苏锡常南部高速公路太湖隧道开挖土利用研究

苏锡常南部高速公路太湖隧道开挖土利用研究
李存健1,孙冰清2,邓㊀欣1
(1．中设设计集团股份有限公司,南京210014;2．扬州市交通运输局,扬州225009)
摘㊀要:苏锡常南部高速公路设计过程中,为充分利用太湖隧道开挖土,对素土进行改性处理,使其满足规范设计要求,以用作新建高速公路路基材料㊂对开挖土进行分类,通过室内试验研究了素土在不同石灰㊁水泥掺量情况下的改性效果,利用击实试验分析了改性前后土体的击实特性,并在承载比(CBR)试验基础上评价了处理效果㊂结果显示,太湖隧道开挖的A㊁B㊁D 类素土经过掺石灰或水泥改性后均能满足路用性能㊂本文在传统的掺加石灰或水泥改性土试验的基础上,考虑了石灰与水泥共同作用的改性方法,为苏锡常南部高速公路提供了完整的对比方案,为工程实施提供了理论参考和科学依据㊂
关键词:太湖隧道;路基填料;击实试验;承载比试验
中图分类号:U414㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:16729889(2020)01000603
采用日期:20191121
第一作者:李存健(1986—㊀),男,硕士,工程师,主要从事路基设计㊁路面结构养护维修与检测等工作㊂
Study on Utilization of Excavated Soil in Taihu Tunnel in
Southern Highway of Su-xi-chang
LI Cunjian 1,SUN Bingqing 2,DENG Xin 1
(1．China Design Group,Nanjing 210014,China;2.Transportation Bureau of Yangzhou,Yangzhou 225009,China)Abstract :In the process of highway design in southern Su-xi-chang,it is necessary to modify the soil in order to make full use of the excavated soil when it is not meeting the requirements of used as the material of subgrade of new expressway.After clas-
sification of the excavation soil,this paper studies the modification effect of different soil improved by different amount of lime and cement in laboratory tests.According to the compaction test,the compaction characteristics of the soil before and after
modification are analyzed,and the effect is evaluated on the basis of CBR test.The results show that kinds of A,B,D plain soil excavated in Taihu tunnel can meet the road performance improved by lime and cement.On the basis of the traditional test of soil improved by lime and cement,this paper provides a complete comparison scheme and a theoretical reference and basis
of project implementation for the southern highway of Su-xi-chang considering the interaction of lime and cement.Key words :Taihu tunnel;material of subgrade;compaction test;CBR test
