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随着我国经济建设和城市化进程的加快,土地资源日趋紧张。近年来在高速公路建设中,为了节约工程建设成本,有效保护土地资源,其路基填料取土场多选择在水库、水塘和废弃洼地等地段,该地段一般土质较差,多为含水量较高的软土。根据高速公路建设规范要求,软土不能直接作为路基填料,需进行改性处理,有效提高其强度和水稳性。本文从环境岩土工程角度,系统研究了裂隙性软土的分布规律和工程地质特性。针对该软土的改良加固问题,利用工业废料进行开发利用和深加工,成功研制了一种新型土体固化材料——CMSC型固化剂。该固化剂具有中等可溶性等特点,以适当配比与石灰配合使用,能显著增强土体的强度和水稳性,可应用于软土改性处理和其它混合料的固化等,并经裂隙性软土改良处理工程的实际应用,可满足设计和施工要求,达到对裂隙性软土改良加固的目的,获得了较好的经济效益和社会效益。论文围绕裂隙性软土的环境岩土工程问题及其改良对策开展了一系列的试.验研究工作,其主要研究工作和相关成果如下:
1、系统研究了盱眙裂隙性软土的形成年代、分布特征与成因机制,并通过试验分析了裂隙性软土的矿物化学成分、粘粒含量、基本物理力学性质、胀缩性质及其承载强度特性。经综合分析,认为研究区的裂隙性软土形成于温暖、潮湿、排水不良条件的沉积环境,物源上来自于盱眙老粘土,经冲积、近距离搬运,在封闭洼地中就近堆积。其次其干时易开裂,且易形成较大粒径的团粒,湿时含水量高、孔隙比大,呈软塑或流塑状态。同时由于土中铁质等氧化物和有机质的胶结,增强了颗粒间的连结力,形成不易分散的团粒,对土的胀缩起抑制作用,且土粒间此连结力较大,而土粒间结合水膜的楔劈作用不足以抵消粒间连结力。此外该软土的孔隙比较大,从而造成盱眙裂隙性软土的膨胀性不太明显,使其不同于常见膨胀土。该击实裂隙性软土的膨胀量和吸水量较大,承载强度较低。根据规范要求,该软土不能直接作为路基填料。
2、现行公路路基的强度评价主要是通过CBR试验,采用CBR值作为评价指标。但根据裂隙性软土改良填料的自身特性,采用标准CBR试验方法不能真实反映水环境影响下的承载强度特征。本文进行相关研究,研究表明采用传统击实筒对试件饱水,在其侧限密闭条件下,难以实现对试件的充分均匀饱和,其试件变形量远小于实际工程中的土体变形量。为此,对传统击实筒进行改造,研制了新型饱和器,将标准CBR试验方法中试件的顶底浸水方式改为各向浸水,这种改变可使试验条件更符合路基的实际工况。采用新型饱和器饱和后试件的CBR值明显降低,但却增强了路基填料强度评价的可信度。
3、针对裂隙性软土干时较硬难以粉碎,湿时又难以掺拌的特点,本研究组研制了一种新型固化材料——CMSC型固化剂。CMSC型固化剂具有两种型号,并将石灰和CMSC型固化剂以不同掺量掺入裂隙性软土中,通过改进CBR试验,得到CMSC-B型固化剂和石灰分别以2％和6％的配比掺入土中的改良效果最好,能够达到较高的承载强度。试验结果表明CMSC型固化剂是一种新型的固态固化剂,该固化剂以化工厂的工业废料为主要原料,节约了一定数量的石灰,有利于环境保护和降低成本。
4、由于裂隙性软土的粘粒含量很高,干时易形成较大的团粒,通过改进CBR试验发现,团粒大小对灰土、CMSC型固化剂改良土的承载强度均有一定的影响。对于灰土而言,当团粒的平均粒径大于3.5mm时,CBR值则逐渐减小;而当团粒的平均粒径小于3.5mm时,CBR值则逐渐增大。对于CMSC型固化剂改良土而言,当团粒的平均粒径大于7.5mm时,CBR值则逐渐减小:而当团粒的平均粒径小于7.5mm时,CBR值则逐渐增大。CMSC型固化剂由于自身改性的优点,更适合在稍大的粒径范围内发挥作用,达到CBR峰值,较好解决了裂隙性软土粉碎困难,掺灰不均匀的难题。CMSC型固化剂在土质改良处理中具有较好的应用前景。
5、运用干湿循环试验,模拟路基填料在雨季时发生吸水饱和,而在旱季时又会失水干缩,即在多变环境条件下其承载强度的变化规律,用以评价新型路基填料在多变环境下的耐久性。试验研究表明,随循环次数的增加,新型固化剂改良土试件的CBR平均值表现为先逐渐增大,在循环次数为4时达到峰值,后又呈减小趋势。从机理分析来看,该承载强度变化规律主要受试件的含水率和裂隙性以及试件的养生作用共同控制。
6、从微观结构角度研究了CMSC型固化剂改良裂隙性软土的机理。与灰土SEM照片对比来看,CMSC型固化剂掺入后,可清晰看到新型固化土的土颗粒间形成的一系列针棒状矿物。在土颗粒间的孔隙中,呈簇状的针棒状矿物和呈絮状的白色凝胶物质充填其间,增加了改良土的致密性,显著提高了固化土的强度和水稳性。