Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 3: 118 - 124

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231188

Rock-Soil Engineering

Mixing Technique and Compaction Characteristics of Lime-improved Dispersive Soil

  • HE Jian-xin , 1, 2 ,
  • GAO Peng-zhan 1 ,
  • YANG Hai-hua 1 ,
  • YANG Wei 3 ,
  • WEN Jun 3 ,
  • GENG Xu 1 ,
  • WANG Ning-yuan 3
Expand
  • 1 School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China
  • 2 Key Laboratory of Dyke Safety and Disaster Prevention of Xinjiang Water Conservancy Engineering,Xinjiang Production and Construction Corps,Urumqi 830052, China
  • 3 Sinohydro Group 15th Engineering Bureau Co., Ltd., Xi’an 710016, China

Received date: 2023-10-30

  Revised date: 2024-01-11

  Online published: 2025-03-14

Fold

Abstract

The soil used for the core dam of a reservoir in Xinjiang is dispersive soil. To treat this soil, 1% lime is added. To ensure project quality and achieve uniform mixing, a ZB05 cold recycling paver was employed, with mixing cycles set at 1, 2, 4, and 6, respectively. The SG-6 multifunctional direct-reading calcium meter was used for rapid and random detection of soil lime content to control the uniformity of the lime-treated soil. The influence of aging time on the compaction characteristics of the improved soil was also investigated. In the field construction environment, the impact of curing age on the physical and mechanical properties of the improved soil was evaluated through indoor compression and direct shear tests. Results show that, when rolled 8 times with a spread thickness of 30 and 35 cm, the settlement of the soil material stabilizes, and the dry density after rolling meets the requirement of ≥1.73 g/cm3, with a compaction degree of ≥99%. When the mixing cycle is 6, the uniformity of the lime mixing stabilizes, with a coefficient of variation ( Cv ) of 0.28. As the aging time increases, the lime-treated soil becomes less favorable for rolling. To maintain a compaction degree of 99%, the aging time should not exceed 9 hours. The compressibility and shear strength of the improved soil are significantly influenced by curing age. As curing age increases, the compressibility of the lime-treated soil decreases, whereas shear strength increases, consistent with laboratory test results.

Key words： dispersive soil; rolling process; mixing process; aging time; curing age

Cite this article

HE Jian-xin , GAO Peng-zhan , YANG Hai-hua , YANG Wei , WEN Jun , GENG Xu , WANG Ning-yuan . Mixing Technique and Compaction Characteristics of Lime-improved Dispersive Soil[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(3) : 118 -124 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231188

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

新疆某水库是一座集灌溉、工业、城乡供水和发电于一体的水利枢纽。坝高91.5 m,是一座黏土心墙砾石坝,坝顶设有防浪墙,坝顶高程1 174.20 m。经勘查,当地的特殊黏土为分散性土, 在盐度较低的水或纯水中,容易被分解为细的土粒,造成水的混浊[1],极易对水渠、大坝等造成冲沟[2]、管涌[3]等破坏,分散性土的研究变得尤为重要。
国内外学者多使用化学方法改良分散性土,如采用石灰、水泥、粉煤灰等,其中石灰是主要的改良材料[4]。汪涛[5]在分散性土中加入1.3%左右的水泥时,分散性就能受到抑制。严应佳等[6]通过使用粉煤灰,表明了粉煤灰对土的分散性有明显的改良作用。Consoli等[7]研究了不同石灰掺量对分散性土的改良效果,认为掺量5%的石灰可以保证改良土的耐久性。李华銮等[8]确定当石灰掺量达到1.5%时,改良效果达到最佳。邓铭江等[9]认为石灰粉掺量控制在1.0%左右,土料的改良效果比较稳定。陈劲松等[10]认为石灰掺量达到2%,基本可以改变土样分散性。樊恒辉等[11]提出石灰掺量为0.25%时就对分散性土产生显著改良效果。上述研究人员对消除或抑制土料的分散性开展了诸多研究,发现使用石灰是一种经济有效的土质改良方法[12-13],但大都通过常规室内试验对改良分散性土的效果进行评定,对实际工程中改良的分散性土应用效果方面研究不多,分散性土对工程仍存在潜在威胁[14⇓-16]。
实际工程中,改良剂与待改良土的传统拌和方式为拌合站拌和。传统灰土拌和站的实施往往需要提前拌和、对改良土料储存,才能保证后续施工的连续性,存储过程对改良土料的碾压特性的影响易被忽略,该工艺存在着能耗大、工序多的特点,不易满足大规模施工的需求;在室内试验拌和后,其他事件出现的随机性较小,能够及时的进行击实。而现场的环境往往较为复杂,对拌和后的改良土料存在着不能即时碾压的情况。通过对碾压前后改良土料的现场观察,发现改良土料随静置时间(以下称陈化时间)的延长不易被压实,陈化时间对改良土料的压实度的影响研究还有待完善。上述问题使得改良处理施工工艺复杂且往往达不到预期效果,这增大了室外改良的难度。对于改良分散性土筑坝的拌和工艺研究、现场碾压时机的确定等方面还不够全面,还有进一步的探讨空间。
本工程设计采用掺1%的石灰进行处理。因采用冷拌仪施工效率高,换场灵活,可以很好地适应后期的施工需要,故引进冷再生路拌机进行拌和。为保证工程质量,在冷再生路拌机施工条件下对拌和1、2、4、6遍改良土体的石灰剂量进行随机检测,分析其离散性,研究石灰掺配的施工工艺,对石灰改良土的均匀性进行质量控制;为探究陈化时间对改良土压实特性的影响,对陈化时间分别为0、1、2、3 d的4个碾压区域实施碾压,研究改良土在不同陈化时间下的压实性能;将现场施工与室内试验相结合,探究龄期对原状土、室内击实土的压缩、剪切性能的影响,以期为采用石灰改良分散性土的工程提供理论支撑及参考。

