红黏土的路用性能特性及改良性能研究.pdf

专题论述红黏土的路用性能特性及改良性能研究胡小波吴心怡刘凌云（中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032)摘要】针对红黏土高液塑限、工程应用时难以压实、干湿变化时其物理力学性质不稳定等特点，本文以云南曲靖地区红黏土为研究对象，采用室内试验的方法对红黏土的液塑性指标、压实特性、承载力指标、胀缩性指标、干湿循环下的稳定性指标进行了研究，并采用就近获取的开山土石混合料对其进行改良。对改良后的红黏土进行击实、干湿循环等关键指标试验，试验结果表明，经改良后其具有更良好的压实性能，胀缩性指标降低，CBR强度及干湿循环下的稳定性显著提升。本文采用的改良方法克服了传统采用水泥、石灰改良成本较高及其在现场拌和均匀性难以保证的缺点。关键词红黏土胀缩特性压实度干湿循环路基填料改良1前言红黏土为红土的一个亚类，与一般黏土相比，其颗粒组分中黏粒含量，尤其是粒径小于0.0 0 2 mm的胶粒含量显著偏高，可达40%70%，使红黏土具有高分散性。红黏土在干燥状态下具有较高的力学强度和较低的压缩性，但随着含水率的变化，其物理力学指标变幅也较大。上述特性主要是因为红黏土在红化过程中形成的游离氧化铁的胶结结构使其具有高孔隙比、高含水量、高液塑限和塑性指标的特点，在工程上常表现为天然含水量高、难压实、易干缩开裂等不良特征。在公路工程中，通常不能将红黏土直接作为路堤填料。公路路基设计规范（JTGD30-2015)中规定：对于液限大于5 0%、塑性指数大于2 6 的高液塑限土，不宜直接作为路基填料，须经适当的措施处理后方可用于路基填筑。规范主要对颗粒组分、CBR强度、液限、塑性指数有所要求，对于具有膨胀特性的黏土，尚需满足胀缩总率的要求。规范特别规定：用于填筑路基的红黏土压缩系数不得大于0.5 MPa-,未经改性处理的红黏土填筑路堤高度不宜大于10 m。此外，作为弱膨胀土，红黏土尚应满足规范中对于膨胀土胀缩总率不超过0.7%的规定。目前常用的改良方式通常有掺加水泥、石灰、化学药剂，或者采用黏土包边等措施。水泥、石灰由于成本较高，添加量一般较低，虽然在实验室环境下能够取得较好的改良效果，但现场拌制的均匀性较难保证，对实际效果影响较大。本文研究思路：采用可从当地较方便获取的筑路材料（开山土石料)拌入红黏土进行改良，通过试验验证其CBR强度、压实度、液限、胀缩性、干湿循环稳定性等特性。该方法成本相对较低，由于掺入量较一般水泥石灰比例大，对现场施工拌和的均匀性要求较低。2试验研究的内容本文主要针对原红黏土以及改良后的混合料展开以下试验研究：（1）通过液塑限试验判断其液塑性指标是否需要改良；（2）通过颗分试验获取不均匀系数C.和曲率系数Cc，判断掺加料的级配情况及压实性能；（3）通过重型击实试验判断其压实性能；（4）通过CBR试验判断其刚度指标是否满足公路路堤填料要求；（5）通过膨胀及收缩试验计算其胀缩总2率。胀缩总率是红黏土能否用于路基填筑的判别依据，规范规定：弱膨胀土作为路堤填料时，若胀缩总率不超过0.7%，可直接填筑，并采取防水、保温、封闭、坡面防护等措施；否则，应按公路等级、气候、水文特点、填土层位等具体情况，结合实践经验进行处治；（6）通过干湿循环试验模拟：干湿循环交替的气候条件下，路堤在施工及运营期间发生胀缩变形后的强度稳定性。3原红黏土物理力学特性本文选取宣曲高速路线附近4个取土点的土样进行原状红黏土的室内试验。3.1液塑限试验取土点1、2、3的液塑限试验结果如表1所示。由试验结果可知：宣曲高速该标段的红黏土液限达5 5.2%5 6.3%，塑性指数达3132，不满足规范关于路基填料液限的规定。因此，该标段红黏土不得直接作为路堤填料，使用时必须进行改良。表1红黏土液塑限统计表取土点液限WL/(%)塑限Wp/(%)塑性指数IP取土点155.223.432取土点256.325.731取土点355.424.631统计55.256.323.425.73132根据表1计算该区域红黏土的天然稠度：Wc=(WL-W)/Ip式中：Wc一天然稠度；W一天然含水率。天然含水率按36%计，液限按5 6%计，塑性指数按31计，代入得天然稠度为0.6 45，根据相关文献的一般工程经验，天然稠度小于0.8的土不宜直接使用。