（森林工程专业论文）石灰改性膨胀土工程应用研究.pdf

摘要 在工程建设中，石灰土基层因具有强度较高、水稳性较好、造价经济等优点，在目前 的高等级公路底基层中使用广泛。但是对于石灰稳定特殊土( 如膨胀土) 研究理论尚不完 备；工程实际应用仍存在不完善的地方。 本论文针对宁淮高速公路工程施工中所遇到的大面积膨胀土的情况，首先从膨胀土对 工程建设的危害角度，分析了膨胀土主要工程性质，讨论了用膨胀土作为路基建筑材料存 在的主要问题。结合宁淮高速公路工程施工中的具体实践，选取宁淮高速公路淮安市境内 膨胀土为对象，通过素土及改性土一系列室内试验。并结合有关改性土性质的工程实测数 据，系统分析了用石灰作为膨胀土改性材料的工程应用前景。 具体工作内容如下： ( 1 ) 阐述了原状膨胀土的基本工程性质及掺灰改性后膨胀土的性质变化情况，包括 膨胀土类型的判别、不同击实方法( 干法和湿法) 对石灰改性土最大干密度和最佳含水量 的影响等。 ( 2 ) 研究了膨胀土加入石灰改性后，其无荷膨胀率、膨胀力、无侧限抗压强度等指 标的变化规律。 ( 3 ) 结合气候条件及旌工条件，针对低温情况下石灰改性膨胀土性质的变化，探讨 了低温对石灰与土作用效果的影响。 ( 4 ) 通过制备改性土重塑土样，进行应力与应变关系分析，建立了改性土的本构关 系，对土体特性进行了初步探讨。 ( 5 ) 参考前人的研究成果，针对膨胀土在高速公路路基处理应用中存在的不足和亟 待解决的问题，提出了一些施工中须考虑的具体施工工艺。 相信本论文的研究对今后进一步开展石灰稳定膨胀土的研究和应用具有一定的理论 价值及引导作用。 关键词：膨胀土石灰改性土自由膨胀率三轴试验质量控制 e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns t u d yo nl i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i l a b s t r a c t l i m eh a sad i s t i n c te f f e c to ne x p a n s i v es o i l l i m es t a b i l i z e db a s e m e n th a sm a n ym e r i t s ， s u c ha sh i g h e rs 订e n g t h ，b e t t e rw a t e rs t a b i l i t y , l o w e rc o n s t r u c t i o np r i c ea n dc o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o nm a t h o d l i m es t a b i l i z e db a s e m e n ti sn o ww i d e l yu s e di nh i g hc l a s sh i g h w a y s u b - b a s e ，b u tt h es t u d yo nh o wt h el i m ew o r k sa n dw h a tt h ee f f e c ti si fl i m ei sa d d e di n t o e x p a n s i v es o i li sn o ts y s t e m a t i c l ya n dc o m p r e h e n s i v e l ys h o w e d c o m b i n i n gw i ms o m er e a l e n g i n e e r i n gp r o b l e mi nt h en i n - h u a le x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e st h em i xd e s i g n a n dt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f l i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i l a sl a r g ea r e ao fe x p a n s i v es o i lh a sb e e nf o u n da l o n gt h el i n eo fn i n g h u a ie x p r e s s w a y , t h ed a n g e ra r o s e db yt h eg r o u n db a s em a d eb ye x p a n s i v es o i lm u s tb ea n a l y s e df i r s t l y t h e p r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n ge x p r e s s w a yb a s e m e n tw i t l le x p a n s i v es o i la r e p r e s e n t e d a n dd i s c u s s e di n t h i st h e s i s