黃偉

摘要：文章通過試驗(yàn)研究了水玻璃和硫酸鋁處理高液限土路基病害的可行性，并取得了以下結(jié)果：采用水玻璃和硫酸鋁對高液限黏土進(jìn)行處理后，液限降低，塑限增大，塑性指數(shù)降低;與未經(jīng)處理的土壤相比，改良后土壤的黏粒含量降低，而粉土和粗粒含量增加;改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率均低于未處理土;在相同的干循環(huán)次數(shù)和濕循環(huán)次數(shù)下，改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為未處理土的1/2和1/3;經(jīng)過三次干濕循環(huán)后，未處理土壤的承載比（CBR）不符合規(guī)范要求，但經(jīng)過7d的養(yǎng)護(hù)和3次干濕循環(huán)后，改良土的CBR（含4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁）符合規(guī)范要求。

高液限土;水玻璃;硫酸鋁;路基病害防治

0 引言

在我國中西部地區(qū)高等級公路的建設(shè)中，經(jīng)常出現(xiàn)大量高液限土。高液限土具有天然含水量高、液限高、細(xì)顆粒含量大等特點(diǎn)。采用高液限土作為路基填料時，涉及三個方面的工程問題。（1）含水量控制。高液限土的天然含水量較高，很難將其含水量降到最佳值。在碾壓過程中，如果含水量過高，很難壓實(shí)土壤，從而導(dǎo)致土壤難以碾壓[1-2]。（2）強(qiáng)度問題。高液限土的強(qiáng)度（CBR）很低[3]，一般難以滿足規(guī)范的要求[4]。（3）水的穩(wěn)定性。高液限土的水穩(wěn)定性較差[5]。因此，在公路使用過程中，由于季節(jié)性氣候變化引起的干濕交替循環(huán)，可能會逐漸破壞土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不均勻沉降、路基邊坡坍塌、路面開裂等并發(fā)癥[6]。針對上述問題，公路路基設(shè)計規(guī)范規(guī)定：“液限>50%、塑性指數(shù)>26的細(xì)粒土，不得直接用作路基填料。開挖段采用高液限土填筑路基時，高液限土應(yīng)進(jìn)行處理[4]。

由于受技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素的制約，高液限土分布區(qū)的許多公路路基填料直接采用未經(jīng)處理的高液限土，導(dǎo)致沉降不均勻，路基邊坡坍塌。在高速公路運(yùn)營過程中，路面開裂和其他并發(fā)癥嚴(yán)重影響了其使用?；谶@一現(xiàn)象，本文通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)探索了一種添加劑，目的在于提供一種易溶于水、無毒副作用的添加劑，并可通過注漿法進(jìn)行添加。

1 高液限土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

本試驗(yàn)所用高液限土樣取自廣西荔浦至玉林高速公路K156+200段，取樣深度為2.0m，土樣呈紅褐色，粒徑<0.075mm的顆粒含量為89.6%?；疚锢硇阅苤笜?biāo)見表1。根據(jù)《公路工程土工試驗(yàn)方法》（JTGE40-2007）的規(guī)定，試驗(yàn)土為高液限黏土。

2 添加劑的選擇

研究的第一步是確定一種能夠通過灌漿方法解決路基復(fù)雜問題的添加劑。在選擇添加劑時，應(yīng)考慮三個方面：（1）使用離子活性劑，以減少通過置換作用在土顆粒表面攜帶的電荷，從而降低土壤的親水性;（2）使用膠結(jié)材料，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤顆粒間的結(jié)合力;（3）添加劑應(yīng)具有較高的水穩(wěn)定性。

根據(jù)以上三點(diǎn)，初步選擇了硅酸鈉和硫酸鋁的組合作為添加劑。黏度比試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料的黏度在8h內(nèi)基本保持不變，在灌漿施工過程中不凝結(jié)，保證了漿液的良好流動性，滿足灌漿施工要求。

水玻璃的化學(xué)式為Na2O·nSiO2，其中n表示水玻璃的模量。當(dāng)模數(shù)較小時，固體硅酸鈉易溶于水，選擇模數(shù)為2.6、濃度為3.26ml的工業(yè)水玻璃和硫酸鋁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。硫酸鋁是一種白色晶體，易溶于水。

硅酸鈉和硫酸鋁溶液反應(yīng)迅速，反應(yīng)方程式如下：

在硅酸鈉和硫酸鋁的反應(yīng)過程中產(chǎn)生氫氧化鋁和凝膠顆粒，凝膠包裹在土壤顆粒表面并填入土壤顆粒之間的孔隙中。其作用是通過膠結(jié)和粘聚力使細(xì)小的土粒團(tuán)聚，形成大粒徑的團(tuán)聚體，從而降低高液限土的親水性，提高其水穩(wěn)定性。當(dāng)硅酸鈉與硫酸鋁的固體質(zhì)量比為5：1左右時，不僅會促進(jìn)水玻璃的凝結(jié)，而且會導(dǎo)致凝結(jié)不太快。實(shí)驗(yàn)用水玻璃溶液的濃度為3.26ml，確定水玻璃與硫酸鋁的質(zhì)量比為10：1。