塑性分区图如图1所示。根据表1，计算得Ip=31，大于Ip=0.73（Wi-2 0)=2 6，故本地区红黏土在B线右侧、AAA线:Ip=0.73(WL-20)60B线：Wi=50%50CHCHO40B30MH20CLMHOCLO10Ip=10MLIp=6-MLO10102030405060708090100110液限Wi/(%)图1塑性分区图线上方，具有一定的膨胀性，需采取一定措施进行改良后方可利用。3.2重型击实试验对上述取土点的原状红黏土进行室内击实试验得到pa-w曲线，并据此得出红黏土最优含水率及最大干密度统计表，见表2。表2红黏土最优含水率及最大干密度统计表天然含水率最优含水率最大干密度取土位置W/(%)Wop/(%)P dnax/(g/cm)取土点135.222.61.58取土点232.422.21.60取土点337.623.81.62取土点436.225.01.58统计32.437.622.225.01.581.62据表2 分析，本地区红黏土的最优含水率2 2.2%2 5.0%，天然含水率32.4%37.6%，天然含水率高出最优含水率约10%12%。含水比aw=w/wL=36%/56%=0.64，根据岩土工程勘察规范，本地区红黏土0.5 5 aw=0.64I，即该地区红黏土收缩后复浸水膨胀，能回复到原位。3.3承载比试验港工技术与管理2 0 2 3年第4期本次室内土工试验对取土点4取2 组红黏土试样进行承载比试验（CBR），试验结果如图2 和表3所示。由试验结果可知：取土点4的2 组红黏土单位压力P/kPa单位压力P/kPa020040060080002004006008000一1223344L566(a）取土点4试样1(b）取土点4试样2图2CBR试验P-L曲线表3CBR计算统计表L=2.5 mmL=5.0 mm取土点4CBR最终取值/(%)单位压力/kPaCBR/(%)单位压力/kPaCBR/(%)试样1403.95.76749.57.137.13试样2494.17.06609.46.587.06试样的CBR为7.13%和7.0 6%，均满足公路路基设计规范（JTGD30-2015)规定的上、下路堤填料最小承载比要求。3.4膨胀及收缩试验（1）有荷膨胀试验对红黏土分别进行2 5、5 0 和2 0 0 kPa荷载下的有荷膨胀试验，试验结果如图3所示。由试验结果可知：随着上覆荷载的增大，膨胀率逐渐减小，说明上覆压力对膨胀变形(%)/率湘0.4-0-25 kPa-g-50 kPa-200kPa0.20.0g20406080100时间/h-0.2-0.4图3有荷膨胀试验结果起抑制作用。土体在较小荷载下，压缩稳定后再浸水膨胀，膨胀力大于上覆荷载，膨胀率大于0；在较大荷载下，试样没有膨胀反而继续被压缩。将土体的膨胀看作一个平衡体系：压力与膨胀力相等时处于平衡点；当压力小于膨胀力时，土体膨胀势增大，膨胀率变化大；当压力大于膨胀力时，土体膨胀势被抑制，仅产生压缩。因此，在用膨胀土作为填料时,不宜作为上部填料，须在上部填筑一定高度的非膨胀性土。根据图3可知，2 5、5 0、2 0 0 kPa上覆荷载下的膨胀率分别为0.2 5%、0.12%、-0.38%，可据此采用插值的方式计算膨胀力。(2)收缩试验红黏土收缩试验得到的收缩曲线如图4所示。由图4可知，最终线收缩率为3.10%，直线段斜率为0.32 6，该红黏土的收缩系数即为0.326。膨胀土的收缩主要是由于土样中水分的减少导致的。收缩过程中，土中水分不断HVIH0.12%;ep5050kPa压7en50(%)/率斯Xh54321110010203040-1含水率/（%）图4收缩曲线散失，土样中的孔隙内部产生负孔隙压力，从而产生粒间吸力，迫使土粒向孔隙内收缩。当土颗粒间间距逐渐减小、斥力逐渐变大且最终大于负孔隙水压力时，土体将不再收缩，趋于稳定状态。由收缩曲线延长两段直线段得到该红黏土的缩限W.为19.5 4%。(3）月胀缩总率膨胀土经过击实作为路基填料时，其胀缩总率可以用下式计算：eps=ep50+Csl(W-Wm)式中：Csl一收缩系数,填筑时的含水率按最优含水率中值2 3%考虑，Cs=0.326;Wm一地基土在收缩过程中可能产生的含水量的下限值，本文按缩限考虑取19.5 4%，也可根据当地气候的降雨和蒸发情况计算求得。