1 原材料与前期碾压试验

1.1 原材料的基本性质

试验土样取自新疆伊犁某水库大坝坝料场地,土样呈浅黄色,其基本物理性能如表1所示,生石灰检测指标如表2所示,击实曲线如图1所示。
表1 土的基本物理性能

Table 1 Basic physical properties of test soils

颗粒质量分数/% 液限
wL/%		 塑限
wp/%		 塑性指
数Ip		 击实参数 土样判定
>0.075 mm [0.005,0.075]mm <0.005 mm 最大干密度/
(g·cm-3)		 最优含水
率/%
2.13 78.05 19.82 26.3 14.8 11.5 1.77 14.4 低液限黏土(CL)
表2 生石灰检测指标

Table 2 Testing indicators for quicklime

规范要求及
实际结果		 氧化钙含
量/%		 氧化镁含
量/%		 细度/% 是否合格
规范要求 ≥75 ≤5 ≤10 合格
实际结果 79 4.7 4 合格
图1 土样击实曲线

Fig.1 Compaction curve of soil samples

1.2 碾压参数对压实度的影响

黏土料碾压摊铺厚度设为30、35、40 cm;碾压遍数设为6、8、10遍;试验单元面积为4 m×6 m(宽×长),每个单元设置10个干密度测量点。试验设备有反铲、推土机、自行式振动平碾、凸块碾等。
试验过程[17]为振动碾按行车速度<3km/h,开启强振模式(高频率低振幅)。采用满混辊错距法,振动碾前进后退一次算两遍,顺碾压方向碾筒轮迹的重叠宽度≥20 cm,在不同碾压遍数、不同铺料厚度碾压各试验区,确定出参数最优组合,碾压完各试验区后,振动碾退出试验区, 压实度与碾压遍数关系试验结果如图2所示。
图2 压实度与碾压遍数关系

Fig.2 Relation between compactness and compaction cycles

从图2可以看出,铺料厚度≤35 cm时,在铺料厚度一定的条件下,压实度会随碾压遍数呈先增大后减小的趋势;铺厚30、35、40 cm 碾压至6遍时压实度均满足压实度≥95%的要求,铺厚30、35 cm碾压8遍干密度和压实度均满足干密度≥1.73 g/cm3和压实度≥99%的要求,但碾压至10遍后的压实度降低,分析原因为过度碾压,土料破坏导致。

1.3 碾压参数对沉降量的影响

为进一步分析碾压遍数与土料压实性的关系,在土料经过碾压后测量土层厚度与土料入仓虚铺厚度,沉降量即为两者的差值。沉降量的测定依照碾压前建基面方格网平面坐标位置,现场通过水准仪在碾压结束后恢复各试验单元方格网,测量各网点平均高程,分别计算出碾压6、8 、10遍后的黏土料累计沉降量。试验结果如图3所示。
图3 沉降量与碾压遍数关系

Fig.3 Relation between settlement and compaction cycles

在厚度一定的条件下,黏土料的碾压次数越多,累积沉降越大,相邻两遍沉降量逐渐减小。压缩率从6遍到8遍平均增加了1.2%,从8遍到10遍平均增加了0.3%,表明已碾压至密实稳定;继续碾压至10遍时,沉降量仍有增加,增加的趋势很平缓:这是由于本次碾压试验采用凸块碾,对于建基面复测点测量高程时存在一定误差,导致没有出现明显的下降趋势,但从整体趋势上看沉降量在逐渐减小;表明碾压8遍已基本稳定,且结合铺厚30、35 cm碾压10遍压实度结果分析,碾压密实后,继续增加碾压遍数容易造成土料破坏。

