石灰改良膨脹土在路基填筑中的應用

梁玉明

（新疆交通建設管理局項目執行二處，新疆 烏魯木齊830002）

膨脹土是一種對環境濕度變化敏感，由強親水性礦物蒙脫石和伊利石等組成，具有多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性等特性的一種高塑性泥土。在一般情況下，膨脹土強度較高，壓縮性較低，但當土中含水量變化時，膨脹土有發生脹縮變形的特性，是一種在高速公路建設中不可忽視的不良地基土。造成高速公路病害的主要因素有沉陷變形、滑坡、溜塌、縱裂、坍肩等。因對膨脹土膨脹能力估計不足而造成公路病害的損失是相當驚人的。

1 工程概況

十天高速鄂陜界至安康段是國家高速公路十堰至天水聯絡線（G7011）陜西境的重要一段，是陜西省“2367”高速公路規劃網東西橫向主軸線的重要組成部分。A—CD49 合同段起于漢濱區張灘鎮石門村（K108+100），終于漢濱區新城辦九里村（K113+100），全長5km，設計時速80km/h。本合同段挖方為228.5 萬m3，填方88.1 萬m3。其中K108+600～K109+900 段為高液限、高塑性、高含水量的膨脹土。該段挖方量為79.1 萬m3，填方量為68.4萬m3（含安康東服務區）。將該膨脹土作為路基填料是最經濟的，然而如果不加任何處理直接利用，則會對高速公路造成嚴重的破壞。對K109+000 取土場膨脹土指標進行分析，從自由膨脹率、粘粒含量等指標來看，土樣屬于中等膨脹土；但從CBR 線膨脹率來看，土樣為強膨脹土；從塑性指標看，土樣為高液限黏土，具有較差的水穩性。從現場土樣結構看，土樣為紅色，黏土中有較多粉砂，易風化為碎礫石。通過以上分析判斷，取土場土樣為中強膨脹土。

2 膨脹土改良方案比選

根據經驗，為解決高速公路膨脹土路基填筑問題，降低其對公路工程建筑的危害，通常采取以下幾種方法。

2.1 換填法

借土填筑是該段路基膨脹土處理中簡單而有效的方法。即挖除膨脹土，換填非膨脹土或砂礫土。本合同段路基填筑中，若采取換填法則需進行較大規模的挖方，將產生大量的棄土且需大量取土填筑，經濟性和環保性均較差。

2.2 濕度控制

濕度控制法包括水穩定法和預濕法兩種，其作用機理是通過人工措施減少路基含水量受外界環境的影響，進而控制膨脹土含水量的變化。常用的方法為土工布包封法，此方法將膨脹土與外界大氣隔絕開，從而減少膨脹土內部水分的變化。

2.3 改良處理

改良處理即利用水泥、石灰等材料與膨脹土之間的化學作用和物理作用來改變膨脹土的性能，從而達到提升膨脹土強度和水穩定性的目的。其中，石灰的固化作用是由于鹽基交換、次生碳酸鈣的膠結性、黏土顆粒與石灰相互作用形成新的含水硅酸鈣、鋁酸鈣等新礦物而產生的，其作用主要體現在改善膨脹土力學性能和降低其塑性指數方面。

石灰改良膨脹土技術作為路基土質改良方法之一，近年來應用十分廣泛。石灰作為膨脹土的改性材料有很多優點：改性效果明顯，消除脹縮性和提高強度兩者兼得；石灰改良膨脹土作為一種穩定固化土，具有較高的承載力、抗剪強度和良好的水穩定性。由于石灰資源豐富，成本較低，且石灰改良土能顯著提高土工結構的可碾壓含水量，可有效縮短施工周期。因此，采用石灰改良膨脹土做路基填料，見效最快、最有效，而且費用最低，因而本工程的膨脹土處理采用石灰改良的方案。

3 石灰改良膨脹土的機理

3.1 離子交換作用

在土中水作用下，生石灰迅速消解，產生Ca（OH）2，進一步離解出Ca2+、Mg2+和OH-、Ca2+、Mg2+，很容易置換膨脹土中顆粒所吸附的K+、Na+等離子。二價鈣鎂離子結合水膜較薄，能使膨脹土的分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低，塑性指數下降并容易穩定成型，形成早期強度。

