王海湘，于冬升，張金團(tuán)，梁 思，鄧芳玲

（賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州 542899）

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碎石改良高液限紅粘土擊實(shí)性能試驗(yàn)研究

王海湘，于冬升，張金團(tuán)，梁 思，鄧芳玲

（賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州 542899）

摘要：為了研究碎石對(duì)改良高液限紅粘土的影響，選用兩組不同粒徑的碎石，按不同比例摻入試驗(yàn)土樣中，并進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同摻料比的碎石改良高液限紅粘土的擊實(shí)曲線變化規(guī)律不同，隨著摻料比的增加最優(yōu)含水率逐漸減小，最大干密度逐漸增大. 由于碎石的粒徑大小和高液限紅粘土的土團(tuán)效應(yīng)對(duì)碎石改良此類土均有影響，盡管兩種碎石改良土最大干密度均隨著摻料比的增加而逐漸增大，但二者的趨勢(shì)存在差異，可見二者的改良效果有區(qū)別.

關(guān)鍵詞：改性土；高液限紅粘土；擊實(shí)試驗(yàn)；摻料比

高液限紅粘土性質(zhì)獨(dú)特，主要表現(xiàn)在具有含水量高、塑性指數(shù)和液限高、容易收縮開裂、水的穩(wěn)定性和壓實(shí)性差等［1-3］，屬于不良路基填料，國(guó)家明令禁止高液限紅粘土未經(jīng)處理直接作為路基填料. 但其主要分布在中國(guó)長(zhǎng)江以南地帶且面積廣泛［2，3］，所以備受研究人員和工程技術(shù)人員的關(guān)注. 為解決高液限紅粘土不能直接用于路基填料的難題，學(xué)者們先后提出多種處理辦法，主要為化學(xué)改良辦法、棄土換填辦法和物理改良辦法［3-6］等；常見的化學(xué)改良辦法包括摻水泥［7］、石灰［8-10］、離子土壤固化劑［2， 11］和煤矸石［14］等材料進(jìn)行改良，物理改良辦法包括摻砂［12， 13］、摻風(fēng)化砂［3］、摻粉碳灰［12］和廢棄輪胎橡膠顆粒［15］等材料進(jìn)行改良. 化學(xué)改良辦法和棄土換填辦法雖然都取得了一定成效，但也同時(shí)存在不足，比如化學(xué)改良辦法使用的材料容易對(duì)道路建設(shè)所處區(qū)域的土壤環(huán)境造成污染，棄土換填辦法容易破壞棄土場(chǎng)的自然環(huán)境，且會(huì)增加工程成本［3］，可見這兩種辦法并不如物理改良辦法占優(yōu)勢(shì). 本文擬利用物理改良辦法，通過(guò)摻不同粒徑的碎石進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn).

1　擊實(shí)試驗(yàn)特點(diǎn)

在道路建設(shè)中，路基的壓實(shí)性能是關(guān)系道路工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要因素之一，因此對(duì)路基土體壓實(shí)性能的勘測(cè)是道路建設(shè)前期必須完成的一項(xiàng)任務(wù). 路基土體壓實(shí)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由土體的擊實(shí)曲線表達(dá)［16］，曲線中的含水率和干密度指標(biāo)由擊實(shí)試驗(yàn)獲得，擊實(shí)試驗(yàn)的主要目的是獲取土體的最大干密度和最優(yōu)含水率，這兩個(gè)相互影響的指標(biāo)受某一特殊擊實(shí)功作用得來(lái)［17］. 在擊實(shí)曲線中含水率的最大值為最優(yōu)含水率，而最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的干密度為最大干密度.