2 石灰拌和工艺

2.1 石灰机械拌和

试验设备为衮州市路通工程机械研究所生产的ZB05型冷再生路拌机,拌和深度达到改善土层底。设专人跟随路拌机,随时检查拌和情况,配合操作手调整搅拌深度和行进速度,避免在拌和层底部留有素土夹层。拌和时应破坏下层1 cm厚的表面,便于上下层结合。机械搅拌次数设为1、2、4、6共4个水平,每搅拌一次进行布点均匀取样。
在试验段上运用冷再生路拌机将石灰与土进行拌和。拌和的结果应是颜色均匀,禁止有灰条,有灰块,有“花脸”现象,防止在连接部位产生分层或漏拌[18]。图4为石灰改良现场拌和情景。
图4 石灰现场拌和情景

Fig.4 Lime mixing on site

2.2 石灰机械拌和掺量测试方法

检验过程为选取有代表性改良土1 000 g左右,混合均匀后待用。用精度0.01 g的电子天平称量,分别将300 g的2份石灰稳定土样品加入到2个1 L的容器中,加入0.6 L的10%氯化铵溶液后,用双手摇匀2 min,并维持每分钟120±5次。溶液静置10 min后,将25~30 mL待测液用移液管移入干燥的50 mL烧杯中。 添加一支搅拌棒,将其置于直接读钙计上,当设备启动时,将钙电极与甘水银电极投入其中,当停止搅拌时仪表上所显示的数字是所用的石灰掺量[19]。
石灰掺量的测定取决于石灰中的主要成分氧化钙,遇水生成氢氧化钙。氢氧化钙难溶于水,却在一定体积浓度的氯化铵溶液中很快游离出钙离子。基于此,游离出的钙离子数量反映了石灰的剂量。用钙电极可以将各种数量的钙离子转化为石灰的剂量或石灰中有效钙的含量。试验仪器为SG-6多功能直读式测钙仪1台、钙离子选择性电极1支、饱和甘汞电极1支等,详见图5。搅拌遍数设为1、2、4、6,每个搅拌遍数下取18个土样,尽可能消除取样带来的离散性。试验依据为《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009),试验方法为直读式测钙仪法。每次测定前按0.5%、1%、2%、3%的掺量进行标定,标定曲线如图6所示。可以看出,标定掺量与实测读数之间呈线性关系。9条曲线的R2均≥0.99,说明了仪器检测结果是可靠的,体现了多功能测钙仪检测结果的稳定性。
图5 石灰拌和的均匀性检测

Fig.5 Uniformity of lime mixing

图6 石灰拌和掺量测试的标定曲线

Fig.6 Calibration curves of lime mixing content

直读式测钙仪法和EDTA滴定法的浸润液提取过程是相同的,而直读式测钙仪法用于提取液的剂量测量要简便得多,可以避免使用三乙醇胺、氢氧化钠、钙指示剂和EDTA二钠等化学试剂,也可以避免滴时是否到达终点判定的困难。

2.3 均匀性检测结果

在不同的搅拌遍数下,对石灰拌和过的改良土场地进行等间隔布点均匀取样,共设有9个取样点位,每个位置进行上下层的取样,通过直读式测钙仪试验,得到了改良土的石灰均匀性搅拌结果,见图7。
图7 改良土的石灰均匀性搅拌结果

Fig.7 Lime uniformity of improved soil mixed for different cycles

由图7可以看出,搅拌1遍的改良土,测得的最大掺量为4.49%,测得的最小掺量为0.05%,均值为2.05%。上层平均值为3.21%,下层平均值为0.88%,这说明搅拌遍数为1的改良土上下层间差异明显,石灰分布极不均匀。搅拌2遍的改良土,测得的最大掺量为2.71%,测得的最小掺量为0.29%,均值为1.28%。上层平均值为1.73%,下层平均值为0.84%。搅拌2遍较搅拌1遍的改良土,无论是从总体平均值、上层平均值、下层平均值,还是极大值、极小值上,均匀性都明显得到改善。搅拌4遍的改良土,测得的最大掺量为2.29%,,测得的最小掺量为0.16%,均值为1.15%。上层平均值为1.47%,下层平均值为0.82%。搅拌遍数为6的改良土,测得的最大掺量为1.53%,测得的最小掺量为0.62%,均值为1.08%,上层平均值为1.35%,下层平均值为0.80%。
变异系数是衡量数据分布离散性的一个重要指标,这里用变异系数来反应改良土拌和是否均匀的离散程度。如图8所示,随着搅拌次数的增加,变异系数呈下降趋势,在搅拌遍数为6时,改良土的变异系数最小为0.28。搅拌遍数对改良土的现场搅拌均匀性呈正相关,搅拌遍数越多,改良土的现场均匀性越好、离散性越小。现场搅拌的1、2、4、6遍数中,在搅拌遍数为6时,搅拌改良土的均匀性更加稳定。
图8 变异系数与搅拌遍数的关系