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.26ml水玻璃溶液和干土的質(zhì)量比分別為1%、2%、4%、6%和8%;硫酸鋁固體和干土的質(zhì)量比分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%;水玻璃溶液與硫酸鋁的配比分別為1%+0.1%、2%+0.2%、4%+0.4%、6%+0.6%、8%+0.8%。

高液限黏土的改良包括以下步驟：（1）稱量一定量的風(fēng)干土;（2）根據(jù)水玻璃溶液和干土的質(zhì)量比稱重一定量的水玻璃溶液，然后均勻地將水玻璃溶液噴在土壤樣品上，均勻混合后再等2h;（3）根據(jù)硫酸鋁與干土的質(zhì)量比，稱取一定質(zhì)量的硫酸鋁，溶于水（水控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將水玻璃溶液和硫酸鋁溶液噴灑在土樣上后，土樣含水量為試驗(yàn)所需含水量），并將硫酸鋁溶液均勻噴灑在摻有水玻璃的土樣上，讓土樣靜置2h，按照設(shè)計干密度，用靜壓法將土樣灌入試樣中;（4）將試樣固化至規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 液塑性極限實(shí)驗(yàn)

液塑限實(shí)驗(yàn)中所用樣品的含水量為30.0%，干密度為1.60g/cm3。實(shí)驗(yàn)在樣品固化7d后進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，加入水玻璃溶液和硫酸鋁溶液后，高液限黏土的液限和塑限發(fā)生了顯著變化。隨著水玻璃和硫酸鋁溶液混合量的增加，改性高液限黏土的液限減小，塑性極限增大，塑性指數(shù)降低。當(dāng)水玻璃的摻量為4%、硫酸鋁的摻量為0.4%時，改良后的土壤固化7d的液限為54.6%，塑性指數(shù)為21，符合《公路路基設(shè)計規(guī)范》（《設(shè)計規(guī)范》）2004的要求，細(xì)粒土填料的塑性指數(shù)必須<26。當(dāng)水玻璃的摻量為4%時，硫酸鋁的摻量為0.4%時，在繼續(xù)增加添加劑的摻量后，改良土的塑性極限和塑性指數(shù)的變化范圍減小。因此，添加劑的混合量初步確定為4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁。

含4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁的改良高液限黏土的液限和塑限隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖2所示。從圖2中可以看出，改良劑在添加到高液限黏土后7d完成了液態(tài)和塑性極限的變化。經(jīng)過7d的固化后，改良土的液塑限沒有隨著固化時間的延長而有明顯的變化。

3.2 壓實(shí)試驗(yàn)

將改良劑摻入高液限黏土中12h后進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，改良土壤的最大干密度低于未處理的土壤，而其最佳含水量較大。

3.3 顆粒分析試驗(yàn)

用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁對改良土進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，其含水率為30%，干密度為1.60g/cm3，樣品固化7d后進(jìn)行顆粒分析實(shí)驗(yàn)。其中未處理土中粒徑<0.002mm的黏土含量為20.8%，改良土中粒徑<0.002mm的黏土含量為15.6%;未處理土中粒徑介于0.002～0.075mm的粉土含量為79.2%，改良土為82.6%，未處理土中不存在粒徑>0.075mm的粗粒組分，改良土中粒徑>0.075mm的粗粒組分含量為1.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明，與未經(jīng)處理的土壤相比，改良土壤中顆粒組分含量的變化使黏粒含量降低，粉粒和粗粒含量增加。這是由于水玻璃與硫酸鋁反應(yīng)生成的凝膠在土顆粒表面形成了一層黏性層，同時凝膠填充了土顆粒間的孔隙，促進(jìn)了土顆粒向團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化。

4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

通過干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了高液限黏土和改良土的水穩(wěn)定性。

干濕循環(huán)試驗(yàn)中使用的樣品面積為30cm2，高度為2cm。將土樣的含水量混合至最佳含水量，土樣的干密度為1.54g/cm3（壓實(shí)度為96%），然后用靜壓法將土樣壓入截面積為30cm2、高度為2cm的切割環(huán)中，以該產(chǎn)品為供試品。

干濕循環(huán)試驗(yàn)分為膨脹和收縮脫水兩個過程。膨脹過程如下：將試樣放在透水石上，加水至水面與透水石頂面高度一致，使試樣吸水至飽和，然后逐漸升高水位至試樣表面被淹沒，待試樣浸沒后膨脹變得穩(wěn)定，測量樣品的高度。脫水收縮過程如下：將飽和試樣干燥至飽和度的70%，然后測量試樣高度。

