膨胀土施工技术与改良土的性质研究

第25卷 增1 岩石力学与工程学报 V ol.25 Supp.1 2006年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006收稿日期：2005–06–24；修回日期：2005–11–08作者简介：王保田(1963–)，男，博士，1984年毕业于河海大学地质及岩土工程系工程地质与水文地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程测试技术和可靠度理论方面的教学与研究工作。

E-mail ：btwang@改良膨胀土施工技术与改良土的性质研究王保田，张福海，张文慧(河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098)摘要：黄淮河冲积平原区广泛分布弱～中等膨胀土，用这种土作为高等级公路路堤填筑材料时，必须用掺石灰的方法对土体进行改良，以提高土体的强度，降低土体的胀缩性。

改良膨胀土施工采用二次掺灰工艺、合适的石灰拌和方法和碾压机械组合对提高改良土的碾压质量很重要。

系列现场和室内试验研究表明：采用二次拌灰工艺能够使石灰均匀并易于碾压。

尽管压实天然土的CBR 强度不满足规范的要求，但改良土的CBR 强度高，自由膨胀率低，无压膨胀量小。

改良土的微观结构与天然土明显不同，土粒间连接增强，基本看不到单粒形态。

关键词：土力学；公路路基；改良膨胀土；掺灰量；CBR 强度；微观结构中图分类号：TU 413 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增1–3157–05STUDY ON CONSTRUCTION TECHNIQUES AND CHARACTERISTICS OFLIME-STABILIZED EXPANSIVE SOILWANG Baotian ，ZHANG Fuhai ，ZHANG Wenhui(Institute of Geotechnical Engineering ，Hohai University ，Nanjing ，Jiangsu 210098，China )Abstract ：Weak and medium expansive soils are widely distributed in the area of the Huanghuai Plain ，China. The soil must be stabilized when it is used as the filling of the expressway embankment to improve its strength and reduce its expansion and shrinkage. The two-stage lime adding method ，the suitable mixing process and the combination of rolling machine are the key aspects for the construction of lime-stabilized soil. The test results show that the two-stage lime adding method is good for soil pulverizing and compacting. The California bearing ratio(CBR) of stabilized soil is very high although the CBR of the compacted natural soil is such low that it could not satisfy the requirement of the construction code. The free expansive ratio and the expansion of the stabilized soil are very low. The microstructure of the stabilized soil has significant difference to the natural soil. The connection of the particles of stabilized soil is strong and single particles almost could not be found in the stabilized soil.Key words ：soil mechanics ；highway subgrade ；stabilized expensive soil ；lime content ；California bearing ratio(CBR)；microstructure1 引 言许多高速公路路堤使用弱膨胀土作为填筑材料，在投入运营几年后，这些工程基本都出现了路面开裂、隆起，边坡失稳等问题。

从2003年开始，江苏省高速公路设计规定，使用弱膨胀土填筑路堤必须全部使用石灰改良土。

本文研究背景为宁淮高•3158 • 岩石力学与工程学报 2006年速公路(南京—淮安高速公路)，该工程是江苏省高速公路网规划“4纵4横4联”主骨架“纵三”高速公路的重要组成部分，为江苏省重大基础设施建设项目。

淮安境内的92 km路段全为填土路堤，平均路堤高度达3.7 m，最高路堤7.8 m。

全部路基采用石灰改良土填筑，设计掺灰量为：路床部位(0～80 cm) 8%，压实度≥95%；上路堤(80～150 cm)6%，压实度≥93%；下路堤(150 cm以下) 5%，压实度≥90%。

石灰改良土采用二次掺灰施工工艺，在取土场掺2%的生石灰(第一次掺灰)，以便降低土料的含水率和黏性，称作“砂化”。

第1次掺2%生石灰后将土料在取土坑中堆放3 d并在第2和3天各翻拌一次，使掺入的石灰均匀；然后将含灰量2%的土料运到路基上摊铺并翻拌、破碎，以进一步降低土块大小和含水率；当含水率降低到最优含水率opw以上5%左右时，向土料中掺入3%的消解灰(第二次掺灰)。

用稳定土拌和机粉碎2遍以上，使最大土块直径小于50 mm且含水率在opw～opw+3%的范围内，检测石灰剂量。

若石灰剂量符合要求，用18～21 t三轮压路机连续压实到设计压实度。

2 天然土的基本物理力学性质指标和主要工程问题分析本工程沿线膨胀土分布在地面以下7 m深度范围内，沿线取土进行的176组室内物理力学性质试验结果统计见图1。

膨胀土的天然含水率主要为20%～30%，处于硬塑状态；地基土的压缩系数大多在0.5 MPa－1以下；自由膨胀率大多在60%以下，最大达到90%；胀缩总率基本在4%以下；膨胀力大多在40 kPa以下，基本为弱膨胀土，局部分布中等膨胀土。

