石灰改良软土路基填料饱水强度特性研究

1、第24卷第4期2004年08月矿冶工程MININGANDMETALLURGICALENGINEERINGVol.244August2004石灰改良软土路基填料饱水强度特性研究贺建清1,2,张家生(1.中南大学铁道校区,湖南长沙410075;2.湖南科技大学,湖南湘潭411201)摘要:掺入石灰能有效改善软土的力学性质,石灰土的最大干密度dmax随石灰掺入量的增大而减少,最优含水量随石灰掺入量的增大而增加;非饱和状态下的石灰土强度并非一直随着石灰掺入量的增加而增大,而是存在一个最佳掺入量,根据本次试验结果,石灰掺入量为8%时,石灰土的强度最高。饱水状态下的石灰土强度随掺入石灰量的增大几乎呈线性单

2、调增加,但其强度仍远远低于非饱和状态下的石灰土强度。如果用石灰土作路基填料,仍按现有规范测定其强度,则不能准确反映石灰土的强度特性。填料压实度对其强度特性有显著影响,在工程实际中,遇到在河塘低洼地段修筑路基,应该严格控制压实度,为保证工程质量,填料的压实度设计值取90%为宜。关键词:石灰土;软土;塑限;无侧限抗压强度中图分类号:TU447文献标识码:A文章编号:0253-6099)0018Improvingthe2saturatedPackingsUsingLimeAStudyHEJian2qingtan411201,Hunan,China)1,2,ZHANGJia2shengKeywords

3、:limesoil;softsoil;plasticlimit;unconfinedcompressionstrength锡太一级公路位于长江三角洲地区,该地区为近代沉积土层,含有大量粘性土,属软土地基。公路沿线地下水丰富,土源奇缺,为节省工程造价,不得不就近开挖取土,取用力学性质较差的粘性土作为路基填料,因此,必须对路基填料进行改良。无侧限抗压强度是改良土最重要的强度指标之一,通常用来作为评价改良土性能的关键性指标。以往测定改良土的无侧限强度都是参照文献23来进行,先在标准养护条件下进行养生,在试件养生期最后一天,经24h饱水后测定其无侧限抗压强度。因其针对的是稳定材料,试验结果较准确反映了

4、研究对象的强度特性。但在河塘收稿日期:20032102121低洼地段修筑路堤,由于地下水水位太高,原地表以下部分路堤大都处于地下水位以下,作为路基填料的改良土实际上自一开始便处于饱和状态,如果仍按上述方法来评价改良土的强度特性已失去实际意义。虽然有学者在研究高速铁路路基改良填料的强度特性时也用饱和无侧限抗压强度来反映改良填料的改良效果,但其试验方法与前者并无二致。因此,有必要研究石灰改良软土在饱水条件下的强度特性。本文通过界限含水量试验、重型击实试验,研究了不同石灰配比及不同养护时间对石灰改良土液限、塑限、最大干密度、最优含水量的影响。模拟现场条件,47作者简介:贺建清(1965-),男,湖南

5、湘乡人,博士研究生,副教授,主要从事软基处理方面的研究。第4期贺建清等:石灰改良软土路基填料饱水强度特性研究19通过无侧限抗压强度试验,研究石灰改良标准及饱水养生条件下的强度特性。1试验方案1.1试验原料土样取自锡太一级公路K29+500处,为灰色淤泥质亚粘土。该土的主要物理力学指标见表1。由表1可看出,该土具有高含水量、高压缩性、低抗剪强度等特征,属于需经处理方可填筑路堤的填料。试验所用石灰消解后其有效CaO和MgO总含量为57.9%,属级灰。表1土的物理力学指标含水量%34.1图1石灰掺入量对界限含水量及塑性指数的影响土中掺入石灰后,石灰与土发生强烈的相互作用,由于离子交换作用,使细粒形成

