莫秋旭，陳家闖，許會生，黃毅，婁平

湛江大道2種高液限土水泥改良試驗研究

莫秋旭1，陳家闖2，許會生2，黃毅3，婁平3

(1. 廣東省湛江市公路事務中心，廣東 湛江 524000；2. 中建湛江大道投資建設有限公司，廣東 湛江 524000；3. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

針對湛江大道一級公路范圍內(nèi)的2種高液限土，通過摻入水泥進行改良的室內(nèi)試驗，分析不同比例水泥摻入量對2種高液限土的改良效果，以及摻入同比例水泥對不同液限的高液限土的改良效果。研究結果表明：摻入水泥能夠較好地改良高液限土的物理力學性能，高液限土親水性降低，壓實度提高，CBR值有較大幅度的提升。綜合試驗結果、水泥材料價格、來源便利、現(xiàn)場拌和改良施工可操作性等因素，推薦摻入3%水泥改良高液限土的方案。研究結果可為湛江大道高液限土現(xiàn)場改良施工提供依據(jù)，亦可為類似高液限土改良提供參考。

高液限土；水泥；液塑限；CBR；改良

廣東湛江總體地勢平坦，地貌單元多受海水沖擊而形成，如海積平原、沖洪積平原等。湛江地區(qū)處于低緯度沿海地帶，雨季長雨水多。因此湛江地區(qū)公路建設中常見高液限土，其特點為液限高，塑性指數(shù)大，直接使用高液限土將會使路基的強度、穩(wěn)定性以及耐久性得不到保障，對工程質(zhì)量產(chǎn)生較大的負面影響。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，湛江大道沿線高液限土分布量大，分布范圍廣。如若在施工過程中處理不當，后期將產(chǎn)生一系列開裂、翻漿冒泥和不均勻沉降等病害，汽車通過路面時，還將出現(xiàn)“跳車”等現(xiàn)象，危及行車安全?！豆仿坊┕ぜ夹g規(guī)范》(JGT F10—2006)[1]規(guī)定：路基填料不能將液限大于50%，塑性指數(shù)大于26%的細顆粒土直接作為路堤填料。根據(jù)《廣東省高液限土路基修筑技術指南》[2]，高液限土需要采取一定的措施對其改良，經(jīng)檢驗CBR值達到8%以上方可使用。目前針對高液限土，施工單位普遍采用棄方換填或改良等方式進行處理以滿足規(guī)范要求。高液限土常用的處治方法有化學改良和物理改良?；瘜W改良包括摻砂、石灰、水泥等摻和料，通過復雜反應改變土體性質(zhì)來提高強度和穩(wěn)定性。國外對高液限土改良做了大量研究，Alper等[3]分析了粉煤灰對高液限土的改良機理。Bernardo等[4]對一種高液限土進行了顆粒密度、粒度分布等2 400多項試驗，從微觀角度分析了高液限土的特性。Raymond等[5]研究了循環(huán)濕潤干燥對石灰改良后的黏土的膨脹性能的影響，分析了摻砂對改良高液限土的力學特性。YUN等[6]介紹了2種復合改進固化劑，通過無側限抗壓強度試驗等比較分析了在28 d標準養(yǎng)護下，復合改進固化劑與單一固化劑對高液限土在不同水泥摻量下的改良效果。程濤等[7?8]通過試驗方式，比較了高液限土在不同顆粒含量和不同液限范圍條件下的CBR值，得到了不同類別的高液限土最佳摻水泥比范圍。吳家旺[9]采用摻砂和水泥的改良方式對高液限土進行改良試驗，對湛江地區(qū)高液限土改良提出了建議方案。李秉宜等[10]針對高液限土作為路基填料在多雨條件下的耐久性問題，結合龍浦高速項目開展了一系列水穩(wěn)性研究試驗。洪寶寧等[11]采用雙指標控制方法，通過空氣率和壓實率2個因素控制填筑路堤的強度和剛度，為高液限土在工程中的使用提供了技術支持。李智杰[12]通過場拌法和集中路拌法對連鹽線上沿海地區(qū)沖積平原高液限高塑限土在鐵路建設中的利用進行了研究，總結比較了2種施工工藝的優(yōu)缺點和控制要點，為高液限土現(xiàn)場改良技術提供了參考。本文依托湛江大道一級公路建設工程項目，針對2種高液限土的界限含水率、擊實試驗和承載比(CBR)進行室內(nèi)試驗，探究水泥不同摻入比例對高液限土的改良效果，提出滿足《公路路基施工技術規(guī)范》(JGT F10—2006)要求，且具有良好經(jīng)濟性能的水泥摻入比例方案，為湛江大道高液限土現(xiàn)場改良施工提供依據(jù)，亦可為類似高液限土改良提供參考。

1 試驗材料及改良方案

1.1 素土

在湛江大道一級公路某標段，選取具有代表性的2種軟土，依據(jù)土樣顏色，分別稱為紅褐色土(以下簡稱紅土)和黃色土(以下簡稱黃土)，所取土樣如圖1和圖2所示。紅土土樣特點：紅褐色，可塑，由粉、黏粒組成，黏性較差，局部含碎石塊。黃土土樣特點：灰黃、褐黃夾灰白色，可塑，含少量粉砂。