故本工程区红黏十的胀缩总率为e ps=0.12%+0.326x(23%-19.54%)=1.25%根据计算结果，本地区红黏土胀缩总率为1.2 5%，略大于规范规定的0.7%的限值，需经适当的处理后方能满足要求。3.5干湿循环试验膨胀土路堤在一个年度内承受多次干湿交替，导致其微观结构和宏观力学特性发生改变。膨胀土边坡往往在初始形成的时候具有较高的强度和稳定性，但在若干年后便受到破坏。路堤中的填土多处于中等湿润中等干燥状态，即在一个年度内路堤填料承受多个幅度有限的干湿循环交替。本试验通过多个极端的干湿循环（干湿交替幅度大)模拟路堤在多年内的干湿循环变化，试验采用重型击实试样，一个循环分为3个步骤：（1）将试样放入套环中，置于水中浸泡48h，使试样充分吸水；（2）将试样移入烘箱中，使试样在40 下干燥失水5 h；（3）将试样在室温中继续风干7 d。每个步骤结束后测量含水率，每次循环结束后（即风干7 d后）进行CBR试验，重复上述循环至设计干湿循环次数。本试验共进行了3次循环，干湿循环过程中实测含水率试验结果如表4所示。由表4可知：试验土样的最优含水率为2 4%，吸湿后含水率达35%，含水率增大11%；风干7 d后，试验含水率仍在2 8%左右，表明在自然状态下，红黏土路堤的天然含水率高于其最优含水率4%。表4各循环次数试件含水率(单位：%)干湿循环次数123吸湿后含水率34.935.335.0脱湿后含水率32.633.033.0风干7 d后含水率27.628.127.9干湿循环下的CBR值如表5 所示，由此可知：（1）随着干湿循环次数的增加，红黏土的CBR值呈逐渐减小趋势。（2）C B R 值在第一次循环时衰减较快，之后基本平缓。这可能是因为未进行干湿循环时的试样是在最优含水率下进行CBR试验的，而之后的试样是在高于最优含水率3%4%的含水率下进行的CBR试验。表5干湿循环下的CBR值干湿循环次数0123CBR/(%)7.135.235.184.72港工技术与管理2 0 2 3年第4期5（3）经历3次干湿循环后，CBR趋于稳定，仍满足规范对一级公路上、下路堤的CBR值为4%和3%的要求。掺加土料室内试验物理力学性能分析本次一般填料室内试验土样均取自宣曲高速公路附近的取土场段。4.1颗粒分析各取土点一般填料粒径分布如图5 和表6所示。由试验结果可知：宣曲高速附近的取土场的一般填料属细粒质砾，土的级配不均匀（Cu5），且级配曲线连续（Cc=13）。因此，该标段的一般填料为级配良好的土，是较好的路堤填料。4.2重型击实试验根据图5 的粒径分布曲线统计得到的粒径分布以及不均匀系数、曲率系数见表6。对上述取土点的一般填料土样进行室内重型击实试验，得到的pd-w曲线如图6 所示。一般填料最优含水率及最大干密度统计见表7。由试验结果可知：该标段一般填料的最大干密度为2.0 2 2.12 g/cm，最优含水率为5.4%10.9%，是较好的路堤填料。5改良红黏土的物理力学指标室内试验分析对于由红黏土和一般填料混合的土主要进行了干湿循环试验，试验前通过重型击实试验得到最优含水率。混合料的干湿循环试验采用与上述纯红黏土试验相同的红黏土，其天然含水率约为36%，在自然环境中风干备用。一般填料土取自宣曲高速宣威段用于路堤填筑的取土场，其中碎石为中等强风化碳酸岩，采用60%红黏土拌合40%一般填料。试验前，先通过重型击实试验确定混合土的最优含水率，再在最优含水率下配置4组试样击实，分别进行直接CBR试验和各个干湿循环的CBR试验，试验方法与前述相同。5.1混合土的击实试验（%）/10090807060504030201001001010.10.01粒径/mm(a)取土场1（%）/10090807060504030201001001010.10.01粒径/mm(b）取土场2（%）/10090807060504030201001001010.10.01粒径/mm(c）取土场3图5 粒径分布曲线表6粒径分布计算表取土位置取土场1取土场2取土场3dio/mm0.250.200.21d3o/mm1.642.112.33dso/mm9.689.988.80不均匀系数Cu395040曲率系数C。