l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s h a v eb e e n d o n eo n r e p r e s e n t a t i v es a m p l e sf r o m h u a i a n r e 百o n o fn i n g - h u a ie x p r e s s w a y t h ed i f f e r e n t e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sb e t w e e no r i g i n a ls t a t ee x p a n s i v es o i la n dl i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v e s o i la r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n t sa n do n s i t ee s t i m a t i o nb a s e do n d i f f e r e n tk i n d so f s o i ls a m p l e s t h em a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w e d ： ( 1 ) a n a l y s i n gt h eb a s i ce n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so ft h eo r i g i n a ls t a t ee x p a n s i v es o i la n dt h e c h a n g er u l e sw h e nl i m ei sa d d e di n t ot h ep l a i ns o i l ，i n c l u d i n gt h ed i s t i n g u i s h i n gm e t h o d so f t h e o r i g i n a le x p a n s i v es o i l ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r st ot h em a x i m u mm o i s t u r ed e n s i t ya n do p t i m u m m o i s t u r ec o n t e n tt e s t e db yd i f f e r e n tk i n d so fi n d o o re x p e r i m e n t s ( d r yc o m p a c t i o ne x p e r i m e n to r w e tc o m p a c t i o ne x p e r i m e n t ) o f s o i ls a m p l e s ，e t c ( 2 ) s m d i n go nt h ec h a n g i n gr u l eo fl i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i l ，s u c ha sf r e es w e l l i n g r a t i o ，s w e l l i n gs t r e n g t h ，n o n - s i d el i m i t a t i o nc o m p r e s s i v es t r e n g t h ( 3 ) d e t e c t i n gt h ec h a n g i n gr u l eo fl i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i lw h e nt h et e m p e r a t u r e i sl o wi nc o n s i d e r i n gt h et e m p m t u r ec o n d i t i o na n dc o n s t r u c t i n gc o n d i t i o n ( 4 ) e s t a b l i s h i n gt h ec o n s t i t u t i v el a wo fl i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i lb yt h em e t h o d so f m a k i n gt h er e m a k i n gs o i ls a m p l e sa n da n a l y z i n gt h er e l a t i o n so ft h es o i ls a m p l e su n d e r d i f f e r e n ts t r e s s e sa n dd i f f e r e n ts t r a i n ( 5 ) p u t t i n gf o r w a r ds o m ea d v i c e sa i m i n ga tt h