蔡黃河　胡煥校

【摘 要】含砂高液限粉土獨(dú)特的物理力學(xué)特征對(duì)工程建設(shè)極其不利，直接填筑路基，可能產(chǎn)生一系列病害，換填則將增加工程投資成本，且對(duì)環(huán)境造成影響破壞。為了改善其路用性能，首先研究了其基本性質(zhì)，取湖南某地土樣，采用XRF熒光光譜、XRD粉晶衍射、薄片鑒定、篩分和液塑限測(cè)定等實(shí)驗(yàn)方法，分析含砂高液限粉土的成分及結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)礦物成分以高嶺石居多，會(huì)對(duì)該類土體的水穩(wěn)定性造成極大的影響，且其細(xì)顆粒含量較大，對(duì)其工程性質(zhì)影響更突出。本文采用水泥改良的方法，并通過(guò)試驗(yàn)得出水泥改良該類含砂高液限粉土的施工控制標(biāo)準(zhǔn)：摻率6%，并以最佳含水率為15.6%、最大干密度為1.761cm3作為控制指標(biāo)用于96區(qū)下路床各區(qū)路基填筑。

【關(guān)鍵詞】路用特性;含砂高液限粉土;水泥改良;室內(nèi)試驗(yàn);路基填筑

中圖分類號(hào)： U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0001-005

0 引言

含砂高液限粉土是一種不良的路基填料，但通過(guò)恰當(dāng)方式處治后，可用于高速公路路基填筑;在研究高液限土的處治時(shí)，要特別注意對(duì)其本身物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性的研究，這是處治研究的基礎(chǔ)。我國(guó)近幾十年基礎(chǔ)工程建設(shè)日漸增多，由于對(duì)高液限土處治不當(dāng)而引起的工程事故引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的注意，并從不同角度展開(kāi)了對(duì)高液限土性質(zhì)和處治技術(shù)的研究工作：李林燕[1]結(jié)合廣梧高速公路沿線高液限花崗巖殘積土，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、微觀實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其粗顆粒含量高，因此具有如內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散、膨脹性弱、遇水易散、粘聚力低等工程特性。陳曉平[2]針對(duì)高液限花崗巖殘積土中的含粗粒的細(xì)粒土進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，分析了粗粒細(xì)粒含量對(duì)其性質(zhì)的影響規(guī)律，認(rèn)為這類土具有高液限土和粗粒土的綜合特征，需充分認(rèn)識(shí)其粗粒含量的影響。程濤等[3]針對(duì)云洛高速公路沿線高液限土研究了顆粒級(jí)配及礦物成分，發(fā)現(xiàn)親水性礦物是影響其承載比的主要原因。劉旭[4]以湖南某高速公路為背景進(jìn)行了高液限粉土及其改良土的對(duì)比試驗(yàn)研究，得到了水泥改良的最佳摻量，發(fā)現(xiàn)改良土在強(qiáng)度、壓縮性和CBR等指標(biāo)上都有極大改善。此外，吳家旺、郭國(guó)和、方慶軍等[5-7]也對(duì)水泥改良高液限土進(jìn)行了具有指導(dǎo)意義的試驗(yàn)研究。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)典型高液限土的性質(zhì)及其改良研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但是對(duì)于非典型的含砂高液限粉土的性質(zhì)，尤其是針對(duì)其改良處治技術(shù)的研究尚不夠深入，仍有進(jìn)一步探索的空間。

1 含砂高液限粉土的性質(zhì)研究

為了充分認(rèn)識(shí)含砂高液限粉土的基本物理性質(zhì)，通過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究分析，并探究其力學(xué)性質(zhì)，以確定該含砂高液限粉土是否能直接用于路基填筑，從而為該含砂高液限粉土的利用方案或改良處治提供依據(jù)。

1.1 微觀研究

從現(xiàn)場(chǎng)所取得的高液限土土樣通過(guò)XRF熒光光譜、XRD粉晶衍射以及薄片鑒定等方法進(jìn)行土體的微觀研究，分析其化學(xué)成分、礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征。其鑒定測(cè)過(guò)結(jié)果如表1、表2、表3所示：

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：（1）該地區(qū)高液限土是花崗巖風(fēng)化殘積的產(chǎn)物，土樣化學(xué)成分以SiO2和Al2O3為主，其中SiO2的含量超過(guò)一半，此外，還含有一定量的Fe2O3，MgO，CaO，K2O等成分;（2）可以確定土樣由風(fēng)化土組成，為松散塊狀構(gòu)造，主要由石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、高嶺石、絹云母、伊利石等組成;（3）礦物成分以高嶺石和石英為主，又以高嶺石居多，高嶺石這一礦物成分的存在，將會(huì)對(duì)該土體的水穩(wěn)定性造成極大的影響。