1.112.232.93将红黏土与一般填料按上述比例均匀拌合后进行击实试验，击实后的含水率一干密6(u/B)/士2.142.122.102.082.0613579含水率/（%）(a)取土场1(.w0/B)/士2.052.032.011.991.971.9568101214含水率/（%）(b）取土场2(u/B)/泽士2.052.032.011.991.971.9579111315含水率/%)(c)取土场3图6击实试验pa-w曲线表7一般填料最优含水率及最大干密度统计表最优含水率最大干密度取土位置Wop/(%)Pamax/(g/cm)取土场110.92.02取土场210.02.02取土场35.42.12度关系曲线如图7 所示。混合料的最优含水率为17.6%，最大干密(u0/)/&士1.8017.591.7820.171.7616.161.7421.791.721.7022.791.68162024含水率/（%）图7混合土含水率一干密度曲线度为1.7 8 g/cm。据图7 可知：纯红黏土的最优含水率为2 2.2%2 5%，最大干密度为1.5 8 1.62g/cm，最大干密度提高了约11%，最优含水率降低了约5%；红黏土的天然含水率为32.4%37.6%，一般填料的天然含水率很低，为3%8%，拌合后的含水率约为19%2 1%，较接近于最优含水率。因此混合后只需稍微晾晒便可进行施工，解决了红黏土因天然含水率高而无法碾压的问题。5.2混合土的干湿循环试验干湿循环试验过程中分别记录了浸水96h后、40 烘干5 h后及风干7 d后的含水率，见表8。表8红黏土与混合土干湿循环各阶段平均含水率对比表（单位：%)土类混合土纯红黏土风干含水率16.127.8制样含水率17.632.0充分吸水含水率19.535.0据图8 可知，在进行1、2、3这3个循环的过程中，浸水后的含水率分别为19.5%、19.3%、19.5%。在烘干并风干7 d后，3次循环的含水率分别为16.1%、16.1%、16.3%，与制样含水率的对比见表8（即最优含水率17.6%）。据表8 可知，含水率的变化幅度为3.4%，分别较制样含水率高1.9%和低1.5%，说明混合土在最优含水率下击实后，路堤中部的含港工技术与管理2 0 2 3年第4期22充分吸收含水率烘干5 h后含水率风干7 d后含水率19.5%19.3%19.5%18.7%18.4%18.8%1816.3%16.1%16.1%1410123循环次数图：混合土循环次数一含水率关系水率即使在极端的干湿循环条件下，其变化幅度仍较小，即路堤填料能很好的维持在稳定的水平，这对于路堤的长期运营是非常有利的。根据纯红黏土的干湿循环试验，纯红黏土在吸水和风干的条件下的含水率分别比最优含水率高3%、低4.2%，波动幅度达7.2%，说明纯红黏土路堤在干湿循环条件下含水率的波动幅度较混合土大。通过干湿循环试验，得到纯红黏土和混合土的CBR一干湿循环次数关系图，如图9 所示。45%40.49%40%35.54%35.09%35%33.03%30%25%20%15%10%7.13%5.23%5.18%4.72%5%0%10123循环次数图9纯红黏土与混合土CBR一干湿循环次数关系据图9 可知，纯红黏土和混合土击实后直接测得的CBR分别为7.13%、40.49%，即混合土的CBR强度为纯红黏土的5.7 倍。分析纯红黏土的干湿循环曲线，纯红黏土在经过1、2、3个循环后累计的强度降低比例分别为26.7%、2 7.3%、33.8%，混合土强度降低累计比例为12.2%、13.3%、18.4%，经过3次干湿循环后的强度比为7:1。由此可知，与纯红黏土相比，混合土的CBR强度大幅提高，且经干湿循环后的强度大幅提高，意味着路堤竣工时有更高的CBR强度，强度稳定性也更好。6结论与建议6.1原红黏土试验结论（1）本地区的红黏土液塑限高于规范要求，不能直接利用，天然含水率高于最优含水率,需要翻晒。（2）加州承载比试验表明，本地区红黏土的CBR可满足规范要求。（3）干湿循环试验表明，经若干循环后，CBR强度有所下降，但降幅趋于稳定且仍然可满足规范要求。（4）膨胀及收缩试验表明，本地区红黏土膨胀性不强，主要表现为收缩性，胀缩总率略高于规范规定的0.7%的要求，达到1.15%。