eu n s o l v e dp r o b l e m si n t h ee x p r e s s w a y b a s e m e n tc o n s t r u c t i o no nt h eb a s i so f t h e o r yc o m b i n i n gw i t hp r a c t i c e t h ep a p e r sc o n c l u s i o nw i l lp r o v i d es o m et h e o r e t i c a lv a l u ea n dm a yg i v es o m ed i r e c t i o n s f o rt h ee x p e r i m e n ts t u d ya n dt h ea p p l i c a t i o no fl i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i l k e y w o r d s ：e x p a n s i v es o i l l i m em o d i f i c a t i o ne x p a n s i v es o i l f r e es w e l l i n gr a t i o t r i a x i a lc o m p a c t i o nt e s t q u a l i t yc o n t r o l 致谢 本论文的研究和撰写是在导师李国芬副教授的悉心指导下完成 的。无论在论文的选题、试验研究还是在文幸的评阅和定稿等方面 导师都倾注了大量的心血。导师严谨的治掌态度、渊博的掌识深深的 影响和教诲着学生。终生难忘l 论文的顺利完成还得益于吴育琦副教授、邵光辉老师的热忱指导 和帮助。在此，向他们表示深深的敬意和致以最诚肇的感谢。 在本文的试验研究过程中还要感谢在试验期间给予我帮助的程 箭、覃朗、邓永忠、边疆和袁希一等同掌的帮助在此一并表示感谢! 最后，对于我的父亲和母亲表示最真挚的敬意感谢他们对炭 三十年来的养育之恩! 玉岗 2 0 0 6 年6 月 1 引言 1 1 问题的提出 膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特种粘性土，其主要工程性质表现为多 裂隙性、超固结性、强亲水性和反复胀缩性，矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为 主。膨胀土的膨胀潜势明显依赖于土中的粘土矿物成分及其含量。 膨胀土在世界范围内分布极广，迄今发现存在膨胀土的国家达4 0 多个，遍及六大洲。 我国是膨胀土分布最广的国家之一，先后有2 0 多个省区发现有膨胀土。由于膨胀土的 显著特性，使膨胀土地区的房屋建筑、铁路、公路、机场、水利工程等经常遭受巨大的破 坏”1 ，因此给各国造成的经济损失每年达数十亿元。在美国，它引起的经济损失已超过了 洪水、飓风、地震和龙卷风每年所造成的损失总和。 膨胀土对工程结构物具有严重的破坏作用，特别是对高等级公路路基工程和大型结构 物所产生的变形破坏作用，往往具有长期、潜在的危险。因此，膨胀土问题已受到公路工 程学科专家和工程技术人员的普遍关注，从不同角度、途径和目的进行试验研究，并针对 不同的工程实际问题采用不同方法进行处理。 改革开放以来，全国各地高等级公路数量日益增加，特别是近十年来，我国加大了公 路修建力度，许多路线不可避免地需要穿越膨胀土地区。当膨胀土的工程特性指标不能满 足公路路基设计规范要求时，人们便面临要么大量用非膨胀土置换膨胀土，要么对膨胀土 进行改性处理的问题。在工程上，对弱膨胀土用控制含水量和密度的方法可以部分消除其 胀缩性，但对于中、强膨胀土用上述方法不能达到消除其胀缩性的目的，必须进行改性处 理。土质改性的方法有很多，如掺少量的水泥、石灰、粉煤灰、氯化钠、氯化钙和磷酸等 化学试剂。石灰土是在土中掺入石灰和水，经拌和、压实和养生后得到的强度符合规定的 一种无机材料。石灰稳定土技术作为路基土质改性方法之一，近年来应用广泛”。 改性后的膨胀土，用于高等级公路路基的修筑“1 ，具有很大的实用价值，但其理论研 究及施工技术并不成熟。不少科研单位和个人曾在膨胀土问题的研究方面作了许多工作， 对膨胀土性质及处理方法已做了不少试验研究。然而，由于膨胀土成因的复杂性，不同地 区膨胀土性质的差异，试验方法的选择不同5 1 ，以前的研究成果和通过室内试验研究提出 的措施效果如何，还要通过工程实践检验、总结、改进，这就需要结合工程施工实际作进 一步研究。通过研究不断改进施工工艺，确保膨胀土填筑路基的施工质量，确实降低改性 土的胀缩性，满足施工要求”1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 膨胀土的成分与结构研究 研究膨胀土的矿物成分、化学成分，不仅可以了解控制膨胀土工程特性的内在因素， 探讨其膨胀机理，而且对土力学理论计算中导入物理一化学参数，对膨胀土地基的改性与 加固以及膨胀土调查研究的新技术与新方法的运用也是必不可少的。 目前，膨胀土矿物成分鉴定的方法主要有差热分析( t d a ) 、x 射线衍射( x r d ) 、红外 1 光谱( i r ) 、扫描电镜等；化学成分的研究手段主要有全化学分析和微量元素分析：地基 和路基工程中膨胀土矿物成分研究的主要内容是膨胀土中各种粘土矿物成分和非粘土矿 物成分的测定。 