摻砂高液限土加州承載比影響因素試驗(yàn)

盧自立,曹亮宏,程 濤

(1.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州 510620; 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

摻砂高液限土加州承載比影響因素試驗(yàn)

盧自立1,曹亮宏1,程 濤2,3

(1.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州 510620; 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

為確定云羅高速公路沿線的高液限土改良方案,通過不同摻砂比例的顆粒分析試驗(yàn)、相對密度試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和室內(nèi)加州承載比(CBR)試驗(yàn),對摻砂前后高液限土的顆粒級配分布,摻砂高液限粉土和高液限黏土的承載比影響因素,如摻砂量、浸水時(shí)間對CBR值的影響規(guī)律等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,摩擦力越大,黏聚力越小,水敏感性越差;影響土體CBR值的主要因素是粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),其次為浸水時(shí)間。

高液限土;摻砂改良;加州承載比;摻砂量;浸水時(shí)間

廣東地區(qū)已建、在建、擬建的高速公路在路基工程中或多或少地遇到了高液限土的處理問題。這些高液限土除具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等共性外,還由于工程性質(zhì)的特殊性,導(dǎo)致其作為高速公路路堤填料具有透水性差,不易壓實(shí),干時(shí)堅(jiān)硬不易挖掘,毛細(xì)現(xiàn)象顯著,承載力較小,穩(wěn)定性差等工程特性。JTGF10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定液限大于50％、塑性指數(shù)大于26、含水率不滿足直接壓實(shí)要求的細(xì)粒土不得直接作為路堤填料。

云羅(云浮—羅定)高速公路地處廣東省西部山地丘陵地區(qū),沿線分布著大量的高液限土,若不加改良直接用于路基填筑,將會誘發(fā)諸多質(zhì)量隱患和病害,如沉降不均勻、開裂、局部滑塌、水穩(wěn)定性差、壓實(shí)困難等問題[2];若將其全部作為棄方處理顯然不經(jīng)濟(jì),而且對環(huán)境影響較大。在對各種改良方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,將摻砂改良方案作為首先方案,該方案經(jīng)濟(jì)性較好,技術(shù)上可行,對環(huán)境影響較小[3]。在方案實(shí)施前,有必要對衡量路用性能的指標(biāo)加州承載比(CBR)的影響因素進(jìn)行深入分析,找出影響規(guī)律,以確定最佳的摻砂量和具體的施工工藝。

評價(jià)高液限土改良效果的指標(biāo)有液限、塑限、細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、CBR、壓縮系數(shù)等[4],其中CBR是能否用作路基填料的重要評判指標(biāo)之一。CBR試驗(yàn)是1928年美國加州公路局在進(jìn)行瀝青路面破壞調(diào)查時(shí)為比較材料強(qiáng)度而提出[5],其指標(biāo)現(xiàn)已用于評定路基土和路面材料的強(qiáng)度。影響高液限土CBR的因素有摻砂量、含水率等,因此本文依托在建的廣東省云羅高速公路工程,通過試驗(yàn)得出不同摻砂量高液限土在不同浸水時(shí)間的CBR值,并分析其影響因素。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土樣

根據(jù)云羅高速公路沿線土的工程地質(zhì)特性,選取多組土樣進(jìn)行室內(nèi)液塑限試驗(yàn),根據(jù)細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及塑性指數(shù)是否大于0.73(wl-20)將土樣分類(w1為液限),取其中有代表性的高液限粉土和高液限黏土各1組。

在摻砂比例分別為0％、15％、20％、25％時(shí),進(jìn)行了一系列的顆粒分析試驗(yàn)、相對密度試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和室內(nèi)CBR試驗(yàn)。各土樣物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。從試驗(yàn)結(jié)果看,高液限土具有細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、天然含水量大、液限較大的特點(diǎn)。摻砂改良后,其粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,含水率減小,液限降低,最優(yōu)含水量減小,最大干密度增大。

1.2 試驗(yàn)用砂

廣東地區(qū)水系較發(fā)達(dá),根據(jù)施工現(xiàn)場就近取材原則,本試驗(yàn)所用砂均采自珠江流域。優(yōu)質(zhì)的改良材料是保證改良試驗(yàn)成功的重要因素之一。圖1為試驗(yàn)用砂顆粒分布曲線[6],試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3組平行顆粒分析試驗(yàn)的平均值。從試驗(yàn)結(jié)果來看,珠江流域河砂屬于中粗砂,級配合理,不均勻系數(shù)Cu=7.8＞5,Cc= 2.1,在1～3之間,結(jié)果表明,試驗(yàn)用砂的級配良好。