㊀㊀随着江苏省经济的快速发展,现有高速公路服务能力已经远远不能满足经济发展的需求,建设沪宁第二条高速通道显得尤为重要㊂苏锡常南部高速公路是江苏 五纵九横五联 高速公路网规划中 横六 的组成部分,与苏㊁锡㊁常三市的高速公路环线直接连通,实现三市绕城高速的交通流自由转换㊂考虑到路线所处地势总体平坦,土源较紧张,为了减少外购土方和远距离土方的调运量,综合考虑合理利用太湖隧道开挖土㊂因此,针对太湖隧道开挖土改良以满足工程要求的研究迫
在眉睫㊂
实际工程中,通常通过掺加石灰㊁粉煤灰或者水泥等掺合剂来改良土质特性[1]㊂惠会清等[2]通过分析石灰改良膨胀土的化学机理,建议石灰改良膨胀土的最佳掺加量为10%㊂龚军平[3]研究了石灰和水泥改良土的化学作用机理,结果表明塑性指数较高的黏性土采用石灰改良,粉砂土采用水泥改良,均能达到理想的改良效果㊂谷建可和梁科[4]研究了掺加水泥后软土的工程力学特性,结果表明天然含水量小于30%的软土,可通过掺加水泥进行改
第17卷第1期2020年2月
现代交通技术
Modern Transportation Technology
Vol．17㊀No．1Feb．2020
良,掺量控制在3%~5%㊂杨广庆[5]研究了水泥改良土在重复荷载下的动力特性,论证了重复荷载下水泥改良土作为路基填料的可行性㊂
目前改良土的施工方法主要有厂拌㊁路拌和场拌等,施工工艺成熟,结合施工工艺的方便性并考虑工程经济,对太湖隧道开挖土进行掺加石灰㊁水泥和混合掺加3种配比的试验研究㊂
1㊀试验材料
对太湖隧道开挖土的勘察采用地质调查㊁资料收集和挖探等方法进行综合勘察,主要对0~15m 浅土样进行分层评价㊂
为了便于土类的区分与利用,根据土工试验和静力触探测试,结合现场观察记录,将土类分为4类:黏土A㊁B㊁C3类,砂土D类㊂A类土为可塑或硬塑状态的高(低)液限黏土,属于可利用土源;B 类土为软塑或流塑状态的高(低)液限黏土,不推荐使用;C类土为流塑状态的高(低)液限黏土,含有机质,属于不可用土;D类土主要包括粉土和粉细砂㊂
一般路床填料需要满足承载比(CBR)不小于5%,路堤填料CBR不小于3%且液限(ωL)不大于50%,塑性指数(I p)不大于26㊂各类土勘探物理参数如表1所示㊂
表1㊀各类土勘探物理参数
勘探参数A B C D
含水率ω/%<3030~50ȡ50 静探锥尖阻力q c/MPaȡ0．90．4~0．9<0．4
2㊀试验设计
本文针对太湖隧道开挖土路用性能进行研究,在确定取土分类和物理参数的前提下通过重型击实㊁CBR试验对素土和改良土进行试验研究㊂根据隧道主体工程勘察成果,将15m开挖深度分为5个主要层位:12层位㊁21层位㊁23层位㊁24层位和31层位㊂根据观察可得:12层位土体呈灰褐色或灰色,为流塑状态,土质不均并且局部软塑,部分地段夹有粉砂或粉土薄层,具有高孔隙比和高压缩性,为C类土,用作地基材料极易导致地基变形,造成路基整体或局部沉陷,导致路面破坏,因此不采用;21和31层位土体呈灰黄色,大部分可塑,局部硬塑,并且土质较均匀,含有铁锰氧化物,具有中等偏低的压缩性,主要土性为高液限黏土和低液限黏土,为A类土;23层位土呈灰色或灰黄色,部分为粉砂层,土质湿且稍密,夹有粉质黏土和粉砂薄层,具有中等偏高的压缩性,为D 类土;24层位土呈灰色,为流塑或者软塑状态,主要为粉质黏土夹粉砂,为B类土㊂
试验按照‘公路土工试验规程“[6](JTG E40 2007)制备不同处理的试样各5种,每种分成3份进行试验求均值,通过击实试验确定不同土样在96%压实度下的最佳含水率和最大干密度,并通过承载比试验确定不同改良条件下土样CBR值㊂根据A㊁B㊁D类土的特点,设计如下试验方案:A类土土质较好,在素土满足填料要求的情况下可以直接使用,在不满足要求情况时进一步改良研究,按照素土㊁掺灰4%和掺灰5%3种情况进行试验研究;B 类土因土质稍差,需加大掺灰量,按照素土㊁掺灰6%㊁掺灰7%和掺灰8%4种情况进行试验研究;D类土因水稳定性较差,掺灰可能不一定满足要求,需要对掺灰和掺水泥混合方案进行试验研究,按照素土㊁掺灰6%㊁掺灰7%㊁掺灰8%㊁掺水泥2%㊁掺水泥4%和掺灰3%+掺水泥2%7种情况进行试验研究㊂
3㊀试验分析
3．1㊀击实试验
掺石灰㊁水泥后的土样进行重型击实试验,重型击实试验含水量与干密度关系曲线如图1所示
㊂
(a)
素土
(b)A类土
图1㊀重型击实试验含水量与干密度关系曲线
㊃7㊃
第1期李存健,等.苏锡常南部高速公路太湖隧道开挖土利用研究
(c)B
类土
(d)D 类土
图1㊀重型击实试验含水量与干密度关系曲线(续)
