郭國和

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804）

高液限土通常屬于較差的路基填料，在公路工程建設(shè)過程中，需提高其穩(wěn)定性、強度以及耐久性能要求，因此通過采取一定的措施對土壤進行改良才能保證其路用性能［1］。目前用于路基填土的改良方式包括物理和化學(xué)方法，物理改良包括摻入砂礫或者其他低液限的土；化學(xué)方法有摻入水泥、石灰、粉煤灰或其他外加劑的方法進行改良［2］。筆者針對采用水泥改善高液限土的性能進行研究。通過擊實試驗確定土的最佳含水率，用無側(cè)限抗壓強度和承載比試驗分析不同水泥含量、壓實度、含水率條件下在浸水前后的抗壓強度、水穩(wěn)定性系數(shù)、CBR，以及回彈模量，以此評價水泥改良高液限土的工程特性。

1 原狀高液限土物理性能

1.1 顆粒分析試驗

土壤顆粒級配一定程度上會影響其比表面積和吸水性能，選取高液限土樣進行顆粒分析，采用篩分試驗測定各顆粒含量。顆粒分析試驗結(jié)果見表1。

表1 顆粒分析試驗結(jié)果

由表1可見，高液限土各級粒徑中含量最多的是0.002～0.02 mm，大于0.038 5 mm的顆粒含量很少。由此得出，高液限土的粒徑較小，比表面積大，對水的吸附性較強。

1.2 物理性質(zhì)試驗

高液限土的孔隙比大，密度小，小顆粒多，而且分散性較強，加上土中含有少量有機質(zhì)，因此工程特性比較復(fù)雜，根據(jù)土工試驗要求，對高液限土樣進行物理性能試驗分析，結(jié)果見表2。

表2 高液限粘土物理性能試驗結(jié)果

由表2可見，土體的塑限在30%左右，液限大于50%，含水率和飽和度高，力學(xué)性能復(fù)雜。在工程建設(shè)過程中，需要對高液限土進行改良后方能用于路基填筑。

1.3 試驗方案與分組

根據(jù)各種試驗基本要求，結(jié)合《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》［3］相關(guān)要求，建立4組試樣進行試驗，見表3。

表3 試驗分組情況

2 改良土擊實試驗

2.1 試驗方案

采用重型擊實試驗，根據(jù)最大干密度與含水率之間的關(guān)系測定土的最佳含水率，通過試驗得出未改良土的最佳含水率為17.1%，最大干密度為1.86 g／c m3。

2.2 試驗結(jié)果分析

選擇水泥摻量為4%的改良土進行室內(nèi)擊實試驗。試驗結(jié)果見表4。

表4 試驗分組情況

根據(jù)試驗結(jié)果可知，采用水泥改良的土最佳含水率有所下降，最大干密度提高了0.05 g／c m3，水泥在高液限土中和自由水發(fā)生反應(yīng)形成具有較強粘結(jié)力的膠凝材料，這樣就使其最佳含水率降低，在動荷載作用下，路基土便能保持良好的整體性能。

3 改良土無側(cè)限抗壓強度試驗

3.1 試驗方案

無側(cè)限抗壓強度試驗是將試樣在無側(cè)向壓力的條件下進行試驗。根據(jù)規(guī)范［3］試驗方法結(jié)合表3中的對應(yīng)分組和設(shè)計情況，在最佳含水率、壓實度為96%、保持水泥含量為4%時，用不同壓實度測試改良土在浸水前后的無側(cè)線抗壓強度，并用水穩(wěn)定系數(shù)來評價改良土的強度性能。

3.2 試驗結(jié)果分析

在最佳含水率狀態(tài)下，保證壓實度為96%、不同水泥含量時，土在浸水前后的無側(cè)限抗壓強度分析結(jié)果見圖1。

圖1 不同水泥含量的改良土浸水前后抗壓強度與水穩(wěn)定性系數(shù)