而对膨胀土结构的研究是对膨胀土工程性质的另一个重要研究对象。膨胀土的结构指 的是宏观结构和微观结构的总称。其中宏观结构的主要特征是膨胀土的多裂隙性。多裂隙 所构成的裂隙面及软弱面是宏观结构对膨胀土工程性质影响的最直接原因( 卢再 华，2 0 0 1 ) 。由于裂隙的存在破坏了土体的完整性，从而使强度评价产生困难。同时由于裂 隙具有不均一性和变动性，使膨胀土表现出不同的强度特性( 王国强，1 9 9 9 ) 。耿建彬( 1 9 9 8 ) 将裂隙的形成和发育分为原生裂隙和次生裂隙，并研究了影响次生裂隙形成发育的因素。 随着分形几何理论的应用，易顺民( 1 9 9 9 ) 从分形几何和膨胀土裂隙结构研究相结合的角 度，探讨了膨胀土裂隙研究的定量化模式。膨胀士的微结构是膨胀土在一定的地质环境和 条件下，由土粒孔隙和胶体结构等所组成的整体结构。1 9 7 3 年专门召开过一次微结构国 际会议，表明了人们对膨胀土结构研究的重视；2 0 世纪8 0 年代王幼麟( 1 9 8 0 ) 、高匡i 瑞( 1 9 8 4 ) 等对粘土矿物叠片体与其工程性质的关系作了较多的研究。2 0 世纪9 0 年代廖世文( 1 9 8 4 ) 、 李生林( 1 9 9 2 ) 、施斌( 1 9 9 5 ) 等通过对膨胀土微结构的研究，得出了膨胀土的胀缩性、强度 特性以及变形特性在很大程度上取决于膨胀土的结构特性的结论。 1 2 2 膨胀土胀缩机理 膨胀土的矿物学理论研究者从矿物晶格构造出发，认为膨胀土的膨胀取决于膨胀土的 矿物成分及其结构( 廖世文，1 9 8 4 ；g r i m e r e ，1 9 8 6 ) 及颗粒表面交换阳离子成分 ( i n g l e s 0 g ，1 9 6 8 ) 等；膨胀土物理化学理论中，应用较为普遍的是晶格扩张理论和双电 层理论。晶格扩张理论认为，膨胀土晶格构造中存在膨胀晶格结构，水易渗入晶层问形成 水膜夹层，从而引起晶格扩张，使土体体积增大。但晶格扩张理论仅仅局限于晶层间吸附 结合水膜的楔入作用，而没有考虑粘土颗粒间及聚集体间吸附结合水的作用。事实上，粘 土膨胀不仅发生在晶格构造内部晶层之间，同时也发生在颗粒和颗粒之间以及聚集体和聚 集体之间。双电层理论认为，双电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在 电场力作用下按一定取向排列，在粘土矿物颗粒周围形成表面结合水膜。由于结合水膜增 厚“楔开”土颗粒，从而使固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀。双电层理论弥补了 晶格扩张理论在解释粘土胀缩原因方面的不足，发展了结合水膜在膨胀理论中的应用，使 得膨胀机理的理论更加全面和充实。 1 2 3 膨胀土判别分类 在膨胀土地区进行工程建设，必须正确识别膨胀土与非膨胀土，并对膨胀土进行分类， 也就是将工程性质基本相似的膨胀土划分为同类膨胀土，而对工程性质相差较大的划分为 不同的类属，以便为工程设计与施工提供合理的参数和科学依据。 对于膨胀土的判别分类，不同的学者在各自的研究基础上提出了不同的判别分类方 法。柯尊敬( 1 9 7 7 ) 按最大胀缩性指标进行判别分类；膨胀土地区建筑技术规范( g b j11 2 ) 按自由膨胀率进行判别分类；陈开云( 1 9 8 2 ) 用数学法进行因子分析与逐步回归分析，提出 2 了综合指标的多元线性函数，并给出了判别分类的临界值；李生林( 1 9 8 4 ) 运用塑性图，结 合使用塑性指数与液限来判别膨胀土；在国外，印度对该地区粘土进行判别分类时，采用 液限、塑性指数、收缩指数、胶粒含量、膨胀势、膨胀率、自由膨胀率等多种指标，把膨 胀土的膨胀程度划分为四个等级：南非土木工程研究所v a n d e rm e r w e ( 1 9 6 4 ) 利用塑性指 数、小于2 枷颗粒含量及粘土活性三个因素建立粘土膨胀势判别分类图，对膨胀土进行 判别分类；美国垦农局w g 荷尔兹( h o l t z w g ) 提出了以胶粒含量、塑性指数、缩限、膨 胀体变为指标的判别分类方法。随着模糊数学和灰色理论的发展，对膨胀土的判别采用多 个指标进行综合判别越来越引起人们的重视，已经出现了灰色关联法( 陈新民，1 9 9 6 ) 、 灰色聚类法( 梁俊勋，1 9 9 2 ) 、模糊数学判别法( 黄卫，1 9 9 9 ) 等。这些方法均采用多个 指标进行判别分类，并用权重描述各指标对膨胀土判别分类的重要性，取得了很好的效果。 1 2 4 膨胀土强度特性机理 膨胀土的强度特性较之普通的粘土要复杂得多。通常情况下，膨胀土的峰值抗剪强度 非常高，但从失稳的膨胀土边坡反算出的强度却远远低于其峰值。针对这一现象，不同的 学者在各自的研究基础上提出了不同的强度理论。 ( 1 ) 饱和土强度理论 l 、渐进性破坏理论：b j e r r u m ( 1 9 6 7 ) 认为超固结膨胀土边坡破坏是渐进的，其抗剪强 度并非在滑动面上同时发挥。即由于裂隙的存在和开挖边坡所产生的应力释放，造成膨胀 土强度的不均匀性和应力差异，当土中某二点的剪应力增加到等于该点土的抗剪强度时， 则该点产生剪切破坏。这种剪切破坏逐渐传播，最后引起坡体的整体破坏。 