广满高速公路砾状煤系土改良方案研究

广满高速公路砾状煤系土改良方案研究

1降低工程土壤条件广州-梧州高速公路云浮区分布着大量的煤系地层，在工程上通常被称为煤系土壤。试验研究发现，煤系土发育程度不同，其各种物理力学性质指标存在较大的差异。按煤系土颗粒组成进行分类，可将其分为粉状煤系土、砾状煤系土和块状煤系土3种。其中，砾状煤系土的典型地质特点是土层软硬不均，含水率低，层间的胶结程度差，结构较为松散，强度极易散失，遇水易膨胀软化，工程特性极不稳定。将其作为路基填土，不符合规范要求，是一种不良土质。根据勘探、施工开挖及工程地质调查结果发现，广梧高速公路云浮地区现场地层由上至下可划分为耕植土、坡积层和三叠系（T3）煤系土。如果将工程中遇到的煤系土简单作为弃方处理，会造成大量土地资源的浪费，增加工程造价，对工程周围环境也会造成不利影响。相关资料显示，在其他高速公路建设中遇到煤系土问题时，一般作为弃方处理，所做的研究也主要集中在对煤系土边坡处理方面，而对砾状煤系土能否作为公路路基填料和如何改良相关方面的研究不多。随着高速公路建设逐步向偏远山区、丘陵地区发展，这个问题是亟需解决的重要问题之一。本文在前人对高液限土改良利用研究的基础上，着重对砾状煤系土作为路基填料的改良进行试验研究，期望达到既满足公路填料的要求又经济的目的，为砾状煤系土作为路基填料提供理论依据和工程应用借鉴。2基本物理特性和存在的问题2.1砾状煤系土工程特性分析砾状煤系土属全风化和强风化的产物，主要以粗粒为主，随着含水率的增加，煤系土的颜色逐渐加深，颜色由灰黑色逐渐变为深黑色。试样取自广梧高速公路K49+275处离地表2.0m深处的煤系土。(1）根据X射线衍射图谱分析结果表明，砾状煤系土矿物组成以石英为主，含有少量的伊利石、高岭石和蒙脱石的黏土矿物，且以伊利石为主，是影响砾状煤系土的工程特性的主因。(2）试验结果显示，砾状煤系土不均匀系数Cu=242，曲率系数Cc=0.9。根据我国《土的分类标准》(GBJ145-90)的规定，属于不良级配。从砾状煤系土颗粒分布范围上看，按《土的分类标准》属于粉土质砾，其土代号为GM。(3）根据试验结果，砾状煤系土的击实曲线与黏性土的规律基本相同，其最大干密度uf072dmax=1.85g/cm3，最优含水率wop=11.2%。(4）由试验结果得到试样压缩系数αv均值为0.075MPa-1，压缩模量Es为17.41MPa。由《建筑地基基础设计规范》可知，砾状煤系土在93%压实度下具有较低的压缩性。(5）经渗透试验分析，砾状煤系土属于低抗渗性土。湿化试验表明，砾状煤系土的崩解性很强，遇水后其强度降低很快。2.2对于路基的质量隐患砾状煤系土最显著的工程特性是水稳性差，与水作用后，其强度会急剧降低，甚至产生崩解现象。如果这类土直接作为高速公路路基填料，就可能对路基留下相当大的质量隐患。根据砾状煤系土作为路基填料直接进行的现场填筑压实试验，其压实度和承载比CBR值均达不到《公路路基设计规范》的要求。此外，砾状煤系土的级配不良，粗粒含量过高且强度低，粒径组成会随碾压过程而变化，所以不能像砂质填料那样采取控制颗粒级配来达到最优密实度，也不能将其全部破碎成细粒土而通过最优含水率来控制。解决的途径之一就是对其进行改良处理，使其达到质量标准的要求。3两种改进试验方案的比较3.1水泥掺加或称碱状煤系土借鉴高液限土改良的经验，并针对砾状煤系土物理力学特性以及高速公路路基质量要求和实际工程情况，选择了两种改良试验方案，即掺石灰改良和掺水泥改良。掺石灰改良是在砾状煤系土中掺入适量的石灰，使石灰与砾状煤系土发生一系列物理、化学作用，从而使砾状煤系土的性质发生根本的变化，提高其水稳性、胶结性等工程性质。石灰与砾状煤系土的相互作用包括：离子交换作用、结晶硬化作用、火山灰作用、碳酸化作用。掺水泥改良是用少量水泥掺入砾状煤系土中使其改变工程性质，其机制是水泥分布在砾状煤系土中构成坚固的核心，在所有的孔隙中形成水化水泥的骨架，借以约束颗粒，提高水稳性、胶结性等。赫佐格指出：低掺入比水泥土的应力-应变特性表明，水泥首先在土中构成核心，当水泥用量增加时，水泥则成为骨架结构，水泥掺入比达到2.5%便可以构成连续的骨架结构。美国的研究资料表明，含有10%～35%粉粒和黏粒的砂土和砂砾土，用水泥加固效果最好。两种方案均能达到改良处治的目的：一是提高土的强度，二是提高土的水稳性。