（5）总体而言，本地区红黏土总体力学指标较好，具备改良的潜力，可通过适当的改良措施满足路堤填筑的各项指标要求。6.2改良红黏土试验结论（1）红黏土的天然含水率较高，而一般碎石土的天然含水率较低，将红黏土与一般碎石土拌合可降低总体含水率。本区域的红黏土经拌合后，混合土料的含水率仅高出最优含水率约1.5%3.5%，更接近压实时所需的最优含水率，可直接压实或经简单翻晒便可压实。（2）对于本区域红黏土，通过干湿循环试验发现，混合土在浸泡和风干时，含水率的变化幅度较小，仅为3.4%左右，低于纯红黏土的含水率波动幅度7.2%，即具有更佳的水稳定性，对于降低胀缩性很有好处。（3）对于本区域红黏土，按6 0%红黏土与40%一般路基填料混合后的混合土的CBR强度较纯红黏土大幅提高，其CBR值从击实后的7.13%提高至40.49%。且经干湿循环试验证明，混合土在使用期内经反复吸水和失水过程后，混合土的CBR强度降低幅度低于纯红黏土，经3次干湿循环后，纯红黏土CBR值降至4.7 2%，混合土CBR值（下转第13页）13配合高压水枪清理桩一桶间浅层淤泥质土，清理范围需达到桶顶以下4m。清理浅层淤泥之后，插入灌浆钢管，插入深度和灌浆高度应严格遵循设计方案要求。桩一桶环缝区域清淤效果很大程度上决定着复合基础的整体性和安全性。(3）理现场灌浆质量控制灌浆施工现场由专业技术人员负责，根据现场的天气、温度情况按照使用要求调整，确定灌浆材料最佳用水量。现场人员定时检验出机灌浆料温度、流动度、表观密度等指标是否满足要求，并保证灌浆过程中质量稳定。现场测试结果表明，气温为2 5 30，泵压控制在6.5 6.7 MPa，灌浆料出机温度控制在30 32，初始流动度为2 9 0 30 0 mm。现场出机灌浆料性能指标符合要求且质量稳定。经第三方检测，负压桶内灌浆取样试块28d抗压强度6 4.3MPa，桩一桶环缝灌浆取样试块2 8 d抗压强度8 8.1MPa，单桩过渡段灌浆取样试块2 8 d抗压强度为135.8 MPa，均满足设计要求。5总结本文依托福建平海湾桩一桶复合基础的成功安装，对复合基础施工工艺及灌浆质量控制展开研究，主要结论如下：（1）福建平海湾项目将12 号I型嵌岩桩成功改进为桩一桶复合基础，并陆续在项目其他I型嵌岩桩机位中得到应用，为今后采用此类基础结构提供了实践经验。桩一桶复合基础相对于单桩基础、桶型基础而言，（上接第7 页）降低至33.0 3%，混合土CBR强度降幅明显低于纯红黏土。参考文献1师龙飞干湿循环对改良膨胀土强度与变形特性结合了两者的优点，在施工工艺、经济性、水平承载力等方面均有所提高，最大的优势在于该基础结构回避大直径嵌岩单桩嵌岩施工难题，适用于覆盖层较薄的地质条件下大功率的海上风机基础。（2）负压桶内回填灌浆、桩一桶间及单桩过渡段灌浆施工对基础稳定性起着决定性作用，其中单桩过渡段结构受力特点对灌浆材料力学性能、抗疲劳性能及灌浆施工质量要求极高，国内应用案例很少，本案在材料、封堵和过渡段结构设计以及灌浆施工等方面为国内单桩过渡段结构连接提供借鉴（3）本案中分别采用3种不同特性的SPG-I、S K G-I I、U H P G-12 0 海上风电灌浆料解决负压桶回填、桶与桩环缝连接、桩与过渡段灌浆连接，通过灌浆技术针对性解决不同结构部位的快速施工。实践证明，通过材料、设备和工艺整体解决方案确保了海上风电桩一桶复合基础顺利实施。参考文献1段勋峰，冉红玉，李凤丽海上风电场风机基础的选型设计 J.水利与建筑工程学报，2 0 10,8（0 1)：1291312任骄阳.海上风机桩一桶复合基础设计及承载力特性研究 D.大连理工大学,2 0 2 13李亚军，刘东华.海上风电嵌岩区风机基础比选原则及依据 J.南方能源建设，2 0 18,5(4)：12 4 12 94黄周泉，吴锋，苏静波.海上风电桩桶复合基础的竖向承载性能研究 J.水力发电，2 0 17,43(12)：8 386+100的影响 J.公路工程，2 0 15(3)：8 9 9 1+1152施灿海，李猛，王绍强改良云南红黏土强度特性研究 J.科学技术与工程,2 0 11(9)：2 137 2 1403张晓帆.不同剂量石灰处治高液限红黏土物理力学及工程性质 J.城市道桥与防洪，2 0 14(1)：40 42