含水率和干密度受擊實(shí)功與試驗(yàn)方法影響. 擊實(shí)功越大土體的壓實(shí)效果越強(qiáng)，擊實(shí)功越小壓實(shí)效果越差；試驗(yàn)方法不同，土體表現(xiàn)出的壓實(shí)效果和工程性質(zhì)也不同. 土體顆粒大小對(duì)擊實(shí)效果也會(huì)產(chǎn)生影響. 由于土體受自由水和結(jié)合水的影響，當(dāng)擊實(shí)功與試驗(yàn)方法相同時(shí)，隨著含水率的增加干密度也不斷變大，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后干密度開始減小，含水率與干密度成非線性關(guān)系. 當(dāng)擊實(shí)試驗(yàn)開始時(shí)，低含水率的土樣，有效擊實(shí)功比較弱，原因在于土體擊實(shí)過(guò)程中，大部分擊實(shí)功在克服土體運(yùn)動(dòng)的摩阻力上被消耗；隨著含水率的增加，顆粒間的摩阻力逐漸減小，有效擊實(shí)功變強(qiáng)，土體被壓實(shí)的效果逐漸增強(qiáng)；當(dāng)含水率達(dá)到一定高度時(shí)，土中含自由水也增多，土中膠粘物質(zhì)將自由水封閉導(dǎo)致其不易被排出，擊實(shí)功被大量消耗于自由水中，有效擊實(shí)功被消耗，土的體積被空隙占據(jù)，其干密度減弱［18］.

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)材料

2.1.1試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用的高液限紅粘土取自賀州市某新建公路施工現(xiàn)場(chǎng)，呈棕紅色，結(jié)構(gòu)較松散，土質(zhì)較均勻，天然含水率高. 根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007），取得試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1.

表1　試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)表1可見，試驗(yàn)的液塑比為1.78，界限液塑比為1.82，界限液塑比大于液塑比，依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）第7.8.1條規(guī)定，可確定該試驗(yàn)土樣收縮后復(fù)浸水膨脹，不能恢復(fù)到原位；另外，試驗(yàn)土樣的塑性指數(shù)為28.2（大于26），液限為64.3%（大于50%），《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015） 第3.3.3.4條規(guī)定：“液限大于50%，塑性指數(shù)大于26的細(xì)粒土，不得直接作為路基填料”. 因此，此類土樣必須改良后才能用于路基施工. 而試驗(yàn)土樣的擊實(shí)曲線見圖1，試驗(yàn)土樣的最優(yōu)含水率為27.2%，對(duì)應(yīng)最大干密度為1.53g/cm3.

2.1.2改良材料

試驗(yàn)采用賀州市本土自主加工生產(chǎn)的大理石碎石作為改良材料，碎石粒徑分為2.5～5mm和16～19mm兩種類型. 賀州市大理石資源豐富，便于就地取材，并降低實(shí)際道路建設(shè)材料運(yùn)輸成本.

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1樣品制備

雖然濕法制備樣品的試驗(yàn)結(jié)果更貼近實(shí)際，但由于試驗(yàn)土樣的含水率高，若選用濕法制備樣品，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，易受氣候因素影響，同時(shí)不便于在室內(nèi)進(jìn)行大量試驗(yàn)，故本試驗(yàn)選用以下方法制備樣品. 試樣制備步驟為：

步驟1 在試驗(yàn)樣地取土樣，烘干（含水率為0%），碾散，過(guò)22mm的土工標(biāo)準(zhǔn)篩，將篩下的土樣攪拌均勻，用四分法取500kg篩下的土樣，將這500kg土樣分為10份（每份50kg），分成2組，每組5份，即A組和B組.

步驟2 在A組中，將每份土樣分為7小份，向每小份土樣中加不同比例的自來(lái)水，分別將每份土樣的含水率調(diào)配為20%、22%、24%、26%、28%、30%和32%等7個(gè)等級(jí)，因此每種含水率的土樣有5小份；向每種含水率的土樣中分別按10%、15%、20%、25%和30%比例摻入直徑2.5～5mm的碎石；用塑料袋密封，貼上標(biāo)簽，悶料24h.

同A組配料方法一樣，在B組中，將每份土樣分為7小份，向每小份土樣中加不同比例的自來(lái)水，分別將每份土樣的含水率調(diào)配為24%、26%、28%、30%、32%、34%和36%等7等級(jí)，因此每種含水率的土樣有5小份；向每種含水率的土樣中分別按10%、15%、20%、25%和30%比例向每份土中摻入直徑16～19mm的碎石；用塑料袋密封，貼上標(biāo)簽，悶料24h.

步驟3 悶料24h后，再次將摻碎石的土樣攪拌均勻，從每種摻石土樣中隨機(jī)取不同點(diǎn)的樣品進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn).

2.2.2擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器選用DZY-3型土工電動(dòng)擊實(shí)儀，試驗(yàn)方法依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）第10.0.5條規(guī)定的步驟進(jìn)行. 干密度的計(jì)算公式依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）第10.0.6條規(guī)定進(jìn)行計(jì)算.