含水率采用烘干法測定。液塑限采用標準100錐儀器測定。擊實試驗法測定其最大干密度和最佳含水率等參數(shù)。通過試驗檢測，湛江大道沿線路基土可分為2類，紅色高液限土(以下簡稱紅土)天然含水率為11.00%，液限為47.2%，塑限為20.6%，最大干密度為1.964 g/cm3，CBR值為9.72%，黃色高液限土(以下簡稱黃土)天然含水率為35.80%，液限為70.5%，塑限為34.8%，最大干密度為1.66 g/cm3，CBR值為10.2%，如表1。

圖1 紅褐色土土樣

圖2 黃色土土樣

表1 高液限土物理性質(zhì)

1.2 水泥

試驗改良水泥采用PC32.5復合硅酸鹽水泥。

1.3 改良方案

采用單摻不同比例的水泥方案對2種素土進行室內(nèi)改良試驗，改良方案包括物理性質(zhì)試驗、擊實試驗、承載比試驗。

水泥改良試驗設計3%，5%和7%共3種摻量(按干土質(zhì)量比),分別對2種土樣摻入水泥后進行100錐液塑限試驗，分析素土在摻入不同比例水泥改良后液塑限的變化規(guī)律。通過擊實試驗測定摻入不同比例水泥改良后的土樣的最大干密度和最佳含水率，分析素土在摻入不同比例水泥改良后最大干密度和最佳含水率的變化規(guī)律。結合改良后相應的最佳含水率，分別對每種配比的土樣制作30擊、50擊及98擊試樣各3組，通過96 h泡水標準養(yǎng)護，對改良后的土樣進行CBR室內(nèi)試驗，分析其改良后的CBR值變化，結合工程實際情況，得到最優(yōu)的改良比例。

2 試驗結果及分析

2.1 水泥摻量對高液限土液塑限的影響

在素土中按試驗設計的3種比例(3%，5%和7%)摻入水泥后，2種高液限土的液限均隨摻入水泥比例的增大而減小，塑限均隨摻入水泥比例的增大而增大，如表2所示。高液限土在水泥的水化作用下，土間空隙減小，整體凝結在一起，使土體本身強度和穩(wěn)定性得到提高。2種高液限土摻入水泥改良后的液塑限變化趨勢如圖3~4。通過變化趨勢曲線分析，在摻入水泥后，水泥、土和水發(fā)生復雜反應，高液限土液塑限變化幅度較大，高液限土經(jīng)水泥改良后液塑限指標的變化，說明其親水性減弱，主要是由于水泥摻量控制在合適范圍內(nèi)，表觀密度大，通過均勻的拌和后能夠與土體充分反應，使工程性能得到較好改善作用。

通過表1和表2數(shù)據(jù)對比，本次實驗所用的素土本身含水率大于其最佳含水率，因此素土本身壓實度不高，室內(nèi)試驗可通過完全烘干高液限土后加入適量水以達到最佳含水率，現(xiàn)場施工則可通過翻曬等方式使土體含水率接近最佳含水率，保證后續(xù)改良效果。從表2數(shù)據(jù)可知，改良后的高液限土壓實度更高，2種高液限土的最大干密度均有所增加，親水性減少導致2種高液限土的最佳含水率均有所降低。但室內(nèi)試驗方法采用現(xiàn)場拌和水泥均勻后立即開始試驗，水泥與土體反應時間較短，反應不夠充分，因此摻入不同比例的水泥改良后最大干密度和最佳含水率的試驗結果變化較小。

表2 高液限土摻入不同比例水泥改良后物理性質(zhì)變化

2.2 水泥摻量對高液限土承載比(CBR)的影響

通過液塑限、塑性指數(shù)和CBR等指標，可以判斷土體是否符合路基填料要求。高液限土在天然狀態(tài)下，呈現(xiàn)半干硬狀態(tài)，土體難以被壓實，壓實度難以符合要求，進而影響到路基的穩(wěn)定性和安全性。在最佳含水率及30擊、50擊和98擊擊實條件下，將試樣養(yǎng)護泡水96 h，試驗結果如表3。

圖3 高液限土摻入不同比例水泥改良后液限變化曲線

圖4 高液限土摻入不同比例水泥改良后塑限變化曲線

表3 高液限土摻入不同比例水泥改良后CBR試驗數(shù)據(jù)

紅土摻入不同比例水泥改良后在98擊擊實條件下的貫入量和單位壓力的關系如圖5。黃土摻入不同比例水泥改良后在98擊擊實條件下的貫入量和單位壓力的關系如圖6。通過貫入量和單位壓力的關系，測定在2.5 mm和5 mm貫入量時的單位壓力值，進而求得相關土樣的CBR值。水泥對高液限土的改良主要是通過水泥與水發(fā)生復雜的水解、水化等化學反應，生成硅酸鈣和鋁酸鈣等具有膠結作用的物質(zhì)，提升高液限土的強度[13]。高液限土承載比(CBR)隨水泥劑量的增加呈直線上升。從摻量、擊實功和壓實度的關系可知，相同擊實功下，水泥摻量越大，改良后的高液限土能被更好的壓實，其改良效果也越好。