由图1可知,各类土随着土壤含水率的增大,土壤最大干密度呈现先增大后降低的趋势,干密度最大值情况下的土壤含水率即为最优含水率㊂不同条件下各类土最优含水率和最大干密度如表2所示㊂
表2㊀不同条件下各类土最优含水率和最大干密度土类
掺合剂最优含水率/
%
最大干密度/(g /cm 3)A 素土14．81．872石灰
4%16．61．7455%17．61．730B
素土
15．41．859石灰
6%17．81．7357%18．01．7158%18．41．713D
素土15．21．710石灰
6%15．61．6777%15．81．6758%16．81．660水泥
2%16．41．6954%
17．21．6903%石灰+2%水泥
16．6
1．676
㊀㊀由表2可知,随着掺合剂用量的增加,太湖各类土的最优含水率均有所提升,最大干密度随之下降,但是否满足路用性能还需要对改良后的各类土进行承载比试验,验证在最优含水率条件下改良太
湖土的CBR 值是否满足规范要求㊂3．2㊀CBR 试验
根据‘公路路基设计规范“[7](JTG D30 2015)要求,在96%压实度要求下,高速公路上路床填料的最小CBR 不小于8%,下路床CBR 不小于5%㊂为满足设计要求,A 类土土质较好,在满足路床填料要求和路堤填料要求的情况下,可直接使用,若不满足,则需要进一步掺灰研究后判定是否可用;B 类土不推荐使用,在土源紧缺时经充分晾晒㊁掺灰处理达到要求后可用;C 类土不可用;D 类土因其水稳性较差,因此需要根据CBR 值进行掺灰㊁掺水泥研究,满足要求后再行利用,并且填筑时尽量用在路基中部,并建议路基边缘用黏性土包边㊂因此改良后太湖土在96%压实度条件下承载比满足要求即可用于路基填料使用㊂
按照3．1所得各类土最佳含水率制备试样进行96%压实度条件下的承载比试验,不同条件下各类土CBR 值如表3所示㊂
表3㊀不同条件下各类土CBR 值
土类掺合剂干密度/(g /cm 3)
CBR /%A
素土1．8722．2
石灰
4%1．74567．65%1．73052．0B
素土
1．8596．9石灰
6%1．73565．27%1．71569．28%1．71373．6D
素土1．7108．9石灰
6%1．67733．67%1．67542．68%1．66045．9水泥
2%1．69536．54%
1．69066．3石灰3%+水泥2%
1．676
48．2㊀㊀由表3可知,A㊁B 和D 3种素土在96%压实度下的CBR 值分别为2．2%㊁6．9%和8．9%,B 类土和D 类土在素土条件下基本满足规范要求,但是考虑到实际土层的不均匀性㊁取土点土质可能存在特殊性以及室内试验的条件与实际施工的差异,因此3种素土均不可直接用作路基填土材料,需要进行改良㊂通过掺灰㊁掺水泥和石灰水泥混合掺加后,3种土的承载比均能满足路用性能的要求,实际施工可综合经济成本和掺加效果选择掺加比例,建议A 类土掺加4%石灰,B 类土掺加8%石灰,D 类土掺加4%水泥㊂
(下转第23页)
㊃
8㊃现代交通技术2020年
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(责任编辑㊀徐㊀静)
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(上接第8页)
4㊀结论
太湖隧道开挖的素土基本不能满足路用性能要求,需采用掺灰㊁掺水泥的处理方案,处理后即可满足路用性能要求㊂
结合各类土的种类和特性,建议优先采用A 类土的低液限黏土,虽具有弱膨胀性,但可通过掺灰处理消除膨胀性后使用㊂当土源紧张时,可使用B类土和D类土㊂B类土需经过改性处理后使用,需采取充分晾晒㊁掺灰等处理,取土时应注意观察,剔除有机质及腐植物,该类土塑性高,黏粒含量较高,掺灰不易均匀,易结块,不易粉碎,设计及施工时应予以注意;雨季施工时应注意防护,避免长期浸水而软化松散㊂D类土应在试验指导下掺灰㊁掺水泥改性,注意其水稳定性,改性后可用于路基中部填筑,如用于边坡,需采取防护措施,以避免冲刷破坏影响路基稳定㊂C类土含水率较高,黏性较高,含有机质,土性差,不推荐使用㊂若必须使用时,应在专门试验研究指导下进行特殊处理后使用㊂
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(责任编辑㊀陈㊀晨)
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第1期方中明,等.高地应力软岩隧道支护时机及预留变形量研究。