2 、滞后破坏理论：对膨胀土边坡破坏研究发现，边坡破坏往往是开挖后几个月或几 年后才发生的。b i s h o p ，b j e r r u m ( 1 9 6 0 ) 研究认为，膨胀土堑坡由于应力集中和吸力等原 因会造成土质软化，因而使凝聚力随时间降低，引起滞后破坏。 3 、胀缩效应理论：自然状态下的膨胀土强度较高，但遇水会使膨胀土土体结构破坏， 强度降低。廖世文( 1 9 8 4 ) 等认为膨胀土边坡的变形演化实际上是土体在风化营力作用下， 经过反复的干缩湿胀效应，其抗剪强度逐渐衰减的过程，并建议采用“模拟”边坡土体干 缩湿胀效应的方法测试膨胀土的抗剪强度；孔官瑞( 1 9 9 3 ) 、廖济川( 1 9 9 0 ) 的研究也证实了 这一观点。 4 、气候作用理论：潘君牧( 1 9 8 4 ) 认为边坡土体在气候引起的风化作用下，作用层的 强度会随时间衰减，从而引起边坡的破坏，并根据边坡土体风化程度的变化，将土体分为 强风化层、过渡层和未风化层。 5 、分期分带理论：廖济川( 1 9 9 0 ) 认为确定膨胀土的抗剪强度应考虑强度分带的界线、 强度使用期限和膨胀土的工程特性三个方面。 ( 2 ) 非饱和强度理论 1 、b i s h o p 理论：b i s h o p ( 1 9 6 3 ) 在他对非饱和土有效应力理论研究的基础上，针对强 度问题提出，有效应力数值取决于土的类别、饱和度、干湿循环以及加载和吸力路径，其 理论已被许多学者所接受。 2 、f r e d l u n d 双变形理论：f r e d l u n d ( 1 9 9 3 ) 等人提出以两个独立的应力分量来表达非 饱和土的抗剪强度，其成果己得到国际公认和局部采用，但由于目前的吸力测试技术仍较 1 繁难复杂，所以未能在工程实践中大量应用。 3 、吸附强度理论：卢肇钧( 1 9 9 1 ) 将膨胀力引起的强度称为吸附强度，其值与膨胀压 力有关，其理论适用性还有待进行验证。 4 、吸力强度双曲模型：缪林昌等( 2 0 0 1 ) 在控制吸力的非饱和三轴试验基础上提出吸 力强度的双曲模型，此模型参数确定简便，具有较好的实用价值。 而对膨胀土的强度特性研究表明，膨胀土的抗剪强度是由颗粒间相互移动和胶结作用 而形成摩擦阻力所控制的，但由于膨胀土粘粒含量高，多含亲水性的蒙脱石类矿物成分， 颗粒结构形式复杂，裂隙分布带有随机性，以及膨胀土与水系相互作用和胶结物质的存在， 形成了复杂的物理现象和物理化学现象。强度研究是膨胀土研究中所必不可少的，科研人 员对膨胀土研究作了大量的工作，得出很多有用的结论和经验公式。多数研究主要是通过 室内试验和现场原位试验研究膨胀土的强度与含水量之间的关系( 卢再华等，2 0 0 1 ；王国 强，1 9 9 9 ) ：o r u m r i g h t ( 1 9 9 5 ) 和r o h m ( 1 9 9 5 ) 研究得出膨胀土的有效凝聚力和有效内摩擦 角与吸力无关，与饱和度也无关的结论；徐永福( 1 9 9 9 ) 提出了非饱和膨胀土的结构性凝聚 力和结构性内摩擦角的概念，研究了非饱和膨胀土的结构性强度与含水量和吸力的相关公 式：徐永福( 2 0 0 0 ) 根据非饱和膨胀土的分形结构模型，导出了非饱和膨胀土的吸力强度公 式，并讨论得出非饱和膨胀土强度公式是非线性的；缪林昌( 2 0 0 0 ) 对南阳膨胀土的强度进 行了研究，依据常规三轴试验结果提出了非饱和膨胀土的吸力强度与饱和度之间的非线性 关系式。 1 3 石灰改性膨胀土机理 膨胀土在我国分布广泛。膨胀土的形成和演化过程很复杂，不同的母岩经物理化学风 化改造和水流的搬运作用，在不同的地质时代与沉积环境的条件下，形成了成因类型不同 的膨胀土。 目前处理膨胀土的方法主要是化学改性，如掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠、氯化钙 和磷酸等稳定膨胀土”3 。其中用掺石灰处理膨胀土是最普遍而且有效的方法。掺石灰处理 后能降低胀缩性主要是通过减小土的塑性来实现的。但是，石灰稳定的过程主要有两个： 其一是随着石灰中的钙离子取代土中低价的阳离子，比如粘土颗粒表面的钠离子而发生的 阳离子交换，没有发生交换的钙离子可能会被吸收，造成总的离子单位重量增大；其二是 当石灰与土混合时，通过粘土颗粒的絮凝，土的组织发生了变化。随着石灰含量的增加， 人为地减少了粘粒含量，因而也就相应减小了膨胀与收缩。3 1 3 1 自由膨胀率与矿物成分的关系 尽管膨胀的成因各不相同，但各种不同的膨胀土所含的主要矿物成分是基本一样的。 通常膨胀土的矿物成分包括粘土矿物和碎屑矿物。碎屑矿物主要成分为石英、云母和长石， 其次为方解石和石膏等矿物，碎屑矿物是粗粒部分的主要组成物质。一般来说，粗粒在膨 胀土中含量有限，对其胀缩性质影响不大，而影响膨胀土工程性质主要是细粒部分的粘土 矿物，特别是蒙脱石类的矿物，包括高岭石、蒙脱石和伊利石等。 蒙脱石的胀缩机理与矿物成分有着极为密切的关系。矿物成分不同，土体的膨胀性能 4 也不同，这主要是由于矿物的晶体结构不相同。 蒙脱石类的矿物是三层结构。由二层硅氧四面体和夹在中间的一层水铝氧八面体组成 的，四面体的氧面向结构的中央，由于四面体中的硅被铝置换，八面体中的铝又被钙、镁、 铁等阳离子置换，使晶体产生负电荷，晶架极不稳定，亲水性强，因此晶面间距是随着层 问吸附水的含量而变化的，具有显著的膨胀性。 