劉加強(qiáng)，蔣 成，陳鏡丞，劉 彪，舒 毅，黃 華

(1.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410114；2.湖南省機(jī)場管理集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410137)

0 引言

紅黏土是一種廣泛存在于我國南方地區(qū)的一類特殊土，具有干縮濕脹大、裂隙發(fā)育、強(qiáng)度劣化、工程敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。在季節(jié)性降雨作用下，紅黏土力學(xué)強(qiáng)度迅速劣化，裂隙急劇擴(kuò)展，極易誘發(fā)翻漿冒泥、基坑路堤失穩(wěn)等工程災(zāi)害[3-4]。工程上一般采用水泥、石灰等傳統(tǒng)膠凝材料改良紅黏土的工程性能[5-6]，并取得良好的改良效果，但傳統(tǒng)膠凝材料具有用量大，嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境，且改良后土體極易發(fā)生開裂等副作用。

近年來，利用木質(zhì)素、植物纖維及微生物等對(duì)紅黏土進(jìn)行改良已成為工程發(fā)展的趨勢[7-8]。董吉等[9]利用木質(zhì)素纖維改良紅黏土的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)2%木質(zhì)素?fù)搅肯?，改良紅黏土的力學(xué)性能最佳，且具有典型的應(yīng)變硬化特征，不具有類似水泥改良土易開裂特征。王連銳等[10]利用巴氏芽孢桿菌和鐵細(xì)菌2種微生物固化紅黏土，發(fā)現(xiàn)微生物改良后的土樣密度增加，孔隙比下降，抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高，物理力學(xué)性質(zhì)得到極大改善。此外，許多學(xué)者利用堿激發(fā)劑改善紅黏土工程性能，如張瑤丹等[11]采用堿液加固紅黏土，提高其力學(xué)強(qiáng)度，探討在不同溫度、干密度和加固方式下的堿液加固效果。上述研究雖能有效提高紅黏土的工程性能，但這些方法具有污染環(huán)境、成本較高、改良效果不穩(wěn)定等副作用，影響了土體的改良效果。

生態(tài)樹脂類材料是一種有機(jī)高分子酯類材料，其分子量大、黏度高、粒徑小[12]，且在自然狀態(tài)下不影響植物的生長，降解后不污染環(huán)境[13]。本文采用生態(tài)樹脂類材料改良長沙地區(qū)的紅黏土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、直剪試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)探討改良紅黏土的力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1)紅黏土

試驗(yàn)所用紅黏土取自湖南省長沙市黃花鎮(zhèn)長沙機(jī)場擴(kuò)建工程施工現(xiàn)場某處基坑邊坡。經(jīng)篩分試驗(yàn)得到該紅黏土的粒徑級(jí)配曲線，如圖1所示。由圖1可知，<0.075mm的細(xì)粒黏粒含量約為23.3%。依據(jù)JTG E40—2007《公路工程試驗(yàn)規(guī)程》測得其天然干密度為1.32g/cm3，天然含水率為31.7%，液限為53.5%，塑限為32.3%，塑性指數(shù)為21.2，土的相對(duì)密度為2.68g/cm3，最優(yōu)含水率為24.2%，最大干密度為1.51g/cm3，自由膨脹率為17.2%，線收縮量為1.89%。經(jīng)XRD分析可得，該地區(qū)紅黏土的主要成分為高嶺石、伊利石、云母、方解石等。

圖1 紅黏土級(jí)配曲線

2)生態(tài)高分子材料

本文所用生態(tài)樹脂類材料是一種耐水解改性樹脂類材料，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，形成具有黏附性的乳膠粒，其懸濁液呈淺黃色黏稠狀(見圖2)。干燥后生態(tài)高分子材料具有較好的成膜性，其密度為1.03g/cm3，固含量為36%，粒徑<0.2μm，黏度為50 000～100 000Pa·s，pH值為6.5～7.5。

圖2 生態(tài)樹脂類材料懸濁液

1.2 試驗(yàn)方案

為分析生態(tài)樹脂對(duì)紅黏土力學(xué)性能的增強(qiáng)效果，開展不同摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間及干濕循環(huán)作用下生態(tài)樹脂改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及直剪試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表1所示。按表1中的試驗(yàn)方案，分別對(duì)0, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%摻量、養(yǎng)護(hù)1～7d的生態(tài)樹脂改良紅黏土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并通過SEM揭示其改性機(jī)理。

