1.1 课题背景
“过湿土”,即含水量高、过分潮湿的黏性土。一般情况下,其含水率在 20~40%范围内,饱和度超过 50%,孔隙比主要在 0.5 以上。过湿土含水量高,承载力低,稳定性差,容易变形。施工时常常出现“弹簧”现象,无法压实;竣工后,在行车荷载的作用下,极易导致路基路面产生沉陷、变形、失稳等破坏。 目前,针对过湿土常用的处治方法主要有翻晒、换填以及生石灰处治等,但在多雨季节,翻晒处理的难度较大,通常受工期等因素的限制难以很好地实现,而采用优良的土质进行置换,虽然可以取得良好的应用效果,但在用土困难的情况下难以实现,同时也带来了工程量增大、占地增加、环境资源使用加大,工程造价增高等一系列问题。随着高速公路建设的迅速发展及对路基强度和稳定性认识的提高,采用生石灰处治过湿土路基已十分普遍。 本文基于吉舒高速公路建设过程中遇到的实际问题进行分析研究,针对吉林省不同地区的地质、地貌、气候、水文条件等,在满足路基具有一定的强度、稳定性的条件下,即降低工程造价又保护生态环境的基础上,提出适宜的处治方法和施工技术对过湿土进行处理。现行路基填土的施工方法,检测标准并不完全适合过湿土路基。过湿土填筑路基往往很难满足现行规范的压实标准,如何填筑才能够既满足路基强度、耐久性、稳定性的要求,又具有经济可行性,是值得思考的问题。利用生石灰处治过湿黏性土作为公路路堤填筑材料是季节性冻土区需要解决的主要问题。
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1.2 国内外研究现状
在生石灰处治路基土方面,国内外学者做了大量的研究工作,取得了丰富的研究成果。国外许多国家如美国、英国、日本、前苏联等都曾对路基土生石灰处治技术进行了研究,积累了丰富的工程经验,取得了良好的效果。 1978 年,Sauer 和 Weimer[1]对冻融条件下石灰改良土的动变形特性进行了试验研究,试验结果表明反复冻结和融化严重影响着石灰土的动强度与动变形特性,甚至造成道路结构中的石灰稳定层产生拉伸破坏,路基填料呈现出颗粒材料的特征。 1980 年,Au wing-cheong 和 Chae Yong S[2]利用共振柱试验对膨胀土在石灰、盐分别掺入或者石灰、盐同时掺入条件下的动剪切模量进行了研究,分析了剪应变幅值、围压、饱和度、固化剂掺入量对动剪切模量的影响,认为上述诸因素对动剪切模量有显著影响,经处理改良后的膨胀土不仅动强度增加,而且静力特性也有所改善,膨胀率降低,因为盐在石灰土的火山灰反应中起催化作用,在膨胀土中同时掺入石灰、盐,改良效果最佳;同时,土的动剪切模量和静剪切强度具有良好的相关性。 1986 年,Akoto 和 Singh[3]通过循环三轴试验确定石灰改良红土的弹性及粘弹性参数,分析了动荷载、含水量、养生时间、掺灰比对回弹模量的影响。由试验结果可知,掺灰比愈大、养生时间愈长,回弹模量愈大,含水量、动荷载增大,回弹模量减少。 1996 年,Osula 等[4]对石灰和水泥处治红土的改良效果进行了对比,得出龄期对改良效果有一定的影响的结论。 Fahoum K[5]通过石灰处治三种不同塑性指数的粘土,对动力特性进行试验研究,结果表明随着石灰掺入量的增加,石灰改良土的动剪模量增大,阻尼比降低。)
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第2章 生石灰处治过湿土路基工程性质研究
在吉舒高速公路选取代表性土样,开展了室内生石灰处治过湿土的基本工程性质试验研究。通过界限含水率试验、比重试验、颗粒分析试验以及标准击实试验等物理指标试验,研究石灰对过湿土路基物理指标的影响规律。借助三轴压缩试验,研究生石灰对过湿土路基抵抗局部剪切破坏能力的影响规律。
2.1 试验方法及原理
粘性土的状态随着含水率的变化而变化,土处于一个可塑性状态时其含水率具有一定的范围,界限含水率就是这个范围的上下限值。 在工程上,具有实际意义的就是液限,塑限和缩限。液限即是可塑状态时的上限,塑限即是可塑状态时的下限。含水率低于塑限时,水分蒸发体积不在缩小。界限含水率尤其是液限可以很好地反映出土的某些力学性质。从液体到塑性的状态时逐渐发生的,一般我们用一种特别灵敏的仪器测试测土的强度,当土具有最小强度时的含水率作为液体和塑性体的界限值,称为液限 wL;当土的水分继续减少,出现脆性的时候,把此时的含水率作为塑性与脆性的界限值,称为塑限 wP。饱和粘土逐渐干燥,土体逐渐缩小,当土体不在缩小时的含水率作为缩限 wS 目前国际上测试液限大多采用碟式仪法和圆锥仪法、塑限采用滚挫法。我国目前采用液限和塑限联合测定法。这里主要介绍 76g 圆锥测定法[63]。 1.将土碾碎过 0.5mm 的筛。取土 200g,分开放入三个盛土皿中,土样的含水率分别控制在液限 a 点、略大于塑限 c 点和二者的中间状态 b 点,把土调均匀密封放置 18h。测定 a 点锥入深度,对于 76g 锥应为 17mm。测定c 点锥入深度,对于 76g 锥应为 2mm 以下。 2.把土分层装入盛土杯,压实抹平。调平仪器,锥尖抹上凡士林,转动升降旋钮,使锥尖与土样表面刚好接触,按下仪器按钮,仪器自动测出读数。然后改变位置(与上一次距离不小于 1cm)再次测试,允许两次误差为0.5mm。否则重做。取两次读数的平均值。