伊利石矿物也是三层结构，其四面体中的硅可被六分之一铝所置换，但由于层间是由 钾离子相连接使电荷达到平衡。因此层间往往缺乏吸附水的能力，即缺乏膨胀性。 高岭石矿物是二层结构，由一层硅氧四面体和一层水铝氧八面体组成，几乎不存在同 晶替代作用，没有剩余电荷，结构稳定，晶面间距不受水的影响，没有膨胀性。 多水高岭石和水合多水高岭石也是二层结构，在四面体和八面体之间以氢氧根代替平 衡电荷。同时在两单位结构层之间可填充水分子，故稍有膨胀性。但它比蒙脱石矿物的膨 胀性能低得多。 从晶体的结构上看出，蒙脱石族的矿物遇水膨胀最大，其能量与它的含量成正比。 1 3 2 石灰同膨胀土的相互作用 ( 1 ) 石灰与膨胀土作用机理 l 、阳离子交换作用：石灰同膨胀土掺和以后，土中将产生过量的c a ”，它能置换土 中其它低价离子。 2 、絮凝或团聚作用：主要表现是使土中的小团粒变成大的团块。石灰土击实后的微 结构呈团粒骨架结构。在这种结构中，单粒、微团粒和团聚体相互接触形成骨架状，微团 粒多位于团聚体之间起连接作用或充填于团聚体之间的孔隙中，而且微团粒之问常相互联 结在一起在团聚体之间起“桥”，“拱”的作用，结构单元完全缺乏定向性，结构连接类型 为远凝聚接触型，孔隙类型多样。随着灰剂量的增加，结构模型不变，只是结构单元发生 有规律的变化，孔隙增多，结构变疏松。 以上两种作用将明显改善土的塑性、膨胀势和其他物理性质，但对强度影响不大。 3 、碳化作用：土中的石灰同空气中的二氧化碳发生作用，可形成c a c o 。晶体。但该 作用对土的强度影响不大，有时甚至会使土的整体强度降低。 4 、胶结作用：适量的石灰和水，可同土中大量存在的硅、铝或两者同时作用而产生 较强的粘结物质，在这种高碱性的环境中，主要是生成氢氧化钙铝，结果将使土的强度有 大幅度的提高，土的结构也将有较大的变化。 ( 2 ) 石灰稳定土的物理力学性质 石灰与含水的粘土相接触后将发生一系列物理化学反应，这些物理化学反应将引起土 的所有物理力学性质变化。实践证明：当石灰稳定土的含水量小于某值时，石灰与土基本 上不发生化学反应。而在含水量合适的条件下，当灰剂量小于某个值时，石灰稳定土的各 种物理性质指标随着灰剂量的增加而变化较快；当灰剂量大于某个值时，石灰稳定土的各 种物理性质指标随着灰剂量的增加而变化缓慢。这一灰剂量被称为“改性点”。1 。“改性 点”随着土与石灰的类型的变化而变化，但基本接近于3 。因而本文室内试验选取掺加 3 的石灰作为石灰改性膨胀土的基本灰剂量，以利于试验结果的参照与对比。 5 ( 3 ) 影响土体膨胀性大小的因素 1 、膨胀土的矿物组成：由上述可知，膨胀土中硅、铝和钙的含量对以上4 种作用都 会产生影响，而膨胀土中铁硫化物和有机质含量过多，将会破坏上述4 种作用。 2 、膨胀土团粒的大小：土的粒度越细，它同石灰的相互作用将越充分，否则要适当 增加石灰的用量。 3 、石灰的用量：当石灰用量不足时，一般不产生胶结作用，这时只是大幅度地降低 了膨胀土的塑性，因而也减低了它的膨胀潜势和收缩性，但对其强度的影响不大，随着石 灰用量的增加，逐渐产生胶结作用，逐渐增大石灰土的强度，直到最佳用量时，改性土达 到最大的强度。 4 、时间：膨胀土与石灰掺和后，其强度是随着时间而逐渐增加的。3 个月内强度是 随时间而变化的，超过3 个月强度变化趋缓。1 个月内强度变化较快，所以一般工程实用 取2 8 天强度作为判断石灰处理效果的指标。 5 、湿度：湿度越高，石灰与膨胀土的作用过程将越快。 6 、冻融作用：石灰处理后的膨胀土，经过冻融循环后，强度将会降低。多数情况下， 经过7 个循环后，强度趋于恒定，而经过3 个循环后，强度已基本接近不变值，故工程实 用多采用3 个循环后的值。 1 3 3 膨胀土掺石灰对土的工程特性影响机制 为什么膨胀土中掺入少量石灰对降低胀缩性产生如此明显的效果呢? 主要因素有以下 几点。 ( 1 ) 石灰对土粒表面结合水膜的影响 膨胀土的粒度成份以粘粒为主，其粘土矿物成分主要以蒙脱石、伊利石为主。这些粘 土矿物的晶胞与晶胞之间可以吸收无定量的水分子，所以结晶格架非常活动，而且是非常 亲水的( 伊利石晶胞间吸引了一定量的k + ，因而结晶格架没有蒙脱石那样活动，亲水性也 较蒙脱石低) 。水不仅可进入晶胞之间，而且扁平粒子的表面亦可吸附水“。众所周知， 影响土的工程性质的主要因素之一，取决土粒结合水膜厚度的变化。结合水膜薄，粒间粘 结力就大，土的抗剪强度大，胀缩性小。反之，结合水膜厚，粘结力变小，土的强度低， 胀缩性高。因此，可以利用离子交换的原理促使水化膜的变化。这在我们的日常生活和生 产实践中也相当常见。如明矾使浑水快速澄清，便是由于高价a l “离子交换悬液中的低价 离子，使扩散层变薄而凝聚沉淀。在粒度分析制备悬液时加入氨水或六偏磷酸钠，其作用 就是用一价的阳离子去交换土中的高价离子，加厚扩散层使土分散，都是利用的这一原理。 离子交换能力愈大者使水化膜扩散层愈薄。也就是说离子交换能力的次序也就是离子使扩 散层变薄能力的次序。某些常见离子交换能力的次序是f e ” f e ” c a 2 + m g ” k + h + n a + l i + 。 膨胀土中掺入石灰使土中c a 2 + 离子含量提高，因而使土粒问的结合水膜变薄，强度提高， 胀缩性减小，改善了土的工程性质。