因此，衡量方案对煤系土的改良处治效果应从强度和水稳性两方面考虑。3.2土样的制备及改良方案为研究不同改良材料与掺入比对砾状煤系土的改良效果，按照《土工试验方法标准》等规范要求，采用压实法制备土样，以93%的压实度制备改良试样，采用不同的掺入比，对改良煤系土的击实试验、承载比试验、湿化试验进行对比。改良试验方案如表1所示。掺入比为掺入剂质量与干土质量之比。石灰采用产地为云浮的袋装石灰粉，水泥采用产地为云浮的325号普通硅酸盐水泥。3.3试验结果分析土体压实性能可以通过室内的击实试验获得，其中最大干密度和最优含水率是进行路基填筑过程中重要的试验指标。试验采用重型击实方法，试验结果如图1、2所示。从图1、2可以看出，在掺入水泥的改良砾状煤系土中，随着掺入比的增加，其最大干密度略有增大，最优含水率减少；而在掺入石灰的砾状煤系土中，随着掺入比的增加，其最大干密度略有降低，而最优含水率随之增加。总的来说，砾状煤系土掺入石灰、水泥后，改良土体的最大干密度、最优含水率都有所变化，但从结果上看，变化都不大。3.4不同改良材料对砾状煤系土cbr的影响按照《公路土工试验规程》要求，将具有代表性风干土过5mm筛，按4分法制备试样。先按重型击实标准击实后，置于水槽中4d，然后取出做承载比贯入试验，得到CBR值。砾状煤系土承载比试样试验结果见图3。从图3结果看，随着水泥、石灰掺入比的增加，砾状煤系土的CBR均有大幅增加，但两种改良材料对砾状煤系土CBR提高效果是不同的。掺入3%的水泥，砾状煤系土的CBR由3.6%增加至31.7%，增大了8.8倍；而掺入3%的石灰，砾状煤系土的CBR增加至15.7%，增大了4.4倍。掺入3%的水泥和石灰后砾状煤系土的CBR均能够满足公路路基设计的路基填料要求。水泥掺入比由3%增加至5%,CBR增加了13.3%；石灰掺入比由3%增加至5%,CBR增加了4.3%。可见随着掺入比的增加，水泥改良砾状煤系土CBR增加速率要大于石灰改良砾状煤系土。3.5稳定型湿化试验又叫崩解试验，湿化是指土在水中发生崩解的现象。根据土的崩解特征，可以分析水对其工程的危害程度，提出合理的处理措施。(1）测试设备湿化仪包括浮筒（最小刻度为1mm）、盛土网架（1cm网格），辅助设备有水槽、制样器、天平、秒表、刮土刀，烘箱。(2）浮筒体试验见表1试验将改良土过2mm筛后，配置成初始含水率为12%，分别掺入3%、5%的水泥、石灰，制作压实度为93%的5cm×5cm×5cm的击实样。试验步骤如下：(1)向水槽里注水，试样放在网架的中央，浮筒、网架和试样平稳的放入水槽中，同时开启秒表，记录浮筒初读数R0。(2)按0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、10.0、20.0、30.0min记录浮筒读数Rt。(3）系土崩解量情况崩解量按下式计算：式中：At为时间t时的崩解量（%）；Rt、R0分别为t时的浮筒读数和开始时的浮筒读数。改良砾状煤系土的湿化试验结果如图4所示。从试验结果来看，水泥改良砾状煤系土的崩解量明显小于石灰改良砾状煤系土，掺入3%的水泥后，砾状煤系土的崩解量由100%降至5.1%，水泥掺入比提高至5%，崩解量降至2.4%，可见水泥改良对砾状煤系土水稳性提高很大；而掺入3%石灰，砾状煤系土的崩解量为16.2%，石灰掺入比提高到5%，崩解量为13.4%，可见石灰对砾状煤系土水稳性提高效果没有水泥明显。砾状煤系土出现崩解现象减弱是由于其遇水后凝聚力急剧下降，水泥加入土中后，水泥中的各种成分与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，产生胶结作用，增强了土颗粒间的黏结力，因而使砾状煤系土遇水后崩解性降低很多。3.6灰渣砾状煤系土根据对砾状煤系土采用不同改良方法的比较试验分析可知，掺入一定量的水泥或石灰可以较好地改善其工程特性，既增加了砾状煤系土的强度，同时也改善了砾状煤系土的水稳性，均能满足公路路基规范中作为路基填料的CBR要求。但石灰改良对砾状煤系土的水稳性提高效果欠佳，而掺入约3%水泥的改良砾状煤系土就能够有良好的水稳性能。综合考虑不同改良方法对砾状煤系土的强度和水稳性等的影响，得到水泥改良较石灰改良处治砾状煤系土更有效的结果。4工程特性分析为进一步研究水泥改良后砾状煤系土的工程特性，对改良后砾状煤系土进行三轴剪切试验和无侧限抗压试验，分析砾状煤系土通过水泥改良后的强度变化性质。