圖1 土樣擊實(shí)曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1摻2.5～5mm碎石的擊實(shí)結(jié)果

圖2 不同摻料比改良土樣的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

表2　不同摻料比的擊實(shí)參數(shù)

通過(guò)重型擊實(shí)方法，分3層，每層擊實(shí)98次，土層連接處刨毛，對(duì)摻粒徑為2.5～5mm碎石的土樣進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)曲線如圖2所示.

各曲線的最大值為相應(yīng)摻料比改良土樣的最大干密度，其對(duì)應(yīng)含水率為該改良土樣的最優(yōu)含水率，不同摻料比的最大干密度和最優(yōu)含水率如表2所示. 隨著摻料比的增大，最優(yōu)含水率逐漸減小，摻料比為10%時(shí)最優(yōu)含水率最大（為24.36%），摻料比為30%時(shí)最優(yōu)含水率最?。?1.62%），詳見圖3（a）. 隨著摻料比的增大，最大干密度逐漸增大，摻料比為30%時(shí)最大干密度最大（為1.7 g·cm-3），摻料比為10%時(shí)最大干密度最?。?.56g·cm-3），詳見圖3（b）. 所以，隨著摻料比的增加最優(yōu)含水率逐漸減小，最大干密度逐漸增大.

圖3 摻料比和含水率與干密度的關(guān)系

3.2摻16～19mm碎石的擊實(shí)結(jié)果

通過(guò)重型擊實(shí)方法，分3層，每層擊實(shí)98次，土層連接處刨毛，對(duì)摻粒徑為16～19mm碎石的土樣進(jìn)行擊實(shí). 擊實(shí)曲線如圖4所示.

圖4 不同摻料比改良土樣的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

表3　不同摻料比的擊實(shí)參數(shù)

各曲線的最大值為相應(yīng)摻料比改良土的最大干密度，其對(duì)應(yīng)含水率為該改良土樣的最優(yōu)含水率，不同摻料比的最大干密度和最優(yōu)含水率如表3所示. 隨著摻料比的增大，最優(yōu)含水率逐漸減小，摻料比為10%時(shí)最優(yōu)含水率最大（為33.18%），摻料比為30%時(shí)最優(yōu)含水率最小（為25.83%），如圖5（a）所示. 隨著摻料比的增大，最大干密度逐漸增大，摻料比為30%時(shí)最大干密度最大（為1.67 g·cm-3），摻料比為10%時(shí)最大干密度最?。?.51 g·cm-3），如圖4（b）所示. 所以，隨著摻料比的增加最優(yōu)含水率逐漸減小，最大干密度逐漸增大.

圖5 摻料比和含水率與干密度的關(guān)系

4　結(jié)果分析

4.1摻碎石量對(duì)最大干密度的影響

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在相同擊實(shí)功和試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，雖然粒徑為2.5～5mm和16～19mm的兩種碎石改良土最大干密度均隨著摻料比的增加而逐漸增大，但不同粒徑的曲線趨勢(shì)存在差異.

摻料比為10%～20%時(shí)，粒徑為2.5～5mm碎石改良土的最大干密度增長(zhǎng)速度較快；而粒徑為16～19mm碎石改良土的最大干密度呈先慢后快趨勢(shì)增長(zhǎng). 主要原因在于當(dāng)碎石含量較少時(shí)，粒徑越小的碎石，在摻料攪拌過(guò)程中與土體的攪合機(jī)會(huì)較大，較容易與土體咬合形成具有一定結(jié)構(gòu)的整體，從而改良土的密度變大，改良效果相對(duì)較好；粒徑越大的碎石分布較零散，在單位體積內(nèi)與土體咬合的機(jī)會(huì)較小，難于與土體結(jié)合形成具有一定結(jié)構(gòu)的整體.

摻料比為20%～30%時(shí)，兩種改良土的最大干密度都呈先慢后快的增長(zhǎng)趨勢(shì). 此時(shí)碎石改良土在單位體積內(nèi)碎石的含量明顯增多，碎石與土樣的接觸面變大，顆粒級(jí)配變好，大粒徑碎石開始發(fā)揮其作用，碎石與土體鑲嵌咬合，形成具有一定架構(gòu)的整體，密實(shí)度加大.