这就是为什么说被钙离子饱和的膨胀土比被钠离子饱 和的膨胀土胀缩性小得多的原因。在膨胀土中掺入石灰，也正是利用了离子交换原理。” ( 2 ) 碳酸钙胶结对土工程性质的影响 膨胀土中掺入石灰遇水后发生下面的反应，生成氢氧化钙。 c a o + h ：o = c a ( o h ) ： 6 氢氧化钙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。 c a ( o h ) 2 + c 0 2 = c a c o 。+ h 。0 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，无疑会对提高强度，减小土的胀缩性起作用。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。其次粘土矿物中的a r 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，从而提高了土的强度，降 低了土的胀缩性。 ( 3 ) 石灰对土粒与土粒之间结合形式的影响 这里先介绍一下什么是“离子发生基”。举一简单例子，次生二氧化硅的表面与水起 化学作用，形成一层偏硅酸h 。s i0 3 。偏硅酸在水中离解成s i0 3 2 一和h + ，因之称h 2 s i 0 3 为“离 子发生基”。s i o 。2 - 与颗粒的结晶格架不能分离，因而使颗粒表面带负电。膨胀土中掺入的 石灰，经反应后生成的碳酸钙虽是难溶盐，但毕竟是有一定的可溶性，所以遇水就会发生 分解： c a c 0 3 = c a 2 + + c 0 。2 一 这就是说c a c 0 3 本身就是离子发生基。与选择性吸附不同，它不是吸附了水中的离子 成为双电层的内层，相反的，是由于失去了c 0 ，而使颗粒表面带正电荷。一般情况下，土 颗粒的表面带负电荷。由于两种颗粒表面带相反的电荷，相邻的两种颗粒不需要通过公共 的水化膜( 或反离子层) 的作用，他们之间就会直接地相互吸引而形成集合体。由于静电引 力的作用，增强了土颗粒间的凝聚力，减小了粘土矿物的亲水性，使得膨胀土的胀缩性减 小。】 1 4 工程背景 1 4 1 工程概况 南京至淮安高速公路是江苏省规划的“四纵四横四联”主骨架中的“纵三”，南联省 会南京，北至淮安，并与徐宿淮高速公路相连。马坝至武墩段高速公路起点位于盱胎县马 坝镇东阳乡2 0 5 国道南侧，终点位于淮安市武墩乡。 第四纪地质资料反映，路线所处淮安市盱胎县东部和洪泽县清浦区西部地区，有大面 积覆盖于地表或埋藏在地表下浅层处的膨胀土，其矿物成分中均含有不同比例数量的伊利 石、蒙脱石和高岭石。众所周知，在膨胀土地区，路基土体遇水软化，易发生胀缩变形， 引起路基下沉而导致路面变形、开裂、翻浆、冒泥、沉陷等。因此，为确保宁淮高速公路 路基的稳定性和强度，膨胀土前期勘察工作显得尤为重要。” 1 4 2 沿线膨胀土分布情况 本工程施工图详勘阶段，在宁淮高速公路沿线上，共布设了7 3 个探坑，取土样1 4 6 个，并于沿线布置8 0 个综合钻孔，共进行天然土膨胀性测试试验3 3 4 个，取得了大量的 试验数据，经过试验数据分析，其特点如下： 1 、膨胀性土普遍集中分布于第1 、2 层粘土及下伏第2 一l 层粘土，第1 、2 层裸露地 表，与路基关系密切；第2 1 层部分地段裸露，大部分地段被第l 、2 层覆盖，鉴于部分 7 路段可能挖方，故对路基稳定性有不可低估的影响。 2 、膨胀土第1 、2 层成岩母质源于上更新统含钙质结核粘土，部分地段第2 层粘土由 第2 一l 层粘土经地表人工耕植及灌溉软化而成，也正因如此，其与第2 1 层粘土表现为连 续沉积、逐渐过渡的关系。 3 、膨胀土岩性为黄褐色、褐灰色粘土，含铁锰质氧化斑纹、斑点及结核雏形，一般 厚度0 5 2 0 米，局部地段厚度可达3 米。 4 、沿深度分布有较强的规律性，表现在2 8 米局部3 0 米以上膨胀土胀缩总率一般 2 0 0 4 0 0 ，3 0 米以下胀缩总率一般小于2 0 0 。这主要是受下伏岩性控制。 5 、膨胀土是一种特殊膨胀结构的粘质土，与所含亲水性较强的矿物成分的多少有关， 而与土体的含水量、孔隙比及塑性状态关系不明显。 对于膨胀性土层路基地段，应特别注意第1 、2 层粘土含水量变化，防止失水或浸水， 并在试验指导下进行掺灰处理。 对于2 0 米以下第2 1 层弱膨胀性土，由于被上覆层掩盖后，其埋深较深，又位于地 下水之下，对路基稳定性无甚影响，一般可不进行处理。“ 1 5 本文的主要思路及研究内容 1 5 1 论文思路 本文以宁淮高速公路施工过程中所遇到的膨胀土为研究对象，联系膨胀土的结构成分 特征以及强度形成机理，采用掺加石灰改性的方法，研究在不同条件下( 灰剂量、养护龄 期、压实度、温度等) ，石灰改性膨胀土的效果变化情况，并联系工程实测资料，对其改 性效果进行实地验证，系统地分析石灰对膨胀土工程性质的影响。通过对改性土样进行应 力与应变关系的初步分析，从改性机理方面分析石灰改性土的强度与变形之间的规律。 在石灰土施工方面，目前研究主要集中在二次掺灰，碾压最佳含水量和压实度的控制 和养护方面。施工最佳含水量的控制主要依据规范规定的干法击实试验，并没有对干法和 湿法的差别进行研究。