[发明专利]一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构

说明书

本发明提供了一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，属于岩土工程领域。所述韧性膨胀土路基结构包括膨胀土填芯、路基顶部包边层、路基底部包边层和两个路基边坡包边层，所述膨胀土填芯设置在四个包边层所包围的封闭空间之中。所述四个包边层的铺设材料均为改性膨胀土，由改性剂、水、碳纤维、场地膨胀土均匀混合而成，所述改性剂为疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作而成。本发明采用改性膨胀土包边方法填筑膨胀土路基，具有适用性广，显著缩短施工工期，包边层强度高、渗透性低、膨胀性低、耐久性好的特点。

技术领域

本发明涉及一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，属于岩土工程及地质工程领域。

背景技术

天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性较低，表现出很好的工程特性，但膨胀土遇水后性质会发生劣化。根据文献1《膨胀土的改良技术与工程应用》由科学出版社发行[J].(王保国，张福海.岩土力学，2009(5)：1380-1380)的研究，膨胀土分布广泛，因此工程中常不可避免穿越膨胀土地区。由于膨胀土的胀缩性及含水率的变化，路面结构通常会出现裂隙，这些裂隙又随之反映到路面上。这个过程的不断循环使得其上的裂隙越来越大，一方面影响了公路的正常使用，另一方面裂隙的产生也给水提供了通道，使路基软化，加速路面结构破坏，缩短了路面的使用年限。因此，解决膨胀土路基破坏的方法有两种，抑制膨胀土膨胀性或控制膨胀土含水率的变化。

膨胀土路基的常用处理方法有换填法、含水率控制法、化学改性法等。换填法一般用非膨胀性黏土或粗粒土，改良效果好，施工简单，但换填深度过深时，换填土的来源及运会使工程造价大大提高。含水率控制法常选择压实黏土覆盖层作为路基防渗处置，由于压实后的黏土有较低的渗透系数，可以有效地隔绝水分对下覆土体的侵入，但该方法在长期服役情况下，会因为黏土表面的裂隙而失效。石灰是一种十分优秀的膨胀土化学改性剂，价格低廉，效果显著，石灰改良土由于其低渗性也有良好的防水保湿作用。但石灰改良土也有一些弊端。根据文献2《改良膨胀土的干湿循环特性试验研究[J]》(杨成斌，查甫生，崔可锐.工业建筑，2012，42(01)：98-102+12.)的研究，虽然经石灰-粉煤灰改良后的膨胀土有十分优异的工程特性，但改良土的胀缩性、黏粒含量随干湿循环次数增加而增加，粉粒含量、强度随之增加而减小，其原因是干湿循环破坏了石灰生成的胶结物质，因此石灰-粉煤灰改良土作为包边层在长期的干湿循环作用下也会因为开裂而导致包边层失效。

综上所述，现有的膨胀土路基的改良方法存在以下问题：换填法无法解决换填土的来源及运费，工程造价昂贵；压实粘土覆盖层及石灰改良土长期性能不佳，在降雨多发的湿润地区效果会大打折扣。因此我们需要对石灰改良膨胀土路基的方法进一步改良，以增加其耐久性，降低其工程造价。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于钙基纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，具体的，以疏水性纳米二氧化硅和石灰混合制作的改性剂对场地膨胀土进行改性，并用改性膨胀土作为路基结构中四个表层的土体，在铺设过程中逐层加入碳纤维并压实，增强了路基结构的整体韧性、孔隙填充性，解决石灰改性土耐久性较差、工期较长的缺点。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，包括膨胀土填芯、路基顶部包边层、路基底部包边层、连接路基顶部包边层和路基底部包边层的两个路基边坡包边层，所述膨胀土填芯设置在路基顶部包边层、路基底部包边层、两个路基边坡包边层所包围的封闭空间之中；

所述路基顶部包边层、路基底部包边层、路基边坡包边层的铺设材料均为改性膨胀土和碳纤维；将从路基所在场地挖取得到、且满足预设含水率w的膨胀土记为场地膨胀土，所述改性膨胀土由改性剂、水、场地膨胀土均匀混合而成，其重量组成按前述顺序分别为：4.7％～6％、15.9％～18.8％、75.2％～79.4％；将改性剂重量组成记为改性剂掺量A；

所述改性剂为疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作而成的柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B、改性剂掺量A的选择如下：