改良湿陷性黄土路基、填料、填料制备方法及路基施工方法 |
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| 申请号 | CN202410001826.3 | 申请日 | 2024-01-02 | 公开(公告)号 | CN117776644A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 中国十七冶集团有限公司; | 发明人 | 石福周; 金仁才; 邵传林; 岳立将; 黄金坤; 胡义; 龙朵; 赵国辉; 张石磊; 陈超; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种改良湿陷性黄土路基、填料、填料制备方法及路基施工方法，属于路基技术领域。本发明的改良湿陷性黄土路基填料，该填料包含石灰、改性 玄武岩 纤维 和黄土，其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有均匀分散分布的纳米 二 氧 化 硅 ，且纳米 二氧化硅 在玄武岩纤维表面的包覆面积为70‑90％；本发明的改良湿陷性黄土路基，采用上述填料制备而成。本发明改良后的路基不仅强度大、 变形 小、 水 稳定性 高，同时脆性较低，湿陷性系数显著减小。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种改良湿陷性黄土路基填料，其特征在于，该填料包含石灰、改性玄武岩纤维和黄土，其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有均匀分散分布的纳米二氧化硅，且纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积为70‑90％。 |
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| 说明书全文 | 改良湿陷性黄土路基、填料、填料制备方法及路基施工方法技术领域[0001] 本发明属于路基技术领域，具体而言，涉及一种改良湿陷性黄土路基、填料、填料制备方法及路基施工方法。 背景技术[0002] 黄土是第四纪的一种特殊沉积物，其颗粒含量大，并且孔隙较大，CaCO3成分及其结晶含量高，具有湿陷性和易冲刷、易溶蚀等工程特征。因其结构疏松、土质较均匀、孔隙发育等特征，在未浸水时，强度高，压缩性小，但在受到一定浸水压力之后，土体结构受到破坏，从而会产生比较大的附加下沉，强度也会随之迅速降低。黄土地区的路基、路面因上述特征和特定的气候特点，容易产生多种特有的问题，主要表现在：填方路基不均匀沉陷或过量沉降；路基边坡坡面的剥落、冲蚀、滑塌、崩塌和整体失稳等；浸水地基承载力不足等等。 [0003] 黄土在我国分布广泛，由于其具有湿陷性等特点，如果直接将其用作路基填料，路基的强度和稳定性往往不能满足工程要求，因此就需要对其进行稳定性处理。在传统施工过程中，针对黄土的处理方式主要有灰土垫层法、强夯法、土桩挤密法、预浸水法、土工合成材料加固等方法，其原理是通过外力挤、夯等，提高整个地基土的密实度，减少其中的孔隙，使其在浸水时不发生显著附加下沉，从而达到消除湿陷性的目的。 [0004] 目前，国内外很多学者致力于研究湿陷性黄土的改良方法，即通过添加固化剂对黄土进行稳定性改良处理，经改良处理后可以在一定程度上提高黄土的强度和抗变形能力，从而提高路基的使用寿命。如，中国专利申请号为201010194716.1的申请案公开了一种湿陷性黄土边坡工程改良防护方法，其采用改良黄土、麻袋、防护网、土工格栅、排水沟对黄土边坡进行工程防护，其中改良黄土由石灰、粉煤灰及黄土搅拌掺合，石灰、粉煤灰及黄土按体积比配置，石灰与粉煤灰的掺合比例要求达到2∶1，石灰与粉煤灰总体积占掺合料的比例要求不小于30％。该申请案通过使用改良黄土与土工格栅共同组成的结构防护体系，一方面可以固化边坡，解决填土边坡的稳定性问题，另一方面可以实现废物利用，绿化环境，防止水土流失。 [0005] 又如，中国专利申请号为2020114210180的申请案公开了一种可自密实固化黄土肥槽回填材料及回填方法，所述回填材料包括以下质量配比的原料：黄土60‑80份、水泥3‑20份、粉煤灰2‑5份、复合分散剂1‑5份和水15‑25份。 [0006] 但现有技术中通常是添加粉煤灰、石灰及水泥的混合料用于对黄土进行固化改良处理，当将黄土应用于路基填料时，其处理效果仍有待进一步提高。 发明内容[0007] 本发明的目的在于提供一种改良湿陷性黄土路基、填料、填料制备方法及路基施工方法，从而解决现有黄土路基填料存在的易因湿陷变形导致路基破坏的问题，有效提高了黄土填料的强度及稳定性。 [0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下： [0009] 本发明提供了一种改良湿陷性黄土路基填料，该填料包含石灰、改性玄武岩纤维和黄土，其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有均匀分散分布的纳米二氧化硅，且纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积为70‑90％。 [0010] 针对现有黄土路基存在的易发生湿陷变形导致路基破坏的问题，本发明通过向黄土中添加一定的石灰和改性玄武岩纤维，从而可以有效提高黄土路基的强度和稳定性，避免路基因黄土湿陷发生破坏，因而可以有效提高路基的使用寿命。 [0011] 具体的，向黄土中加入玄武岩纤维，玄武岩纤维之间相互搭接成纤维网，且玄武岩纤维被土颗粒包围，产生握裹效果，从而可以有效提高纤维与土骨架组成的空间结构的结构强度和稳定性，进而提高了黄土的抗剪强度及无侧限抗压强度。 [0012] 更进一步的，本发明通过对玄武岩纤维进行改性处理，使其表面原位生长有均匀分散的纳米二氧化硅，一方面，SiO2颗粒由于其大量的非晶态二氧化硅而表现出超强的火山性，黄土中加入的石灰中的碱性物质可以激发SiO2的火山性，即改性玄武岩纤维表面的SiO2与石灰充分混合，加入水之后高活性二氧化硅会与石灰中的氢氧化钙发生化学反应生成水化硅酸钙(C‑S‑H)，水化硅酸钙是一种絮凝胶，可以黏结土颗粒，从而进一步提高土的强度。另一方面，由于SiO2直接原位生长于玄武岩纤维的表面，因此生成的水化硅酸钙絮凝胶与玄武岩纤维网状结构相互缠绕，有利于进一步提高黄土路基的结构强度和稳定性，能够有效避免黄土湿陷性带来的不良影响。同时，本发明通过则直接在玄武岩纤维表面原位生长SiO2，可以有效避免直接添加纳米SiO2颗粒时易发生颗粒团聚，从而导致路基性能分布不均匀的问题。 [0013] 此外，石灰作为一种强电解质，当石灰黄土混合物中加入水后，石灰还会在水中电2+ 2+ + + + 2+ 离出Ca 、Mg ，而土体表面的扩散层大都是低价阳离子，有K 、Na、H等；此时石灰中的Ca 、 2+ + + Mg 会与土中的K、Na发生离子交换作用，则土颗粒表面的阳离子由一价变为二价，会导致土颗粒表面的胶体扩散层变薄，电位降低，从而使得土颗粒之间的结合更加紧密，分子引力也相应变大，许多土颗粒聚集起来形成小团粒，形成一个稳定结构，进一步降低了土颗粒的分散性。 [0014] 更进一步的，所述改性玄武岩纤维的制备方法，包括以下步骤： [0016] (2)将上述反应产物进行退火处理，即得到改性玄武岩纤维，其中退火温度为165‑185℃，退火时间为1‑3h。本发明的改性玄武岩纤维在玄武岩纤维的表面原位生长出分散分布的纳米二氧化硅，纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积为70‑90％，纳米二氧化硅的粒径为350‑500nm。 [0017] 但需要说明的是，本发明中改性玄武岩纤维的制备方法并不限于上述具体方法，只要能够制备得到符合要求的改性玄武岩纤维即可。 [0018] 更进一步的，所述玄武岩纤维的直径为7‑10μm，长度为3‑5mm。 [0019] 玄武岩纤维长度的增加可以适当的提高土颗粒与纤维之间的接触面积，但当纤维长度超过一定数值后，随着玄武岩纤维长度的增加，玄武岩纤维容易弯曲和缠结，从而限制了纤维的力学响应。 [0020] 更进一步的，所述填料中石灰、改性玄武岩纤维和黄土的质量百分比分别为3.0‑3.5％、0.3‑1.0％、96.0‑96.7％。 [0021] 本发明还提供了一种改良湿陷性黄土路基填料的制备方法，先将黄土置于搅拌机中搅拌均匀，然后加入改性玄武岩纤维，经分散搅拌均匀后再加入石灰进行进一步搅拌混合均匀。 [0022] 本发明还提供了一种改良湿陷性黄土路基，该路基采用本发明的上述填料。 [0023] 本发明还提供了一种改良湿陷性黄土路基的施工方法，包括： [0024] 对工程区黄土进行击实试验，得到该工程区黄土的最优含水率； [0026] 将改良黄土运至场地，进行分层填筑，并进行分层夯实处理； [0027] 改良黄土填筑完成后再在土体表面铺设一层建筑废弃垃圾颗粒，并进行碾压整平处理。 [0028] 更进一步的，在进行黄土分层回填前还包括挤密桩成孔施工，具体为，在需要回填的地基地面进行打桩处理，桩径d为0.3m‑0.45m，桩间距为2.0d‑2.5d，按方形布置。 [0030] 更进一步的，进行黄土分层填筑的单层厚度为15‑20cm，每层填筑完成后先通过40KN‑45KN压路机进行往复碾压整平，然后进行重锤夯实处理，具体工艺参数为：锤重20kN‑ 40kN，锤底面直径1.0m‑2.0m，落距2.5m‑4.5m。 [0031] 与现有技术相比，本发明可以取得以下技术效果： [0032] (1)本发明通过将石灰及改性玄武岩纤维一起加入黄土中，从而可以有效提高黄土路基的强度和结构稳定性，避免因黄土易发生湿陷造成的路基破坏，利用本发明所述改良工艺改良后的路基不仅强度大、变形小、水稳定性高，同时脆性较低，湿陷性系数显著减小。 [0033] (2)本发明通过对玄武岩纤维进行改性处理，在其表面原位生长有纳米二氧化硅，一方面纳米二氧化硅会与石灰中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙絮凝胶，该絮凝胶可以对土体颗粒进行黏结，同时水化硅酸钙絮凝胶与玄武岩网状纤维之间相互缠绕，进一步提高整体结构的强度和稳定性；另一方面，纳米二氧化硅原位生长于玄武岩纤维的表面，分布较为均匀，有利于保证制备所得黄土路基的性能均匀性。 [0034] (3)本发明利用的改良材料价格低廉，实施成本低，施工工艺简单可行，具有较好的经济效益。 具体实施方式[0035] 为进一步了解本发明的内容，下面结合具体实施例对本发明作详细描述。 [0036] 实施例1 [0037] 本实施例的改良湿陷性黄土路基填料，包含石灰、改性玄武岩纤维和黄土，石灰、改性玄武岩纤维和黄土的质量百分比分别为3.0％、0.3％、96.7％。其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有分散分布的纳米二氧化硅，玄武岩纤维的直径为7μm，长度为3mm，纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积约为70％，纳米二氧化硅的粒径为350‑400nm。 [0038] 将本实施例的改良湿陷性黄土路基填料应用于道路路基，具体施工方法如下： [0039] (1)按质量配比准备石灰、改性玄武岩纤维及所需改良黄土，黄土预先进行自然风干，然后将土体投入搅拌机中搅拌均匀；随后将改性武岩纤维均匀分散的加入，搅拌120S；最后再加入石灰，搅拌180S，搅拌均匀后即得黄土路基填料，取出备用； [0040] (2)对工程区黄土进行击实试验，击实试验方法参照《土工试验方法标准》GB/T50123‑2019进行，以此得到该工程区黄土的最优含水率；按确定的最佳含水率的含水量添加水到上述黄土路基填料中，搅拌均匀，土工布覆盖焖土，密封放置24小时，即得到改良黄土； [0041] (3)在进行黄土分层回填前进行挤密桩成孔施工，具体为，在回填的地基通过打桩机在地面进行打桩处理，当多根水泥桩通过打桩机压入地基底部，桩径为0.3mm，桩间距为0.6mm，按方形布置； [0042] (4)将改良黄土运至场地，进行分层填筑，每层厚度15cm，每层工程土填料填筑完成后先通过40KN压路机进行往复碾压整平，然后进行分层夯实处理地基；所述重锤夯实具体为：锤重20kN，锤底面直径1.0mm，落距2.5m； [0043] (5)改良黄土填筑完成后再在土体表面铺设一层建筑废弃垃圾颗粒，然后进行重锤强夯夯实，锤重35kN，锤底面直径2.0mm，落距3.5m，完成后再通过45KN压路机进行往复碾压整平；上述建筑废弃垃圾颗粒采用碎石，其粒径小于20mm。 [0044] 实施例2 [0045] 本实施例的改良湿陷性黄土路基填料，包含石灰、改性玄武岩纤维和黄土，石灰、改性玄武岩纤维和黄土的质量百分比分别为3.0％、0.7％、96.3％。其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有分散分布的纳米二氧化硅，玄武岩纤维的直径为10μm，长度为4mm，纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积为85％，纳米二氧化硅的粒径为450‑500nm。 [0046] 将本实施例的改良湿陷性黄土路基填料应用于道路路基，具体施工方法如下： [0047] (1)按质量配比准备石灰、改性玄武岩纤维及所需改良黄土，黄土预先进行自然风干，然后将土体投入搅拌机中搅拌均匀；随后将改性武岩纤维均匀分散的加入，搅拌180S；最后再加入石灰，搅拌120S，搅拌均匀后即得黄土路基填料，取出备用； [0048] (2)对工程区黄土进行击实试验，击实试验方法参照《土工试验方法标准》GB/T50123‑2019进行，以此得到该工程区黄土的最优含水率；按确定的最佳含水率的含水量添加水到上述黄土路基填料中，搅拌均匀，土工布覆盖焖土，密封放置24小时，即得到改良黄土； [0049] (3)在进行黄土分层回填前进行挤密桩成孔施工，具体为，在回填的地基通过打桩机在地面进行打桩处理，当多根水泥桩通过打桩机压入地基底部，桩径为0.4mm，桩间距为1mm，按方形布置； [0050] (4)将改良黄土运至场地，进行分层填筑，每层厚度20cm，每层工程土填料填筑完成后先通过45KN压路机进行往复碾压整平，然后进行分层夯实处理地基；所述重锤夯实具体为：锤重30kN，锤底面直径1.5mm，落距3.5m； [0051] (5)改良黄土填筑完成后再在土体表面铺设一层建筑废弃垃圾颗粒，然后进行重锤强夯夯实，锤重40kNkN，锤底面直径2.0mm，落距4.5m，完成后再通过45KN压路机进行往复碾压整平，上述建筑废弃垃圾颗粒采用混凝土块，且其粒径小于20mm。 [0052] 实施例3 [0053] 本实施例的改良湿陷性黄土路基填料，包含石灰、改性玄武岩纤维和黄土，石灰、改性玄武岩纤维和黄土的质量百分比分别为3.0％、1.0％、96.0％。其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有分散分布的纳米二氧化硅，玄武岩纤维的直径为8μm，长度为5mm，纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积为90％，纳米二氧化硅的粒径为400‑450nm。 [0054] 将本实施例的改良湿陷性黄土路基填料应用于道路路基，具体施工方法如下： [0055] (1)按质量配比准备石灰、改性玄武岩纤维及所需改良黄土，黄土预先进行自然风干，然后将土体投入搅拌机中搅拌均匀；随后将改性武岩纤维均匀分散的加入，搅拌150S；最后再加入石灰，搅拌150S，搅拌均匀后即得黄土路基填料，取出备用； [0056] (2)对工程区黄土进行击实试验，击实试验方法参照《土工试验方法标准》GB/T50123‑2019进行，以此得到该工程区黄土的最优含水率；按确定的最佳含水率的含水量添加水到上述黄土路基填料中，搅拌均匀，土工布覆盖焖土，密封放置24小时，即得到改良黄土； [0057] (3)在进行黄土分层回填前进行挤密桩成孔施工，具体为，在回填的地基通过打桩机在地面进行打桩处理，当多根水泥桩通过打桩机压入地基底部，桩径为0.45mm，桩间距为1mm，按方形布置； [0058] (4)将改良黄土运至场地，进行分层填筑，每层厚度18cm，且每层工程土填料填筑完成后先通过40KN压路机进行往复碾压整平，然后进行分层夯实处理地基；所述重锤夯实具体为：锤重35kN，锤底面直径1.8mm，落距4m； [0059] (5)改良黄土填筑完成后再在土体表面铺设一层建筑废弃垃圾颗粒，然后进行重锤强夯夯实，锤重40kN，锤底面直径1.5mm，落距4.5m，完成后再通过45KN压路机进行往复碾压整平；所述建筑废弃垃圾颗粒采用砖瓦碎块，且其粒径小于20mm。 [0060] 实施例4 [0061] 本实施例的改良湿陷性黄土路基填料，包含石灰、改性玄武岩纤维和黄土，石灰、改性玄武岩纤维和黄土的质量百分比分别为3.5％、0.3％、96.2％。其中，改性玄武岩纤维的表面原位生长有分散分布的纳米二氧化硅，玄武岩纤维的直径为9μm，长度为5mm，纳米二氧化硅在玄武岩纤维表面的包覆面积为83％，纳米二氧化硅的粒径为350‑400nm。 [0062] 将本实施例的改良湿陷性黄土路基填料应用于道路路基，具体施工方法如下： [0063] (1)按质量配比准备石灰、改性玄武岩纤维及所需改良黄土，黄土预先进行自然风干，然后将土体投入搅拌机中搅拌均匀；随后将改性武岩纤维均匀分散的加入，搅拌170S；最后再加入石灰，搅拌130S，搅拌均匀后即得黄土路基填料，取出备用； [0064] (2)对工程区黄土进行击实试验，击实试验方法参照《土工试验方法标准》GB/T50123‑2019进行，以此得到该工程区黄土的最优含水率；按确定的最佳含水率的含水量添加水到上述黄土路基填料中，搅拌均匀，土工布覆盖焖土，密封放置24小时，即得到改良黄土； [0065] (3)在进行黄土分层回填前进行挤密桩成孔施工，具体为，在回填的地基通过打桩机在地面进行打桩处理，当多根水泥桩通过打桩机压入地基底部，桩径为0.4mm，桩间距为0.8mm，按方形布置； [0066] (4)将改良黄土运至场地，进行分层填筑，每层厚度17cm，且每层工程土填料填筑完成后先通过45KN压路机进行往复碾压整平，然后进行分层夯实处理地基；所述重锤夯实具体为：锤重25kN，锤底面直径1.0mm，落距3.5m； [0067] (5)改良黄土填筑完成后再在土体表面铺设一层建筑废弃垃圾颗粒，然后进行重锤强夯夯实，锤重45kN，锤底面直径2.0mm，落距3m，完成后再通过45KN压路机进行往复碾压整平；所述建筑废弃垃圾颗粒采用碎石与混凝土块的混合物，且其粒径小于20mm。 [0068] 对比例1 [0069] 本对比例直接采用未添加任何改性组分的黄土作为路基填料，路基施工工艺同实施例3。 [0070] 对比例2 [0071] 本对比例的路基填料由质量百分比为20％的石灰、10％的粉煤灰及70％的黄土搅拌掺合而成，路基施工工艺同实施例3。 [0072] 对比例3 [0073] 本对比例的路基填料由质量百分比3％的石灰、1％的玄武岩纤维及96％的黄土拌合而成，路基施工工艺同实施例3。 [0074] 对比例4 [0075] 本对比例的路基填料由质量百分比3％的石灰、0.5％的玄武岩纤维、0.5％的纳米二氧化硅及96％的黄土拌合而成(玄武岩纤维与纳米二氧化硅分别单独加入黄土填料中)，路基施工工艺同实施例3。 [0076] 对实施例1‑4以及对比例1‑4中获得的黄土路基试样分别进行压缩试验、无侧限抗压强度实验，以此测试改良后地基的压缩性、抗压强度变化特征以及CBR值，结果如下表1、表2所示。 [0077] 由表1、表2可知，采用本发明方法处理的黄土与现有处理方法的处理黄土路基相比，初始孔隙比、压缩系数、体积压缩系数和压缩指数均明显降低，压缩模量、无侧限抗压强度明显增大，根据《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTG/T D31‑05‑2017)，采用本发明方法处理的地基黄土比现有技术有更优的处理效果。 [0078] 表1实施例1‑4及对比例1‑4的压缩试验、无侧限抗压强度实验结果对比[0079] [0080] [0081] 表2实施例1‑4及对比例1‑4的CBR实验结果对比 [0082]试样类别 吸水量(g) 膨胀率(％) CBR值(％) 对比例1 329.5 0.635 8.53 对比例2 145.0 0.211 47.12 对比例3 130.4 0.168 50.12 对比例4 125.6 0.174 49.40 实施例1 126.4 0.126 52.51 实施例2 110.9 0.103 74.95 实施例3 103.8 0.082 85.67 实施例4 104.8 0.084 82.45 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