宁淮高速公路沿线存在大面积膨胀土，石灰土底基层填筑料也只能 采用膨胀土。因此，如何确保膨胀土地区石灰土工程质量的施工工艺研究具有实际意义。 本文在对石灰土路用性能进行系统的试验研究基础上，结合宁淮高速公路石灰土底基 层的铺筑，对其施工应用进行研究。本文的研究成果将有利于石灰土底基层使用质量的提 高，并对降低工程造价、节省工程投资产生较大的影响，具有显著的社会和经济效益。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 原材料的试验，包括石灰、土的性能指标的试验。 ( 2 ) 通过对宁淮高速公路膨胀土成分与结构的研究，分析膨胀土成土地质环境、原 始应力条件，对其物理力学性质进行分析，并提出对膨胀土类型判别的一些看法。 ( 3 ) 通过室内试验研究，分析不同的击实试验方法所引起的素土及石灰改性土土样 的最大干密度与最佳含水量之间的差别，提出符合工程实际的试验方法，作为工程施工质 量控制的标准。 ( 4 ) 通过比较膨胀土掺加石灰改性前后工程性质的变化情况，分析影响石灰改性效 8 果的因素，以应用于工程施工。 ( 5 ) 根据实际施工过程中难以避免的自然条件影响及气候变化，考虑不同温度对石 灰改性效果的影响，研究在非常温条件下，石灰改性土的工程性质。 ( 6 ) 制备重塑土样，进行应力与应变关系分析，建立土体的本构模型，对改性土土 体特性进行分析。 ( 7 ) 通过理论分析，联系工程实际条件，提出适用于工程实际施工需要的改性方法。 ( 8 ) 根据工程施工实践，总结石灰改性膨胀土施工的具体旌工工艺。 9 2 膨胀土室内试验 2 1 原材料试验 2 1 1 膨胀土 各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土类和粘土类土都可以用石灰来稳定。一般来说，粘 土颗粒的活性强、比面积大，表面能量也较大，故掺入石灰等活性材料后，所形成的离子 交换、碳酸化作用、结晶作用和火山灰作用都比较活跃，因此石灰土强度会随土的塑性指 数增加而增大。从另一方面讲，重粘土虽然粘土颗粒含量多，由于不易粉碎和拌和，稳定 效果反而差些，而且容易使路面造成缩裂。而如果土的塑性指数偏小，则施工时难以碾压 成型。因此，一般采用塑性指数为1 0 2 0 的土，易于粉碎均匀，便于碾压成型，铺筑效 果较好1 1 “。 试验土样取自宁淮高速公路盱眙县旧铺镇k 9 1 + 6 0 0 处6 # 取土坑。根据公路施工的特 点，对原状土的物理指标进行了室内试验分析。本试验所用膨胀土的性质指标如表2 1 及表2 2 所示。 表2 - 1膨胀土矿物成分及颗粒组成 矿物成分( ) 颗粒组成( ) o 0 5 0 0 1 o 0 0 5 高岭石伊利石蒙脱石石英等 o 0 5 m 0 0 0 2 m o 0 1 m0 0 0 5 m m0 0 0 2 i l i i n 2 25 02 441 72 6 52 8 8 2 0 82 2 2 表2 _ 2膨胀土基本物理力学性质 l 天然含水量液限塑限塑性指数自由膨胀率 天然孔隙比 ( ) ( ) ( )( ) ( ) 2 8 5o 7 36 0 2 2 3 92 2 34 2 o 2 1 2 石灰 各种化学组成的石灰均可用于稳定工程用土。石灰的等级愈高( 即c a o + m g o 的含量愈 高) ，在同样石灰剂量下，就有较多的c a o 和m g o 起作用，因而稳定效果愈好；石灰的细 度愈大，其比表面愈大，在相同剂量下与土粒的作用愈充分，其效果愈好。因此，石灰质 量应符合i i i 级以上标准，并尽量缩短石灰的存放时间，最好在生产后不迟于三个月内投 入使用。 国外有用磨细的生石灰稳定湿粘土，获得良好效果“。因为生石灰在消解中可放出大 量热能( 每克释放6 4 8 x1 0 4 j ) ，加速石灰土的改性进程。另外，刚消解的石灰呈胶状，其 中的氢氧化钙活性和溶解度均较高，能保证石灰与土中胶粒更好地作用。因而，采用生石 灰稳定土的效果优于熟石灰。但是生石灰磨细工作量大，灰粉飞扬空中，对人体健康以及 1 0 环境危害较大，目前较少使用。 石灰中的氧化钙和氧化镁含量对石灰土的影响较大，当石灰中的氧化钙和氧化镁的含 量低于2 0 时，石灰土的强度会受到明显的影响。试验采用经充分消解的消石灰，根据公 路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 8 - 2 0 0 0 ) “”测得其有效钙镁含量为5 9 6 ， 属于i i i 级消石灰，完全满足公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) ”规定的技 术指标。在试验前把经充分消解和烘干后的消石灰过2 m 筛子，去除未烧好的石块。 2 2 膨胀土分类判别的试验研究 在宁淮高速公路外业勘察及室内资料分析整理过程中，对沿线分布大面积膨胀土确定 并无异议，但对在膨胀土分类判别时，常常出现“依自由膨胀率判别为非膨胀土，按胀缩 总率e p s 判别却为弱膨胀土；依自由膨胀判别为弱膨胀土时，按胀缩总率e 。判别却为中等 膨胀土”的情况。如何合理地评价描述判别膨胀土，并经济有效地处理膨胀土，这是工 程地质勘察必须要解决的大问题，有必要在此作一些讨论。 2 2 1 宁淮高速公路沿线膨胀土特征 ( 1 ) 宁淮高速公路沿线，膨胀土分布广