4.1 膨脹率

在干循環(huán)和濕循環(huán)過程中，根據(jù)以下公式計算絕對膨脹率和相對膨脹率：

未處理土和改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率與循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的變化如圖4所示。從圖中可以看出，改良土的絕對膨脹率和相對膨脹率均低于未處理土。未處理土和改良土的絕對膨脹率均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，5個循環(huán)后相對膨脹率基本保持穩(wěn)定。未處理土和改良土的相對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小，未處理土的相對膨脹率在第3個循環(huán)后開始逐漸減小，而其相對膨脹率在第7個循環(huán)后開始趨于穩(wěn)定;改良土的相對膨脹率在第4個循環(huán)后開始逐漸減小，第6個循環(huán)后相對膨脹率趨于穩(wěn)定。

4.2 快速剪切實(shí)驗(yàn)

表2顯示了在不同次數(shù)的干循環(huán)和濕循環(huán)后，未經(jīng)處理和改良的土壤樣品在固化7d后，使用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁進(jìn)行快速剪切試驗(yàn)的結(jié)果。

由表2可以看出，未處理土和改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著干循環(huán)和濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。相同循環(huán)次數(shù)下，改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角大于未處理土，改良土的粘聚力降低程度約為未處理土的1/2，改良土的內(nèi)摩擦角減小程度約為未處理土的1/3。結(jié)果表明，改良土的水穩(wěn)定性高于未處理土，即高液限黏土經(jīng)水玻璃和硫酸鋁改良后，水穩(wěn)定性顯著提高。

4.3 承載比（CBR）試驗(yàn)

在3次干濕循環(huán)過程中，未處理土樣的相對膨脹率達(dá)到最大值，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角減小程度較高。因此，對CBR試驗(yàn)進(jìn)行如下比較：（1）比較未經(jīng)處理的未經(jīng)干燥的土壤的CBR;濕循環(huán)與3個循環(huán)的CBR。（2）比較3個干濕循環(huán)后不同養(yǎng)護(hù)齡期改良土樣與未處理土樣的CBR。

未經(jīng)處理和改良土壤的CBR試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中，未經(jīng)處理的土壤樣品未經(jīng)干濕循環(huán)的CBR為6.1%，符合規(guī)范要求（路基CBR必須>3%）。然而，經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，未處理土樣的CBR降低到2.7%，不符合規(guī)范要求。改良土樣用4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁養(yǎng)護(hù)7d后不進(jìn)行干濕循環(huán)的CBR為18.3%;養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行3次干濕循環(huán)的CBR為15.6%，滿足規(guī)范要求。3次干濕循環(huán)后未處理土樣的CBR降低了55.7%，7d養(yǎng)護(hù)和3次干濕循環(huán)后改良土樣的CBR降低了14.8%，改良土樣經(jīng)過28d的養(yǎng)護(hù)和3次干濕循環(huán)后，其水穩(wěn)定性降低了16.6%，表明改良高液限黏土在4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁的作用下，其水穩(wěn)定性明顯高于未處理土。

5 結(jié)語

本文研究了水玻璃和硫酸鋁處理高液限土路基的可行性，探討了液塑限、最大干密度、最佳含水量等問題以及水玻璃和硫酸鋁改良高液限土的水穩(wěn)定性。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，得出以下結(jié)論：

（1）隨著水玻璃和硫酸鋁摻量的增加，改性高液限黏土的液限減小，塑性極限增大，塑性指數(shù)降低。當(dāng)3.6ml濃度的水玻璃溶液的混合量為4%，硫酸鋁的摻量為0.4%時，經(jīng)改進(jìn)的土壤固化7d后的液限為54.6%，其塑性指數(shù)為21，符合路基填料的塑性指數(shù)要求。

（2）改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均高于未處理土。未處理土和改良土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。改良土的粘聚力降低程度約為未處理土的1/2，而改良土的內(nèi)摩擦角減小程度約為未處理土的1/3。

（3）經(jīng)過3次干循環(huán)和濕循環(huán)后，未經(jīng)處理的土壤CBR不符合規(guī)范要求，但經(jīng)過7d的養(yǎng)護(hù)和3次干濕循環(huán)后，4%水玻璃溶液和0.4%硫酸鋁溶液改良土的CBR符合規(guī)范要求。另外，經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，未處理土的CBR降低程度大于改良過的土壤。

（4）硫酸鋁溶液和水玻璃溶液的黏度在8h內(nèi)基本保持不變，兩種溶液在灌漿施工中不凝結(jié)，能夠滿足灌漿施工的要求。另外，水玻璃和硫酸鋁改良高液限黏土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性顯著提高，說明水玻璃和硫酸鋁可以通過注漿的方式處理高液限土路基病害。

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