表1 試驗(yàn)方案

1.3 測試流程

1)試樣制備 將0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%摻量的生態(tài)樹脂加入到干燥的紅黏土中，再加入純凈水配制成含水率為24%的混合物。采用靜壓法分3層制備尺寸為φ50cm×100cm的圓柱形試樣，試樣干密度為1.4g/cm3。試樣制備完成后，將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d。

2)干濕循環(huán)試驗(yàn) 將試樣置于三軸飽和器中，再將其放入盛有純凈水的真空飽和缸中真空飽和24h；取出飽和試樣，放于106℃的烘箱中烘干24h，直至試樣完全烘干，此為一次完整的干濕循環(huán)。重復(fù)上述操作，直至完成8次干濕循環(huán)。

3)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 將養(yǎng)護(hù)完成的試樣在電液伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中控制加載速率為1mm/min。

4)直剪試驗(yàn) 將試樣在四聯(lián)式自動(dòng)剪切儀上進(jìn)行直剪試驗(yàn)，控制其剪切速率為0.8mm/min，當(dāng)其剪切應(yīng)變超過15%，停止試驗(yàn)。

5)SEM測試 選取養(yǎng)護(hù)齡期7d的原狀紅黏土和摻量2%的改良紅黏土為試驗(yàn)對(duì)象，先將試樣在106℃烘箱干燥后，切割成1cm3立方體試樣，噴金處理后，進(jìn)行SEM測試。

2 改良材料性能分析

2.1 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，生態(tài)樹脂含量對(duì)紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。

圖3 生態(tài)樹脂含量對(duì)紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而增大。對(duì)于原狀紅黏土，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，前5d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較快，后期增長緩慢；養(yǎng)護(hù)5d后，原狀紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)541kPa，增長約341kPa；養(yǎng)護(hù)7d后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為560kPa，與養(yǎng)護(hù)5d相比，僅增長19kPa。對(duì)于生態(tài)樹脂含量為0.5%，1.0%的改良紅黏土，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與原狀紅黏土類似，增長均較緩慢；養(yǎng)護(hù)7d后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增幅分別為400，430kPa。當(dāng)生態(tài)樹脂的含量增加至1.5%后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長迅速，養(yǎng)護(hù)3，5，7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增幅分別為302，499，580kPa。隨著生態(tài)樹脂含量的進(jìn)一步增長，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長，2.0%，2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土養(yǎng)護(hù)7d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度924，1 083kPa。

2.2 生態(tài)樹脂含量對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

生態(tài)樹脂含量對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 生態(tài)樹脂含量對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨生態(tài)樹脂含量的增長而增大。若試樣養(yǎng)護(hù)0d，改良前、后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎無增長。養(yǎng)護(hù)1～7d，隨著生態(tài)樹脂含量的增長，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先緩慢增長，含量超過1.5%后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅逐漸增大，后趨于穩(wěn)定。以養(yǎng)護(hù)5d為例，當(dāng)生態(tài)樹脂含量<1.0%時(shí)，改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較小，增長百分比分別為5.0%，7.4%。當(dāng)生態(tài)樹脂含量為1.5%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長29.2%。但當(dāng)生態(tài)樹脂含量>1.5%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度急劇增長，2.0%，2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土養(yǎng)護(hù)5d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)837，941kPa。

2.3 生態(tài)樹脂含量對(duì)黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響

黏聚力與內(nèi)摩擦角隨生態(tài)樹脂含量的變化曲線如圖5所示。

圖5 黏聚力與內(nèi)摩擦角隨生態(tài)樹脂含量的變化曲線

由圖5可知，養(yǎng)護(hù)0d后，改良紅黏土的黏聚力隨生態(tài)樹脂含量的增長快速增大，當(dāng)生態(tài)樹脂含量為2.5%時(shí)，其黏聚力可達(dá)61.2kPa，較原狀紅黏土增長28.8kPa。養(yǎng)護(hù)3d后，改良紅黏土的黏聚力隨生態(tài)樹脂含量的增長先快速增長后趨于緩慢，2.5%含量生態(tài)樹脂改良紅黏土的黏聚力可達(dá)83.2kPa，為原狀紅黏土黏聚力的2.35倍。

養(yǎng)護(hù)0d后，改良紅黏土內(nèi)摩擦角為17.6°～22.4°，變化幅度較小。養(yǎng)護(hù)3d后，改良紅黏土內(nèi)摩擦角為37.7°～43.6°，變化幅度仍較小。說明同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，改良紅黏土力學(xué)性能主要受其黏聚力影響。但與養(yǎng)護(hù)0d時(shí)的內(nèi)摩擦角相比，各含量的改良紅黏土內(nèi)摩擦角均有較大提升，幅度為 89%～116%。