由圖1可見，改良土在浸水前與浸水后的強度差異很大，差異最大的是未摻水泥時，浸水前的強度為0.785 MPa，浸水后為0 MPa，在水泥含量為8.0%時，水穩(wěn)定性系數(shù)最大為0.493。水泥含量達到10%時，隨著水泥含量的增加，浸水前與浸水后的無側(cè)限抗壓強度都逐漸增加，水泥改良土的強度增長較快，曲線較陡，浸水前的強度曲線相對較緩。在水泥含量小于8.0%時，隨著水泥的增加，水穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升，這是由于水泥水化后形成膠凝物質(zhì)使之強度得到充分發(fā)揮。

不同含水率條件下的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同含水率4.0%水泥改良土浸水前后抗壓強度與水穩(wěn)定性系數(shù)

在水泥含量為4.0%時，不同含水率的改良土無側(cè)限抗壓強度在浸水前后都是先增加后降低。在最佳含水率附近的15.6%時，浸水前后的無側(cè)限抗壓強度最大，浸水前為16.36 MPa，浸水后為0.568 MPa，水穩(wěn)定性系數(shù)為0.347。在含水率較低的情況下，試樣在浸水時發(fā)生松散破壞，導(dǎo)致其強度較低。另外，由于高液限土的顆粒較小，浸水前的強度會明顯高于浸水后土體。

在水泥摻量為4%時，不同壓實度條件下的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同壓實度4%水泥改良土浸水前后抗壓強度與水穩(wěn)定性系數(shù)

由圖3可見，水泥含量為4.0%的改良土無論是在浸水前還是浸水后，隨著壓實度的增加，無側(cè)限抗壓強度和水穩(wěn)定性系數(shù)都逐漸增大，在壓實度大于96%時，其水穩(wěn)定性系數(shù)趨于穩(wěn)定，說明工程中通常采用96%的壓實度能夠保證路基的穩(wěn)定性能。

試驗制備多個時間在最佳含水率和96%壓實度下養(yǎng)護7，28，60，90，120，180 d浸水前后無側(cè)限抗壓強度和水穩(wěn)定性系數(shù)見圖4。

圖4 不同養(yǎng)護期4%水泥改良土浸水前后抗壓強度與水穩(wěn)定性系數(shù)

由圖4可見，4.0%水泥摻量的改良土抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加，其強度逐漸增加，對于浸水前的強度而言，齡期的增長對強度的影響比較緩，養(yǎng)護7 d的強度為1.19 MPa，養(yǎng)護180 d后強度增長了15.13%。對不同齡期的改良土，養(yǎng)護期較短時，由于和水泥水化不充分，浸水之后土體吸收水分后發(fā)生松散破壞，使其強度較低。

4 改良土承載比試驗

4.1 試驗方案

承載比試驗根據(jù)規(guī)范［3］的相關(guān)要求，在最佳含水率狀態(tài)下，水泥含量分別為0.0%，2.0%，4.0%，6.0%，8.0%，10.0%時，保證壓實度為96%的改良土在浸水前后的CBR進行測試，并測定其吸水量和膨脹量。除此之外，在水泥含量為4%時的改良土，保證其壓實度分別為85.0%，90.0%，93.0%，96%，98.0%，100.0% 情 況 下 對其浸水前后的CBR進行測試。

4.2 試驗結(jié)果分析

對不同含水率條件下的試樣進行承載比CBR及其吸水量和膨脹量試驗結(jié)果見表5。

表5 不同水泥含量改良土浸水前后承載比試驗結(jié)果

由表5可見，在保證壓實度為96%時，隨著水泥含量的增加，改良土在浸水前后的CBR值都逐漸增加，浸水前的承載比最大達到了190.34，浸水后的CBR降低了21.39%，水泥含量10.0%的吸水含量最大為3.36%，而水泥含量為8.0%的膨脹量最小。因此，用水泥含量大于2.0%的改良土作為路基填土是可行的。