Fig.8 Relation between coefficient of variation and number of mixing cycle

3 改良土的现场碾压试验

拌和石灰的均匀性对土料的压实度有着不同程度的影响,在现场搅拌的基础上,取最佳拌和遍数6遍进行碾压,图9为现场碾压施工图。
图9 现场碾压施工图

Fig.9 Rolling construction on site

3.1 陈化时间对改良土压实特性的影响

考虑到施工现场的复杂性,按上述方法进行试验,面临着石灰与土体拌和后未立即碾压的可能。利用现场机械拌合土体进一步复核陈化时间对压实效果的影响,对陈化时间分别为0、1、2、3 d的4个碾压区域实施碾压,进行现场密度和含水的测定,研究改良土料在不同陈化时间下的压实性能,为现场科学施工确定合理的碾压时机,试验结果见图10。
图10 陈化时间对含水率、干密度的影响

Fig.10 Influences of aging time on moisture content and dry density

从图10中可以看出,随着陈化时间的增长,干密度呈下降趋势且下降趋势明显,含水率总体上呈波动增长态势。松散石灰的掺入,会吸收石灰反应所需的水分,对土颗粒间起到更好的黏结,但改良土的干密度并没有随着陈化时间的增长而增大,究其原因是经陈化处理的改良土仍然是松散状态,胶结物质的生成往往会被击实或碾压过程扰乱破坏,不能构建新的结构框架,故干密度随陈化时间的增长而减小。压实度在24 h内变化速率最大,陈化1 d时已不满足压实度99%的要求。对于改良分散性土心墙坝施工,这就要求施工队伍在9 h内完成,加入石灰后需遵循即时拌和即时碾压的施工理念。

3.2 龄期对改良土的压缩、剪切性能的影响

在碾压结束后,对碾压面挖取原状样进行室内试验,进一步复核龄期对土的力学性能影响。依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)对龄期分别为0、1、2、4、5、8、14、28、56 d的碾压区域原状土进行压缩、直接剪切,并采用击实后的成型试样在龄期0、1、2、3、7、14、28 d的试验结果进行对比,压缩、直接剪切试验结果见图11所示。
图11 龄期对压缩系数、黏聚力和内摩擦角的影响

Fig.11 Influence of curing age on compression coefficient, cohesion and internal friction angle

可以看出,改良土的压缩系数随着龄期的增加逐渐减小,短龄期下改良土压缩系数下降的趋势更为显著,而后期减小趋势较为缓慢,该土为低压缩土。改良土的压缩系数在7 d内降幅明显,随龄期的增加而降低,当龄期>7 d,压缩系数的降低速率明显降低。石灰改良土的黏聚力和内摩擦角在7 d内增幅明显,随龄期增加,改良土的黏聚力和内摩擦角呈增大趋势,当龄期>7 d,增长速率不断变小,慢慢趋于稳定。
这是因为试样加入石灰后,石灰与分散土在离子交换作用下,钙离子吸附在土粒表面,减薄双电层水膜厚度[20],使土颗粒凝集或凝聚靠拢,小颗粒组合成大颗粒,提高了黏聚力;随龄期增加,越来越多的二氧化碳被吸收进入土壤中,在漫长的过程中土体的钙离子含量渐渐升高,生成的碳酸钙数量缓慢增加,碳酸化和结晶作用进一步提高了土体强度[21-22]。

4 结论

在实际改良分散土施工中进行了均匀性的质量控制,得到了具体施工参数,促进了施工现场改良剂与分散土的均匀有效拌和,对改良剂在单位土体中分布均匀性进行了迅速检测,明确了拌和后的碾压时机、对碾压后原状土现场试验与室内试验结果进行了复核:
(1)通过现场碾压试验,摊铺厚度30、35 cm 碾压8遍时干密度和压实度均满足干密度≥1.73 g/cm3和压实度≥99%的条件,碾压8遍时,沉降量已基本稳定;对拌和1、2、4、6遍的改良土使用了简易的土料石灰掺量检测方法,拌和6遍后土料的石灰剂量较均匀,达到稳定。
(2)改良土的击实特性受陈化时间影响明显,随陈化时间增长,土样的平均含水有所增加但增幅不大,天然密度有所下降,和陈化后压实度的规律一致,按99%的压实度评价时陈化时间应≤9 h;改良土的压缩性、强度受龄期影响明显,龄期增大,石灰改良土的压缩性减小、抗剪强度增大,与室内试验规律一致。

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