺石灰后黏粒微孔体积增大, 孔径中值变大, 单位质量内的微孔体积也更大, 高比表面积的黏粒含量下降, 比表面积本身也在降低了, 这样也就导致了最大干密度的减小。这也表明, 黏性土掺石灰后, 强度的提高不是因为干密度的增大, 而是由于黏粒间的连接力的提高所致。

2.3 改良土的粘聚力和内摩擦角的变化

黏性土加入石灰后, 改良土的黏聚力显著增加, 但并不随石灰含量的增加而一直增加, 在石灰含量为10%时, 改良土的黏聚力达到最大值, 继续增加石灰含量, 改良土的黏聚力开始减小 (图3) 。掺入石灰后改良土内摩擦角φ变化规律和黏聚力C类似 (图4) , 石灰土表现为有一个最佳的石灰掺量10%, 小于或大于最佳掺量时, 内摩擦角都会发生减小。

2.4 改良土的无侧限抗压强度的变化

本次无侧限抗压强度试验养护的时间为28d, 试样的养护方法为正常养护和浸水养护。

2.4.1 正常养护条件下石灰改良土的无侧限抗压强度

土中掺入石灰后, 改良土无侧限抗压强度总体上比素土的强度有明显的提高, 但是并不是随着掺量的加大而呈正比的提高, 本次试验中, 强度达到最高是在掺入比为10%时, 而8%掺量和15%掺量的28d无侧限抗压强度均低于10%掺量时的强度, 其强度的降低也不是线性的, 从10%掺量到8%的掺量的强度降低率要高于从10%掺量增加到15%掺量的强度降低率 (图5) 。

2.4.2 浸水养护条件下石灰改良土的无侧限抗压强度

土中掺入石灰后, 改良土浸水强度随着石灰掺量的增加而略有提高或者几乎没有提高, 同时我们也发现与正常养护同样的现象, 即使浸水强度很低, 但是强度的变化与正常养护完全一样, 即浸水强度并不是随着石灰掺量的增加而增大, 同样是在掺量为10%时强度达到最高 (图5) 。

正常养护和浸水养护强度对比分析可以发现, 石灰改良土的侵水养护强度远远低于正常养护强度, 只是稍稍高于素土的强度。说明石灰改良土在侵水条件下工程性质的改良效果并不明显, 在降雨频繁的地区, 不建议使用石灰对路基土进行改良, 否则应做好排水措施。

究其原因可能是试件浸入水中后, 此时土中的孔隙已被自由水全部填充, 使土颗粒的水化膜增厚, 阻止了石灰中的有效成分与土颗粒接触发生反应;同时由于石灰中的有效成分的溶解作用, 部分离子 (如Ca2+、Mg2+) 已溶解于水中, 不可能与土粒结合, 因而造成强度比正常养护下强度要低很多, 本次试验28d龄期浸水强度约比正常养护强度损失约65%~70%。

2.5 石灰改良土无侧限抗压强度随时间的变化

石灰含量8%, 10%, 15%的改良土, 其无侧限抗压强度随龄期的变化有一个共同的规律, 3天龄期的石灰改良土无侧限抗压强度比1天龄期的无侧限抗压强度有所减小, 但3天以后, 石灰改良土的无侧限抗压强度随龄期增加而增加, 到28天龄期, 无侧限抗压强度的增加基本和龄期的增加成正比例关系 (图6) 。

这种强度增长现象主要和养护方法有关, 即当试件制作完成后, 是在常温和露天情况下恒温恒湿养护的, 1d后试件被放在潮湿的砂中密闭养护, 很显然养护状态发生了变化, 当在潮湿砂中养护时, 石灰与土物理化学反应在短时间内未能充分发生, 而接触了砂中的自由水, 在吸附作用和毛细作用下, 试件吸收大量的水分而不能及时将其转化为结合水, 游离于石灰土中的自由水使石灰土处于高含水量甚至饱水, 所以强度就会降低, 自然就比1d的强度要低了。3d以后随着水化作用的不断进行, 强度不再降低, 而是快速的增长, 直至28d强度还有增长的趋势。