对于本工程，最小路堤高度 1.7 m，地基土在路堤荷载作用下不会产生显著的膨胀变形。

路堤覆盖作用使地基内地下水蒸发量减小甚至消失，地基土也不至于发生干缩变形。

因此膨胀土特有的胀缩问题在本工程的地基中基本不存在。

地基土基本为中等压缩性土，路堤荷载不大，设计单位计算的地基沉降大多小于15 cm，本工程在路面施工前还有6～9个月的预压期，工程建成后的工后沉降也将能够满足高速公路规范对路基沉降的要求。

(a)(b)(c)(d)图1 原状土的物理力学指标随深度的变化规律Fig.1 Physico-mechanical parameters of undisturbed soil vs.depth24681520253035含水率/%深度/m246压缩系数/MPa－1深度/m123456020*********自由膨胀率/%深度/m123456012345胀缩总率/%深度/m第25卷增刊1 王保田等. 改良膨胀土施工技术与改良土的性质研究 • 3159 •本工程的关键问题是使用压实的膨胀土填筑路堤。

现场选取3个取土场的素土进行重型标准击实试验和压实土的物理力学性质试验。

素土的平均最大干密度为1.80 g/cm3，平均最优含水率15.6%。

控制制样干密度为1.71 g/cm3(压实度95%)，含水率为17.6%时，试样在50 kPa压力下的膨胀量为2.0%～6.6%，平均值 4.2%，计算得到的平均胀缩总率为4.2%；试样膨胀力28～86 kPa；CBR强度为1.6～3.0，不满足规范[1]的要求。

综合上述指标，压实素土为中等～强膨胀土，因此，不能直接采用素土作为路堤填土[1]。

设计全线采用掺石灰改良的膨胀土作为路堤填土。

室内试验[2，3]表明膨胀土掺5%石灰改良后，物理力学性质得到极大改善：改良土的自由膨胀率降低到20%以下，胀缩总率低于0.2%，压缩系数低于0.2 MPa－1，承载比(CB R)达到40%～100%。

但是，在现场施工过程中，如何将石灰均匀掺加到土体中，用怎样的碾压施工工艺合适，如何提出合理的碾压施工质量控制标准，这些问题成为改良土高质量施工的关键问题[4]。

3 现场施工工艺试验路堤填土的天然含水率在最优含水率以上10%～20%。

现场素土若先风干再掺灰，土块将成为外干内湿的团块，极难破碎，石灰与土处于分离状态而不能拌匀，碾压不能成型且干密度低。

这是因为膨胀土黏性高，当平均含水率降低到塑限左右时，土块强度大，难以破碎，土块表面含水率低于塑限，失去黏性，因而碾压不能成型。

因此，现场施工必须在含水率较高时减小土的黏性，使土体易于破碎。

现场试验表明，在天然含水率条件下，先向土中掺2%生石灰，初步翻拌后，生石灰在吸收土体中水的同时，扩散并吸附在土粒表面，使黏土颗粒失去黏性，在含水率较高的条件下仍然易于破碎。

为此，宁淮高速公路采用了如下的二次掺灰工艺[5]：第1步：在取土坑第一次掺灰。

清除地表耕植土后，计算掺2%石灰时，每单位面积石灰用量，把生石灰均匀摊铺在地面。

用挖土机自上至下把土挖起堆放，在堆放期间再用挖土机把土堆翻拌两遍，注意翻拌时把大土块及时破碎。

第1次掺灰的主要目的是降低土的黏性，使土块易于破碎，工程上称作“砂化”。

第2步：把掺2%生石灰的灰土运到路堤上摊铺。

每层松铺厚度不超过25 cm，对设计灰剂量5%的灰土，再掺3%的消石灰。

计算掺3%石灰时，每单位面积消石灰用量，把消石灰均匀摊铺在松土面上，用稳定土拌和机粉碎铺土并使石灰拌和均匀，拌和2遍后检测土体含水率。

第3步：碾压。

现场碾压试验显示，石灰改良土碾压采用如下机械组合将达到较好碾压效果：先用XS190振动压路机振动碾压2遍，再用18～21 t 三轮压路机碾压到需要的密实度。

一般静压碾碾压4～5遍可达到要求，碾压6遍后干密度不再提高，再碾时干密度甚至会降低。

4 改良土的物理力学性质按照公路设计规范[2]的要求，填方路基上路床的CBR≥8%，下路床CBR≥5%，上路堤CBR≥4%，下路堤CBR≥3%。