在最佳含水率和水泥含量為4.0%時，不同壓實度條件下浸水前后的CBR承載比試驗結(jié)果見表6。

表6 不同壓實度改良土浸水前后承載比試驗結(jié)果

由表6可見，在最佳含水率時，隨著壓實度的增加，改良土的CBR值逐漸增大，浸水前的CBR明顯高于浸水后；從浸水對CBR的影響看，壓實度越低，浸水后的承載比CBR值降低幅度越大，在壓實度為85%時的降幅為69.67%，對于壓實度為100%，浸水后的CBR降幅為49.58%。在合理水泥用量下，通過控制含水率、壓實度等能夠有效提高改良土的強度性能。

5 改良土的靜回彈試驗

5.1 試驗方案

回彈模量試驗參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》［4］中提及的動載落錘式彎沉儀試驗、貝曼梁試驗以及承載板試驗等方法，結(jié)合實際情況采用承載板試驗測定改良土的回彈模量。

5.2 試驗結(jié)果分析

在最佳含水率，壓實度為96%時，不同水泥摻量的改良土回彈模量試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同水泥含量的改良土浸水前后回彈模量與回彈模量比

由圖5可見，水泥改良后的高液限土的回彈模量明顯高于未摻水泥土的回彈模量，浸水作用能夠很大程度降低土體的強度和路基抵抗變形的能力［5］。隨著水泥含量的增加，改良土的回彈模量逐漸增大，對于水泥含量為10%的回彈模量是水泥摻量為2%的5.1倍。這說明水泥改良土填筑路基能夠提高其承載和抗變形性能。

不同含水率下，摻水泥為0.0%和4.0%的改良土在浸水前后的回彈模量試驗結(jié)果見圖6。

圖6 不同含水率的改良土與非改良土浸水前后回彈模量

由圖6可見，在不同含水率狀態(tài)下，4%水泥含量的改性土回彈模量明顯高于非改性土，在最佳含水率附近，土的回彈模量最大，曲線大致呈現(xiàn)凸型，無論是改良土還是非改良土的回彈模量最大值均出現(xiàn)在最佳含水率附近。

水泥摻量為4.0%，不同壓實度條件下浸水前后的回彈模量試驗結(jié)果見圖7。

圖7 不同壓實度的改良土浸水前后回彈模量與回彈模量比

由圖7可見，隨著壓實度的增加，改良土的回彈模量逐漸升高，壓實度大于96%的改良土其回彈模量趨于穩(wěn)定，浸水后試樣的回彈模量增長比較緩慢，而且遠遠小于未浸水回彈模量。因此，在實際工程中，應(yīng)充分考慮水泥摻量、含水率以及壓實度對路基抗剪切能力和抗變形能力的影響。

6 結(jié)語

囿于高液限土的特殊物理力學(xué)性質(zhì)，筆者通過室內(nèi)試驗，研究水泥加固劑改善其用作路基填料的工程特性，發(fā)現(xiàn)采用水泥改良高液限土的方法是可行的。浸水前后的改良土強度差異大，在一定范圍內(nèi)水泥含量、壓實度越大，無側(cè)限抗壓強度和水穩(wěn)定性系數(shù)越大；浸水之后土體吸收水分后發(fā)生松散破壞，使其強度降低；土在浸水前的CBR明顯高于浸水后，壓實度越低，浸水后的承載比CBR值降低幅度越大；合理水泥用量下，通過控制含水率、壓實度等，能夠有效提高改良土的回彈模量，增加抗變形能力，保證路基性能。

［1］ 胡 滔.大跨徑預(yù)應(yīng)力重復(fù)荷載作用下高液限粘土路基永久變形分析［D］.長沙：中南大學(xué)，2011.

［2］ 汪文莉，曾憲偉，索旭方.生石灰改良粘性土的作用機理［J］.山西交通科技，2003（5）：16-17.

［3］ JTG E51－2009公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［4］ JTG E60－2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］ 吳立堅，鐘發(fā)林，吳昌興，等.高液限土的路用特性研究［J］.巖土工程學(xué)報，2003，25（2）：193-195.