4.1试样的制备试验将试验用的砾状煤系土，配制成含水率为12%、水泥掺入比分别为3%、5%、7%，用分层击实的方法制成uf06639mm×80mm、压实度为93%的三轴试样，然后将试样在标准养护条件下养护至28d，再制成改良砾状煤系土的饱和试样，每组3个试样。将试样在100、200、400kPa的围压下剪切，得到不同水泥掺入比下的强度包络图，以获得砾状煤系土改良前后的三轴固结不排水强度指标。4.1.1cu对cu的关系建立水泥掺入比Aw与改良砾状煤系土黏聚力ccu的关系，得到图5。可以看出，随着水泥掺入比的增加，改良砾状煤系土的凝聚力成递增趋势，具有显著的线性特征，用线性拟合公式表示：4.1.2建立关系，求解关系建立水泥掺入比与改良砾状煤系土内摩擦角的关系，得到图6。可以看出，随着水泥掺入比的增加，改良砾状煤系土的内摩擦角也成有所增加，但增加趋势随着水泥掺入比增大而逐渐减小。4.2无侧限强度试验无侧限抗压试验是指试样在无侧限压力条件下抵抗轴向压力的极限强度。通过无侧限抗压强度试验，研究改良砾状煤系土无侧限抗压强度与水泥掺入比、含水率、龄期之间的关系。根据《土工试验方法标准》和《公路土工试验规程》要求，试验采用直径为39.1mm、高度为80mm的圆柱状试样，用分层击实的方法制成压实度为93%的试样。将试样在标准养护条件下养护至7、14、28d后进行无侧限强度试验。改良砾状煤系土无侧限抗压强度试验结果见表2。4.2.1无侧限抗压强度随水泥加入比的变化由图7的改良砾状煤系土的无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系曲线可见，在相同的龄期下改良砾状煤系土的无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增长明显增长。同时，含水率w越低，这种变化的趋势越明显；龄期越长，无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大的增幅也越明显。4.2.2水泥加入比不高情况下的无侧限强度变化由图8可知，在相同的龄期和水泥掺入比条件下，改良砾状煤系土强度随着含水率增加而减小。在水泥掺入比不高的情况下，改良砾状煤系土无侧限强度随着含水率变化的趋势不明显，随着水泥掺入比的提高，趋势越来越明显。龄期较小时，相同水泥掺入比的改良砾状煤系土无侧限强度随含水率的变化趋势也较小；龄期越大，改良砾状煤系土的无侧限强度的变化趋势越大。4.3砾状煤系土的强度运用SPSS软件对表2的掺入比、含水率、龄期3个因变量拟合，得到改良砾状煤系土的强度公式为式中：qu为强度；w为含水率；Aw为水泥掺入比；T为龄期；相关系数R2=0.941。从公式可以看出，改良砾状煤系土强度随含水率增大而减少，随龄期、掺入比的增大而增大，与试验结果一致。5通过改善煤系土壤溶菌的变形特性5.1煤系土的双曲线模型在实际工程中，通过应用各种仪器进行试验，以获得土的应力-应变关系，这种关系反映了土体变形的特性。1970年Duncan和Chang根据Kondner的研究成果，利用土的常规三轴试验得到的应力-应变曲线建立了邓肯-张模型参数关系。该模型认为，在常规三轴试验下，土的加载和卸载应力-应变曲线均为双曲线，表达式为式中：a、b为双曲线函数参数；1/a为双曲线初始切线斜率；1/b为双曲线渐近线值；e为对应的应变。可以把式（4）改写如下形式：将曲线转化为直线，参数的确定简便易行。将砾状煤系土改良前后三轴试验曲线与双曲线模型拟合进行对比，得到图9、10。由图9和图10可见，双曲线模型在没有掺入水泥的煤系土的应力-应变试验曲线拟合效果很好，可见煤系土在三轴试验下的应力-应变基本满足双曲线模型。而对掺有水泥的煤系土试验曲线，双曲线模型对改良煤系土应力-应变曲线的上升段和峰值拟合效果较好，但对其破坏下降段的拟合不太理想。在实际用途中，一般不考虑改良煤系土峰值后的应力-应变段，所以可以用双曲线模型来近似的拟合改良煤系土在三轴试验下的应力-应变曲线关系。5.2水泥加入比对砾状煤系土变形模量的影响三轴固结不排水试验的变形模量取最大主应力差1/2时的主应力差与其对应的应变的比值，即式中：E为变形模量；为最大主应力差；主应力差对应的应变。不同水泥掺入比的砾状煤系土变形模量与围压的关系见图11。由图可知，砾状煤系土改良前后的变形模量都随着围压的增加而增大。