1.2 物理力學(xué)性質(zhì)研究

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[8]，對(duì)土樣進(jìn)行含水率、篩分、液塑限測(cè)定、擊實(shí)等試驗(yàn)，探究其物理力學(xué)性能指標(biāo)及工程特性。得到其基本性質(zhì)如表4所示，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示：

分析試驗(yàn)結(jié)果，可得：（1）土樣的天然含水率較高，表明該地區(qū)高液限土的工程性質(zhì)差、不易壓實(shí)，必將會(huì)對(duì)施工造成不良影響，若經(jīng)歷暴雨天氣，其含水率必將進(jìn)一步升高，對(duì)于施工路段而言，高液限土的高含水率將使得路基的壓實(shí)效果難以保證;（2）土樣符合規(guī)范對(duì)高液限土的定義，其液限、塑性指數(shù)高，力學(xué)性質(zhì)差;（3）其顆粒粒徑小于0.075mm的含量在60%左右，粒徑小于0.5mm的顆粒含量超過(guò)80%，土顆粒不均勻，即其細(xì)顆粒含量較大，對(duì)其工程性質(zhì)影響更突出，因而造成土體比表面積較大，以致土顆粒表面可以產(chǎn)生較大吸附力，大量吸著水，且該吸著水不易蒸發(fā)，使之難以晾曬降低含水率，影響土體壓實(shí)的效果;（4）根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可將該土進(jìn)行工程分類，定義為“含砂高液限粉土（MHS）”，并初步判斷其工程特性不利于路基填筑施工[9]。

擊實(shí)試驗(yàn)即模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，通過(guò)錘擊，測(cè)試在某一擊實(shí)功下含水率與其干密度的關(guān)系，即其壓實(shí)特性變化規(guī)律，從而得出該土體的最佳含水率和最大干密度，為施工提供依據(jù)。試驗(yàn)所獲得的擊實(shí)曲線如圖2所示：

通過(guò)觀察擊實(shí)曲線，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中干密度并未出現(xiàn)某一峰值，而是隨著含水率的降低而不斷增大。如果再繼續(xù)降低試驗(yàn)中土樣的含水率來(lái)研究其素土的最大干密度，對(duì)實(shí)際施工的指導(dǎo)意義并不大。經(jīng)過(guò)分析，其最佳含水率應(yīng)處于較低水平，且與其天然含水率相差較大（相差10%以上），若施工過(guò)程中降雨多，其土體自身細(xì)顆粒含量又多，則使得難以通過(guò)晾曬來(lái)降低含水率，因此實(shí)際上是幾乎不可能在其最佳含水率狀態(tài)附近進(jìn)行施工的，土體壓實(shí)度也難以達(dá)到規(guī)范的要求，初步判斷，對(duì)于此類含砂高液限粉土，如果用作路基填筑，應(yīng)進(jìn)行處治來(lái)提高其最佳含水率。

進(jìn)行CBR試驗(yàn)是為了對(duì)路基填料進(jìn)行強(qiáng)度的評(píng)估，檢驗(yàn)路基填料受局部荷載壓入時(shí)抵抗變形的能力，確定路基填筑后其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否符合相關(guān)規(guī)范要求。

通過(guò)對(duì)CBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論：（1）土樣在同一含水率的條件下，隨著擊實(shí)功的降低（每層擊數(shù)的減少），其濕密度和干密度也降低，壓實(shí)度降低，其CBR取值減小;（2）同一擊實(shí)功的條件下，在含水率30.3%～10.8%這一區(qū)間中，隨著含水率的降低，其最大干密度有增大趨勢(shì)，其最大干密度下的CBR也成增大趨勢(shì);（3）假設(shè)以試驗(yàn)土樣各自含水率下98擊擊實(shí)功的干密度作為最大干密度標(biāo)準(zhǔn)，已知該類土樣的天然含水率較高，在此狀態(tài)下，其CBR值遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范要求（即使其密實(shí)度為100%，其CBR值也無(wú)法滿足規(guī)范的要求）。（4）結(jié)合其成分特點(diǎn)及物理力學(xué)性質(zhì)，降低其含水率則可以顯著提高其CBR值，然而在實(shí)際施工上存在一定的困難，分析宜采用摻料改良[10]。