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2.2 试验结果分析
整理界限含水率试验结果,得到养生 1 天、3 天、5 天、7 天、10 天以及 14 天的界限含水率指标与石灰掺入量的关系,如图 2.3 所示。 分析图 2.3 的整体变化趋势,石灰处治土的液塑限随着石灰掺入比的增大而呈现整体增大的趋势,但其变化幅度不大。而塑性指数的变化规律正好相反,呈整体降低的趋势。随着石灰处治土养生时间的增长,各指标的变化规律趋于稳定。 形成这种趋势的原因,主要是土中掺入石灰后,早期的离子交换作用消耗了土中的一部分水,而随后的氢氧化钙结晶作用、火山灰作用以及碳酸化作用均需要水的参与。随着石灰掺入比的增大,土的团粒化的形成改变了土颗粒间的作用力,导致石灰处治土可塑性的增大。小掺量的石灰就可以改善土体的塑性,当石灰掺入比大于 7%时,土体塑性降低的趋势变缓。本章试验数据表明在土中掺入石灰可有效降低路基土的可塑性,对于减缓路基的永久变形具有一定的意义。
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第 3 章 生石灰处治过湿土加强层工作特性力学分析 ..... 24
3.1 生石灰处治过湿土加强层对土基强度的影响分析 ........ 26
3.1.1 生石灰处治过湿土加强层厚度对土基强度的影响 ......... 27
3.1.2 生石灰处治过湿土加强层模量对土基强度的影响 ......... 30
3.2 生石灰处治过湿土加强层对土基顶面压应力分布的影响分析 .... 32
3.3 生石灰处治过湿土加强层对土基内动偏应力的影响分析........ 36
3.4 生石灰处治过湿土加强层对路面结构力学响应的影响分析 ........... 38
3.5 本章小结 .... 45
第 4 章 吉舒高速石灰处治土抗冻性研究 ......... 46
4.1 石灰处治土冻胀试验 ........ 46
4.2 冻融前后石灰处治土抗剪强度试验 ........ 48
4.3 冻融前后石灰处治土 CBR 试验 ...... 55
4.4 本章小结 .... 58
第 5 章 吉舒高速公路路基现场监测与分析 ..... 60
5.1 试验路与监测元件简介 .... 60
5.2 路基现场监测元件布设与监测数据采集 ........ 61
5.3 路基监测结果分析 .... 65
5.4 本章小结 .... 70
第5章 吉舒高速公路路基现场监测与分析
吉舒高速公路经过的路段,土质挖方路段多处出现“过湿土”,需要处理后方可填筑路基。为了更好的了解在季节性冰冻条件下修筑的石灰处治土路基运行时路基的沉降量、冻胀量、温度及湿度等影响因素,需要对试验路进行实际现场监测分析。本章在吉舒高速公路代表性试验路段设计埋设了监测元件,并运用 GPRS 云平台传感器自动监测系统对试验段路基进行实时动态监测数据进行采集与分析。
项目组分别在两个断面不同深度处埋设了 YT-DG-0120 型单点沉降计/冻胀计与 YT-DY-0102 型土壤温湿度计,见图 5.1。YT-DG-0120 型单点沉降计/冻胀计是采用不锈钢制造,耐水压,具有先进的微处理技术,可在恶劣环境下测量土体沉降量与冻胀量。适用于测量大、小法兰盘之间冻胀土的变形位移,可进行长期监测和自动化测量。量程:50~400mm,分辨率:0.01~0.1mm,精度±0.1%F.S,误差范围:典型±0.1%F.S;最大±0.2%F.S,使用环境温度:-20℃~+80℃,温度补偿范围:0~40℃。YT-DY-0102 型土壤温湿度计是通过测量土壤的介电常数,能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量。量程:0~100%,精度:0~50%范围内为±2%,测量区域:90%的影响在以中央探针为中心,直径 3 cm、高 7cm 的圆柱体内。
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