6、团粒结构。从图1中可以看出,12%变化时,液限曲线。但塑限曲线变8%时,塑限变化最大,塑。可见在软土中加入一定剂量的石灰,塑性降低明显,工程性质得到改善。2.2最大干密度、最优含水量的变化石灰土重型击实试验结果见图2。从图2可以看出,随着土中石灰掺入量的增加,石灰土的最大干密度dmax降低,最优含水量wop增加。这是因为试验过程中,将石灰与土拌和,细小颗粒凝聚和絮聚,土结构即刻发生变化,成为较大颗粒,这种变化影响了土的压实性能。由于石灰与土的水化反应消耗掉土中的一部分水分,因此石灰的加入不会降低颗粒间的摩阻力。从图2还可以看出,随着掺灰量的增加,石灰土的最大干密度并不是成比例减小的,掺灰量在8

7、%12%范围时,最大干密度的变化很小。液限%50.5塑限%24.1塑性指数压缩系数粘聚力内摩擦角(°)%kPaMPa-126.40.72按文献5测定土的液限、塑限。按风干土干质量的3%,5%,8%,10%,12%分别掺入石灰,加水拌匀,保湿放置24h,使样品充分浸润,6然后击实,击实类型为重型击实。1.3标准养护条件下的无侧限抗压强度试验由击实试验得出不同配比石灰土的最大干密度dmax和最优含水量wop后,按wop=2%控制含水量和90%压实度,根据规范35建议,细粒土采用直径与高度比为1的要求,将每种不同配比的石灰土,利用5cm×压力机静力成型,分别制作6个/5cm圆柱体

8、试件,装入塑料袋开口标准养生7d,浸水24h后,测定其无侧限抗压强度。1.4饱水条件下的无侧限抗压强度试验基于“高度与直径之比为13范围时,压缩强度89基本不变”,考虑此次研究的侧重点不同,按上述方法将素土和掺灰量分别为5%,8%,10%的石灰土,采用锤击法,按90%的压实度锤击成型,各制作3个3.91cm×8cm圆柱体试件,选用真空抽气法进行/图2石灰掺入量对最大干密度及最佳含水量的影响饱和,然后置于水中在室温下养生7d,测定其无侧限抗压强度。2.3不同养护条件下石灰土强度特性的比较不同养护条件下,石灰土的无侧抗压限强度值见图3。从图3中可以看出,标准养护条件下,石灰土的强度随石灰

9、掺入量的增加而增大。石灰掺入量较低时,石灰主要起稳定作用,会使土的塑性、膨胀性降低,初步具有水稳性,密实度和强度稳定。随着石灰掺入量的增大,强度和稳定性均提高。但石灰掺入量超过2试验结果及分析2.1石灰土的液、塑限的变化利用LP-100型液限塑限联合测定仪测定不同配比石灰土的液限、塑限,试验结果见图1。20矿冶工程第24卷一定数量后,过多的石灰将沉积在土孔隙中而不参加反应,将导致石灰土强度降低。而在饱水养生条件下,石灰溶液被稀释,从石灰溶液中游离出来的钙离子浓度降低,导致离子交换速度放慢,硬化作用、炭化作用减弱,进而影响石灰土强度。虽然石灰土的强度随石灰掺入量的增大几乎呈线性单调增加,对其进行

10、线性回归,石灰掺入量每增加1%,石灰土强度约增加6kPa,即便如此,其强度仍远远低于标准养生条件下石灰土的强度。图5破坏的素土试件和石灰土试件(5%)(a)素土试件;(b)(5%)2.5%的石灰,所以选用这两种土为研究对象,研究在饱水条件下压实度对其强度的影响。不同压实情形下,素土和5%石灰土的应力应变关系曲线见图6、图7。图32.4石灰掺入量对石灰土应力应变特性的影响以轴向应变为横坐标,轴向应力为纵坐标,绘制应力2应变关系曲线,如图4所示。图6石灰土填料的应力2应变关系曲线图4素土和石灰掺入量对应力2应变关系的影响从图4中可以看出,素土的应力2应变关系曲线是一条平缓上升的曲线,到达某一应力值