2 水泥改良試驗(yàn)研究

對(duì)含砂高液限粉土的改良，關(guān)鍵就在于改善其最佳含水率，改善其自身含水率，改善其顆粒組成，改善其土質(zhì)特性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高液限土作為路基填料填筑的處治方法有：摻無(wú)機(jī)結(jié)合料、摻新型化學(xué)改良劑、改善顆粒級(jí)配、隔水防護(hù)法、直接改善施工工藝等。其中摻料改良處治方法是一種施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的處治方案，而水泥廣泛應(yīng)用于改良高液限土。摻了水泥之后，水泥將與土體發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而顯著地改變土體的性質(zhì)，使其更適于工程之需。此外，摻水泥還可降低土體的天然含水率：水泥進(jìn)行水化作用的過(guò)程中消耗吸收一部分水，水化過(guò)程放熱蒸發(fā)一部分水，分解反應(yīng)之生成物可極大提高土體強(qiáng)度及水穩(wěn)定性[11]。

對(duì)該含砂高液限粉土摻不同含量（4%、5%、6%）的425#水泥進(jìn)行改良研究，即通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定改良土的最佳含水率，并研究不同水泥摻率對(duì)其改良后物理力學(xué)性質(zhì)的影響，以及施工控制標(biāo)準(zhǔn)，并用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析在最佳含水率的條件下制作壓實(shí)度為94%和96%的試件，研究不同水泥摻率下水泥改良含砂高液限粉土抗壓強(qiáng)度等工程特性，檢驗(yàn)其改良后的強(qiáng)度是否滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[12]。

2.1 摻率對(duì)擊實(shí)性能的影響

通過(guò)試驗(yàn)，得到其擊實(shí)特性受水泥摻率影響的情況如圖3所示：

通過(guò)對(duì)摻4%、5%、6%水泥的高液限改良土進(jìn)行擊實(shí)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出摻4%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分別為12.8%、1.746cm3;摻5%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分別為13.8%、1.770cm3;摻6%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分別為15.6%、1.761cm3?？梢缘贸觯S水泥摻率的增大，其最佳含水率也得到一定程度的升高，表明水泥摻率對(duì)含砂高液限粉土的改良效果之影響是比較顯著的。在擊實(shí)性能上，水泥在土質(zhì)凝結(jié)固化，極大地改善了土體顆粒級(jí)配，土體凝結(jié)為整體，因而可以提高土體壓實(shí)性能，具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]，并以擊實(shí)試驗(yàn)所得出的結(jié)果為土樣壓實(shí)度的制備依據(jù)，對(duì)改良后的土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每種條件下分別進(jìn)行9組試驗(yàn)，取其平均值，對(duì)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，根據(jù)規(guī)程要求，檢驗(yàn)其是否符合設(shè)計(jì)要求，可得到結(jié)果如表6和圖4所示：

根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，可知隨水泥摻率的增大，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所提升，如圖4中所示，在同一壓實(shí)度下，每提高一個(gè)等級(jí)的摻率，試驗(yàn)后最大平均壓力逐步提高，表明水泥摻率對(duì)含砂高液限粉土的改良效果之影響是較為顯著的。其中，對(duì)于摻4%水泥壓實(shí)度為94%、摻4%水泥壓實(shí)度為96%、摻5%水泥壓實(shí)度為94%、摻5%水泥壓實(shí)度為96%的改良土樣，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]，浸水養(yǎng)護(hù)過(guò)程中質(zhì)量損失超過(guò)規(guī)范要求，評(píng)定該土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不合格，不可用作路基填筑;摻6%水泥壓實(shí)度為94%、摻6%水泥壓實(shí)度為96%的改良土樣，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]，可分別用于94區(qū)路基、96區(qū)下路床各區(qū)路基填筑（以最佳含水率15.6%、最大干密度1.761cm3為相應(yīng)的工程施工控制指標(biāo)）。

3 結(jié)論

水泥改良含砂高液限粉土，其并不能顯著降低其自身含水率，但可以顯著提高其最佳含水率。在擊實(shí)性能上，水泥在土中凝結(jié)固化，極大地改善了土體顆粒級(jí)配，土體凝結(jié)為整體，因而可以提高土體壓實(shí)性能，具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度性能上，控制適當(dāng)?shù)乃鄵铰?，可以滿足相應(yīng)規(guī)范對(duì)路基填筑的要求[11]。

對(duì)于水泥改良的該類含砂高液限粉土，可確定摻率6%，并以最佳含水率為15.6%、最大干密度為1.761cm3作為控制指標(biāo)用于96區(qū)下路床各區(qū)路基填筑?？傊?，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該地區(qū)含砂高液限粉土通過(guò)水泥改良后，其工程性質(zhì)、路用性能得到極大改善，根據(jù)規(guī)程[12]，在所確定的控制指標(biāo)下，可以滿足路基填筑的需要。

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