3.2 碳酸化作用

Ca（OH）2和Mg（OH）2在土中會不斷和空氣中的CO2反應，生成CaCO3和MgCO3堅硬的固體顆粒，具有較高的強度和水穩性，由于CaCO3對土體的膠結作用使得土體形成石灰穩定土。經過長期化學作用，會體現出石灰土的后期強度。

3.3 凝膠反應

離子交換反應后期，隨齡期增長，膨脹土中的硅酸、鋁酸將與石灰進一步反應形成含水硅酸鈣、碳酸鈣。這兩種材料能在水環境下發生硬化，在膨脹土的粘粒外圍形成穩定的保護膜，具有很強的粘結力，形成網狀結構，從而提升石灰強度并保持穩定。與此同時，保護膜還有隔離水分、提升膨脹土水穩定性的作用。

3.4 結晶作用

石灰滲入膨脹土后，由于溶解度較小，除了離子交換和碳酸化作用以外，絕大部分的氫氧化鈣以結晶水的形式析出，進而有效提升了膨脹土的水穩定性和強度。

4 石灰改良膨脹土試驗分析

本工程路基施工前，通過試驗對石灰改良膨脹土的基本物理強度、力學性能及脹縮性等問題進行了分析，對不同參量對膨脹土性質的影響及相應的變化規律進行了研究，并對改良土的CBR特性進行了試驗分析，結果如下。

4.1 界限含水量

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%、6%、8%計量的石灰后得出液塑限數據如表1 所示，液限、塑性指數變化如圖2所示。

表1 土樣液塑限試驗結果

圖1 液限、塑性指數變化示意圖

由以上數據可以看出：兩個土場的膨脹土在外摻石灰后其液限和塑性指數都發生了很大的改變：液限含水量有明顯下降，塑性指數減小至6%左右，大大改善了膨脹土的水穩定性，降低了膨脹土中土粒對液相水的靈敏性。從灰劑量角度看，隨著灰劑量的增加，液限和塑性指數都在降低，但在灰劑量達到5%之后若再增大含量，其對膨脹土的界限含水量指標改善不再明顯。較高灰劑量（8%）對于改善膨脹土的液塑限性質已不太明顯。

4.2 黏粒含量

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%、6%、8%計量的石灰后得出黏粒含量數據如表2所示，黏粒含量變化如圖2所示。

表2 黏粒含量試驗結果

由以上分析可知，對膨脹土進行改良后，在灰土聯接作用下，土體的粒度成分發生了明顯變化，黏粒大幅度減少。

圖2 黏粒含量變化示意圖

4.3 自由膨脹率

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%、6%、8%計量的石灰后得出自由膨脹率數據如表3所示，自由膨脹率變化如圖3所示。

表3 自由膨脹率試驗結果

圖3 自由膨脹率變化示意圖

從表3中可以看出，摻加消石灰之后膨脹土的自由膨脹率明顯下降，由原來的60%以上下降到30%以下。隨著灰劑量的增加自由膨脹率都出現了先下降后升高的趨勢，在較低灰劑量（4%～6%）時各土樣的自由膨脹率都在30%左右，在灰劑量達到8%后，灰土的自由膨脹率反而有所升高。

4.4 承載比

在膨脹土中分別摻入2%、4%、5%計量的石灰后得出CBR線膨脹率數據如表4所示。

表4 CBR試驗結果

線膨脹率與浸水CBR 之間存在很好的負相關性，隨著CBR 的增加，線膨脹率不斷減小。摻消石灰之后，CBR 值顯著提高，甚至是原來的40 倍以上，且與膨脹率呈負相關。這說明在膨脹土中摻石灰之后，經過膨脹土與石灰發生一系列的化學、物理反應，從根本上改變了膨脹土的性質，從而達到降低膨脹性、提高CBR 的目的。

5 結語

本文根據以上試驗結果，同時結合工程實際情況，制訂了石灰改良膨脹土路基施工方案。截至目前，該段路基工程已建成通車，通過觀察，路基質量穩定，完全達到設計及施工的安全要求，為利用石灰改良膨脹土填筑路基提供了非常成功的施工經驗。

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