11、后,应力不再继续增加,应变持续发展,呈现出显著的塑性变形。而石灰土则不同,它们有明显的峰值点,在到达峰值点以前,曲线急剧上升,超过峰值点后,土的强度随应变的增加而降低。显然,掺入石灰后,土的峰值强度即无侧限抗压强度、弹性模量明显增加,塑性降低显著,工程性质得到改善。同时,破坏形式也有所不同,前者为塑性破坏,破坏后的试件呈腰鼓状,见图5(a);后者为脆性破坏,破坏后的试件有明显的剪切破坏面,见图5(b)。图7素土填料的应力2应变关系曲线第4期贺建清等:石灰改良软土路基填料饱水强度特性研究213结语1)石灰的掺入能有效改善软土的力学性质,石灰4)填料压实度对其强度特性有显著影响,在工程土的最大干密

12、度dmax随石灰掺入量的增大而减少,最优含水量随石灰掺入量的增大而增加,击实曲线明显变得平缓,可使石灰土在一个较宽的含水量范围内达到要求的击实度,从而有利于施工中控制含水,使其能满足路基填料的要求。2)非饱和状态下的石灰土强度随着石灰掺入量的增加而增大,但并不是石灰掺入量越多越好。试验结果表明,石灰掺入量为8%时,石灰土的强度最高。3)饱水状态下的石灰土强度随石灰掺入量的增大几乎呈线性单调增加,石灰掺入量每增加1%,石灰土强度约增加6kPa,但其强度仍远远低于非饱和状态下的石灰土强度。如果用石灰土作路基填料,测定其强度,实际中,遇到在河塘低洼地段修筑路基,应该严格控制压实度,为保证工程质量,填

13、料的压实度设计值取90%为宜。参考文献:1王午生.铁道线路工程M.上海:科学技术出版社,1999.2JTT057-94,公路无机结合料稳定材料试验规程S.3CCJJT80-98,固化类路面基层和底基层技术规程S.4徐勇,等.石灰土作为铁路路基填料的研究J.岩石力学与工程学报,2001,20(增1):1013-1017.5JTJ051-93,公路土工试验规程S.6GB123-88,土工试验法S.7.北京:中国铁道出版社,1988.8J.岩土工,216.京沪高速铁路路基基床填料改良试验研究J.岩石力学与工程学报,2001,20(增):1910-1916.(上接第17页)振动学等学科。只有在大量理论

14、分析的基础上进行必要的基础试验研究,借助计算机技术与仿真技术,补充和完善微流体动力学基础理论,为水压传动基础元件及水压冲击机构的设计提供先进的研究手段和优化设计方法,才能研制出具有自主知识产权的商品化的水压凿岩机械。参考文献:1张玉成.凿岩机构气动工具行业概况、差距及发展方向J.凿岩6Anon.Water2powereddrillsinSouthAfricaJ.MiningMagazine,1992(4):243-2467ParaszczakJ.Compariativeexperimentbetweenwater-poweredjacklegdrillandpneumaticdrillsJ.M

15、iningEngineering,1994(8):999-10028高战敏.南非金矿井的深度开采技术J.国外金属矿山,1997(6):29-34.9孔键.液压凿岩机来到加拿大J.国外金属矿山,1995(10):61.10杨曙东,李壮云.水压传动的主要课题及研究进展J.中国机械工程,2000(9):10701073.11杨曙东,李壮云.水液压技术应用基础知识平台浅析J.液压机械气动工具,2003(3):23-33.2PearseG.Hydro2poweratkloofJ.MiningMagazine,1990(11):436-437.3Brindeau,MarcSuccesfulbreakthroughwithwaterJ.SulzerTechnicalReview,1994(1):15-19.4ParaszczakJ,PlanetaS.Evaluationofthepotentialofminingwithwater-poweredjacklegdrillsJ.MiningEngineering,1996(3):68-72.5WillsJ.Advancesinwater2poweredrockdrillingJ.CIMBu