圖5 紅土摻入不同比例水泥改良后貫入量與單位壓力關系曲線

2種高液限土摻入不同比例水泥改良后CBR值變化趨勢如圖7。從表3和圖7中可知，紅土經(jīng)過水泥改良后的提升幅度相比黃土經(jīng)過水泥改良后的提升幅度較大。這是由于當液限大于70%時，黏土顆粒在長時間浸水后顆粒間隙距離變大，其CBR值已經(jīng)不受含水量所控制。因此黃土摻水泥改良后的CBR 值提升的效果不如紅土摻水泥改良后的效果好[7]。

根據(jù)JTG F10—2006《公路路基施工技術規(guī)范》[1]。一級公路路基加州承載比(CBR)最小強度要求為8%。通過試驗結果所示，摻入3%，5%和7%的水泥對2種高液限土改良后的CBR值均能滿足規(guī)范要求。

圖6 黃土摻入不同比例水泥改良后貫入量與單位壓力關系曲線

圖7 高液限土摻入不同比例水泥改良后CBR值變化趨勢曲線

2.3 水泥改良技術經(jīng)濟性討論

從水泥價格上來看，通過互聯(lián)網(wǎng)調(diào)研，P.C32.5復合硅酸鹽水泥市場價格約為370~420元/t，采用摻入3%，5%和7%的該種水泥改良，平均每噸土改良費用約為11.1~12.6元，18.5~21元和25.9~29.4元,具有較好的經(jīng)濟性。從可操作性來看，水泥改良高液限土的方式操作較為簡單，現(xiàn)場不需要大量人工，在人工費用上也具有一定的經(jīng)濟性。

3 結論

1) 水泥通過與水發(fā)生復雜的化學反應以提高高液限土的工程特性，摻入適當比例的水泥能夠提高高液限土塑限、降低液限，但摻入水泥含量較高時，塑限指數(shù)隨摻入含量增大而增大，會造成土體難以壓實。

2) 摻入適當比例的水泥改良后，土的黏結強度增大，壓實度增加，最大干密度提高，同時通過水泥的水化作用，高液限土的親水性降低，改良后的高液限土最佳含水率也降低。

3) 摻入適當比例的水泥改良后，高液限土的壓實度、強度和CBR值在一定范圍內(nèi)與摻入水泥的比例成正比關系。

4) 通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，摻入3%，5%和7%水泥后，紅土較其素土相比，CBR值提高210.8%，1056.2%和2056.8%，黃土較其素土相比，CBR值提高46.3%，86.4%和414.7%。摻入水泥后高液限土能夠得到很好的改良效果。

5) 根據(jù)JTG F10—2006《公路路基施工技術規(guī)范》，一級公路路基加州承載比(CBR)最小強度要求為8，結合經(jīng)濟性價比考慮，推薦采用3%水泥對高液限土改良方案。

[1] JTG F10—2006, 《公路路基施工技術規(guī)范》[S]. JTG F10—2006, Technical specifications for highway subgrade construction[S].

[2] GDJTG/T E01—2014, 廣東省高液限土路基修筑技術指南[S]. GDJTG/T E01—2014, Technical guide for construction of high liquid limit soil subgrade in Guangdong province[S].

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Experimental study on improvement of two kinds of high liquid limit soil in Zhanjiang avenue using cement

MO Qiuxu1, CHEN Jiachuang2, XU Huisheng2, HUANG Yi3, LOU Ping3

(1. Zhanjiang Highway Affairs Centre, Zhanjiang 524000, China; 2. Zhongjian Zhanjiang Avenue Investment Construction Co. Ltd., Zhanjiang 524000, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Aiming at two kinds of high liquid limit soils in the first grade highway of Zhanjiang Avenue, the improvement effect of different proportion of cement on two kinds of high liquid limit soils and the improvement effect of mixing the same proportion of cement on different liquid limit soils were analyzed by the laboratory test of mixing cement. The test results show that the physical and mechanical properties of high liquid limit soil can be improved by adding cement, such as the hydrophilicity of high liquid limit soil decreasing, the compaction degree increasing, and the CBR value increasing greatly. Based on the test results, the price of cement material, the convenience of source, the site mixing and the improvement of construction maneuverability, the scheme of improving high liquid limit soil with 3% cement is recommended. It provides a basis for the improvement construction of high liquid limit soil in Zhanjiang Avenue, and also provides a reference for the improvement of similar high liquid limit soil.

high liquid limit soil; cement; liquid plastic limit; CBR; improvement

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190828

U416.1

A

1672 ? 7029(2020)07 ? 1728 ? 06

2019?09?16

國家自然科學基金資助項目(51678572，51978672)；中建湛江大道投資建設有限公司科研資助項目(2018001)

婁平(1968?)，男，湖南瀏陽人，教授，博士，從事道路與鐵道工程設計與理論研究；E?mail：pinglou@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)