4.2摻碎石量對(duì)最優(yōu)含水率的影響

盡管粒徑為2.5～5mm和16～19mm的兩種碎石改良土最優(yōu)含水率均隨著摻料比的增加而逐漸減小，但不同粒徑的曲線趨勢(shì)也存在差異. 由于試驗(yàn)用碎石含水率較低，碎石與高液限紅粘土拌合，碎石吸收了部分土體內(nèi)部的水分，導(dǎo)致原有土體中含水率降低. 當(dāng)摻料比較低時(shí)，在單位體積中小粒徑的碎石與土體咬合的機(jī)會(huì)較大，而大粒徑的碎石分布較零散，與土體均勻咬合的機(jī)會(huì)較小，所以粒徑為2.5～5mm改良土的最優(yōu)含水率下降速度快，而粒徑為16～19mm改良土的最優(yōu)含水降低較慢. 當(dāng)大粒徑碎石的含量達(dá)到20%時(shí)，大粒徑碎石改良土的最優(yōu)含水率下降速度明顯變快，主要在于此時(shí)大粒徑碎石在單位體積內(nèi)的分布均勻度增加.

4.3碎石粒徑對(duì)土體改良效果的影響

由于高液限紅粘土具有土團(tuán)效應(yīng)［10］，在試驗(yàn)攪拌土樣的過(guò)程中難于將成團(tuán)的土團(tuán)打散［15］，從而導(dǎo)致改性材料很難與土體均勻接觸，碎石分布不均嚴(yán)重影響改良土的改良效果.

另外，由于碎石的形狀不規(guī)則，在摻碎石改良土樣的試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生誤差難于避免. 粒徑小的碎石在拌合過(guò)程中，容易被土體包裹，而粒徑大的碎石難于融入已成團(tuán)的土內(nèi). 在摻料比較少時(shí)，大粒徑碎石在拌合和擊實(shí)過(guò)程中由于受重力和擊實(shí)力作用，容易處在土體下部，而粒徑小的碎石則容易粘在土體表面.

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)摻不同粒徑的碎石對(duì)試驗(yàn)用土樣進(jìn)行改良，并從摻碎石量和不同碎石粒徑對(duì)擊實(shí)土樣的最大干密度、最優(yōu)含水率影響分析改良效果，結(jié)果表明：

1）摻料比不同，碎石改良高液限紅粘土的擊實(shí)曲線變化規(guī)律不同，隨著摻料比的增加最優(yōu)含水率逐漸減小，最大干密度逐漸增大.

2）盡管粒徑為2.5～5mm和16～19mm的兩種碎石改良土最大干密度均隨著摻料比的增加而逐漸增大，但二者的趨勢(shì)存在差異，在摻料比較小時(shí)，粒徑為16～19mm的碎石改良土表現(xiàn)出的改良效果不明顯，而粒徑為2.5～5mm的碎石改良土增長(zhǎng)效果較顯著.

3）碎石的粒徑大小和高液限紅粘土的土團(tuán)效應(yīng)對(duì)碎石改良此類土均有影響，如何解決此問題是提高改良土工程性質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)之一.

但是由于本試驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)為研究碎石改良高液限紅粘土的擊實(shí)性能，而對(duì)于此類改良土的其他工程性質(zhì)研究還不夠深入，比如此類改良土的液限、塑性指數(shù)、收縮性、水穩(wěn)定性、壓實(shí)性、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和承載力等問題. 此試驗(yàn)為室內(nèi)模擬試驗(yàn)，若能將室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際工程檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)合開展研究，試驗(yàn)結(jié)果將會(huì)更有參考價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張麒蟄. 高液限紅粘土路基修筑技術(shù)探討［J］. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2007（1）∶ 83-85.

［2］ 唐杰軍， 李大湘， 黃 鶴. 3種改良材料對(duì)高液限粘土改性的試驗(yàn)分析［J］. 中外公路， 2009（4）∶ 207-210.

［3］ 楊 俊， 黎新春， 童 磊. 風(fēng)化砂改良高液限紅粘土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015（2）∶ 181-186.

［4］ 劉燕燕， 李建軍， 黃中文. 不同壓實(shí)度條件下高液限紅粘土工程性質(zhì)研究［J］. 中外公路， 2011， 31（6）∶ 73-76.