2.4 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。

圖6 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可知，改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長而減小。原狀紅黏土初始狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為560kPa，干濕循環(huán)8次后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為200kPa，降幅達(dá)360kPa，強(qiáng)度保持率僅為35.7%。對(duì)于2.0%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土，干濕循環(huán)3次后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本保持不變，干濕循環(huán)超過3次后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減??；當(dāng)干濕循環(huán)8次后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為705kPa，與初始狀態(tài)相比，降幅僅為219kPa，強(qiáng)度保持率可達(dá)76.3%，遠(yuǎn)大于原狀紅黏土。這主要是由于生態(tài)樹脂在紅黏土中形成黏附性的乳膠粒，使紅黏土顆粒黏結(jié)在一起；此外，干燥后的生態(tài)樹脂在紅黏土內(nèi)部形成具有彈性的膜，進(jìn)一步約束了紅黏土顆粒。

3 工程應(yīng)用

生態(tài)樹脂改性紅黏土目前已應(yīng)用于湖南省寧鄉(xiāng)市岳寧大道鳳凰山—南田坪公路工程及長沙機(jī)場改擴(kuò)建場內(nèi)道路路基工程中。由于紅黏土改性成本較高，難以用于全幅路基填筑。一般采用紅黏土填筑路基后，再采用2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土對(duì)路基進(jìn)行包邊處理。具體步驟如下。

1)測量放樣 施工前施工路段按20m一個(gè)斷面對(duì)包邊紅黏土施工邊線進(jìn)行放樣。

2)下層清理和碾壓 清除下層原地面碎石、雜草、垃圾等，并對(duì)其進(jìn)行整平、灑水、碾壓，待壓實(shí)度滿足要求后方可進(jìn)行下一步施工。

3)臺(tái)階開挖 對(duì)路基進(jìn)行分層填筑，即在每層包邊土與紅黏土接頭處采用推土機(jī)總線推鏟、局部人工配合的方式開挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度為100cm。

4)填筑布土 利用自卸車將紅黏土運(yùn)至路基頂部，沿路基縱向開始填筑，內(nèi)芯填筑完后，將包邊土填筑至包邊臺(tái)階中，以便后續(xù)推土機(jī)推平。

5)整平和壓實(shí) 布土后，推土機(jī)依據(jù)路基縱坡由高至低進(jìn)行推進(jìn)、平整，并利用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，以保證其達(dá)到填筑要求。

6)邊坡修整和植被防護(hù) 碾壓完成后，及時(shí)利用挖掘機(jī)對(duì)包邊土邊坡進(jìn)行修整，并進(jìn)行客土噴播，對(duì)路基邊坡進(jìn)行植被防護(hù)。

7)監(jiān)測 布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)對(duì)路基頂部沉降進(jìn)行監(jiān)測(見圖7)，監(jiān)測頻率為3d一次，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，路基填筑完成后前期沉降較大，隨著時(shí)間的增長，其沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，且監(jiān)測點(diǎn)1，2，3的沉降為15～20mm，沉降較小，完全滿足公路運(yùn)營要求。

圖7 黃花機(jī)場改擴(kuò)建公路路基工程監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)(單位：m)

圖8 路基工程監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

1)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而增大。與原狀紅黏土相比，2.0%，2.5%含量的生態(tài)樹脂改良紅黏土養(yǎng)護(hù)7d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可分別增長1.65倍和1.93倍。

2)改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨生態(tài)樹脂含量的增長而增大，但生態(tài)樹脂含量<1.0%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較緩，當(dāng)生態(tài)樹脂含量≥1.5%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度急劇增長。

3)改良紅黏土黏聚力隨生態(tài)樹脂含量的增長快速增大，但其內(nèi)摩擦角的變化較小。因此，生態(tài)樹脂主要是通過增強(qiáng)其黏聚力以提升紅黏土力學(xué)性能。

4)由于生態(tài)樹脂在紅黏土中形成黏附性的乳膠粒，使紅黏土顆粒結(jié)合更緊密，在干濕循環(huán)8次后，其強(qiáng)度保持率仍可達(dá)76.3%，遠(yuǎn)大于原狀紅黏土的35.7%。

5)采用包邊處理的方式對(duì)湖南黃花機(jī)場改擴(kuò)建公路紅黏土路基進(jìn)行處置，處置完成后180d后最大沉降量約為16.52mm，沉降較小，完全滿足公路運(yùn)營要求。