［5］ 金葉玲， 錢運(yùn)華， 程曉春， 等. 改性白云石凹凸棒土在橡膠中填充的可行性探討［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 29（6）∶ 720-723.

［6］ 沙 玲， 王國(guó)才， 金菲力， 等. 淤泥再生混合輕質(zhì)土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 37（3）∶ 441-446.

［7］ 李善梅， 陳先華， 蒙劍坪. 水泥拌制樁在桂林紅粘土地基處理中的應(yīng)用［J］. 路基工程， 2011（2）∶ 132-134.

［8］ 曾 靜， 鄧志斌， 蘭 霞， 等. 竹城公路高液限土與紅粘土路用性能的試驗(yàn)研究［J］. 巖土力學(xué)， 2006（1）∶ 89-92， 98.

［9］ 曹豪榮， 李新明， 樊友杰， 等. 考慮干濕循環(huán)路徑的石灰改性紅黏土路用性能試驗(yàn)研究［J］. 巖土力學(xué)， 2012（9）∶ 2619-2612.

［10］談云志， 鄭 愛， 吳 翩， 等. 紅黏土承載比的土團(tuán)尺寸效應(yīng)研究［J］. 巖土力學(xué)， 2013（5）∶ 1242-1246.

［11］盧雪松， 項(xiàng) 偉， 范文彥， 等. 離子土壤固化劑加固紅黏土試驗(yàn)研究［J］. 人民黃河， 2010（2）∶ 127-129.

［12］葉瓊瑤， 陶海燕. 高液限紅粘土的改良試驗(yàn)研究［J］. 公路， 2007（1）∶ 148-151.

［13］萬(wàn) 智， 任 毅， 秦 敏， 等. 改性紅粘土的擊實(shí)特性試驗(yàn)研究［J］. 公路工程， 2013（2）∶ 6-11.

［14］張 雁， 趙 祥， 張 選. 煤矸石摻紅粘土強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009（3）∶ 165-167.

［15］顏椿釗， 張 雁， 郭利勇. 廢棄輪胎橡膠顆粒改良紅黏土強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015（4）∶ 114-117.

［16］鄧志坤， 寧金成. 南陽(yáng)膨脹土擊實(shí)特性試驗(yàn)分析［J］. 公路， 2011（10）∶ 44-47.

［17］朱崇輝， 王增紅， 希羅科夫B. H. 單點(diǎn)擊實(shí)法擊實(shí)試驗(yàn)研究［J］. 巖土力學(xué)， 2012（1）∶ 60-64.

［18］胡明鑒， 孔令偉， 郭愛國(guó)， 等. 襄十高速公路石灰改性膨脹土填筑路基施工工藝和影響因素分析［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2004， 23（S1）∶ 4623-4627.

（責(zé)任編輯：饒 超）

Experimental Study on Densification Performance of High Liquid Limit Red Clay Modified with Crushed Stone

WANG Haixiang， YU Dongsheng， ZHANG Jintuan， LIANG Si， DENG Fangling
（Institute of Architectural Engineering， Hezhou University， Hezhou 542899， China）

Abstract:In order to study the effect of crushed stone on the improved high liquid limit red clay， two groups of crushed stone with different diameters were selected and mixed into the test soil sample with different proportion. Then a compaction test is implemented on improved test soil sample. The high liquid limit red clay that improved by different admixture ratio of rubble have different change rules of compaction curve ，which indicates that the optimum moisture decreases and the maximum dry density increases while its admixture increases. Both the clayey gathering effect of the high liquid limit red clay and the diameter of crushed stone have influences on the effect of soil improving. Although the maximum dry density of two groups is increasing with the rise of admixture， the trends of both are different， and the improved effects of both are different.

Key words:Modified soil； High liquid limit red clay； Compaction test； Additive proportion

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4476（2016）05-0021-05

收稿日期：2016-04-13；

修訂日期：2016-04-25

基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（桂科能15122001-3-18）； 廣西壯族自治區(qū)中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（KY2016LX376）； 賀州學(xué)院自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015ZZZK08）

作者簡(jiǎn)介：王海湘（1989— ）， 男， 海南文昌人， 賀州學(xué)院建筑工程學(xué)院助教.