圖1 試驗(yàn)用砂顆粒分布曲線

2 試驗(yàn)原理及內(nèi)容

2.1 顆粒級配對CBR值的影響試驗(yàn)

CBR值反映了土體局部抵抗剪切破壞的能力,而土體的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力和摩擦力組成。對于細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的高液限土,抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力承擔(dān);而摻砂改良后土體粗顆粒含量增大,抗剪強(qiáng)度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛绅ぞ哿湍Σ亮餐袚?dān)。因此,摻砂量對高液限土的CBR值影響較大。黏土與粉土質(zhì)量比較大的高液限黏土的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力組成,其CBR值一般較小;對于粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的高液限粉土,由于比表面積減小,造成黏聚力下降。同時(shí)由于粉土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,粉土顆粒周圍結(jié)合水膜厚度減小,摩擦力增大。因此高液限粉土的抗剪強(qiáng)度以黏聚力為主,摩擦力為輔, 其CBR值較高液限黏土有所增強(qiáng);摻砂改良后,其顆粒級配得到明顯改良,因膠結(jié)作用形成的黏性團(tuán)粒數(shù)量較少,不足以包裹粗顆粒,土體的摩擦力進(jìn)一步增大,故摻砂后的高液限土的抗剪強(qiáng)度主要以摩擦力為主、黏聚力為輔。因此高液限土的CBR值受土體顆粒級配影響:粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,摩擦力越大,黏聚力越小;粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,摩擦力越小,黏聚力越大。

本試驗(yàn)將高液限黏土、高液限粉土分別摻0％、15％、20％、25％砂,經(jīng)配料、養(yǎng)護(hù)24 h,擊實(shí)、浸水4 d后測定土體的CBR值[7]。

2.2 浸水天數(shù)對CBR值的影響試驗(yàn)

土體的黏聚力受顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用所控制。隨著含水量的增加,顆粒間結(jié)合水膜逐漸變厚,距離逐漸增大,固水膜聯(lián)結(jié)作用逐漸減小,直到土體飽和水膜聯(lián)結(jié)作用完全喪失;同時(shí)顆粒間的膠結(jié)物因含水量的增加逐漸溶解,膠結(jié)作用逐漸減弱,因此黏聚力隨含水量的增加而逐漸減小;土體的摩擦力通過起潤滑作用的水膜間摩擦力承擔(dān),含水量越高,結(jié)合水膜厚度越大,顆粒間摩擦力越小。因此含水率對高液限土CBR值的影響較大[8]。廣東地區(qū)雨水較多,地下水位較高,土體中的含水率在地表水的滲透和地下水的毛細(xì)管作用下變化幅度較大,填筑后的高液限土隨含水率的增加,結(jié)合水膜厚度增厚,土體之間的摩擦力和黏聚力均逐漸變小。

試驗(yàn)將烘干后的高液限土按不同摻砂量制樣,加入不同質(zhì)量的水,水量按不同摻砂量所對應(yīng)的最優(yōu)含水率計(jì)算得到,拌和均勻并悶料24 h后擊實(shí),分別在浸水0d、1d、2d、3d、4d、5d后測得它們的CBR值。

表1 不同摻砂量下的高液限土物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 摻砂量對CBR值的影響

圖2和圖3分別為不同摻砂量下高液限黏土和高液限粉土的顆粒級配曲線,CBR值隨摻砂量的變化見圖4。從圖2～4可以看出,摻砂改良后,粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增大。摻砂20％后,高液限黏土的細(xì)顆粒(粒徑小于0.074 mm的顆粒)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由94.4％降低到79.0％,高液限粉土細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由86.3％降低到72.3％;而高液限黏土的CBR值由3.1％增大到3.8％,高液限粉土的CBR值由3.2％增大到5.7％。由此可知,高液限土的CBR值隨摻砂量的增加而逐漸增大。

圖2 不同摻砂比例高液限黏土顆粒級配曲線

圖3 不同摻砂比例高液限粉土顆粒級配曲線

圖4 CBR值隨摻砂量的變化

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知:摻砂25％的高液限黏土和摻砂15％的高液限粉土的粗顆粒(粒徑大于0.074 mm的顆粒)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大,分別為24.1％和24.7％,而兩者的CBR值相差較大,分別為4.9％和4.5％。分析原因?yàn)?摻砂15％的高液限粉土中的粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,細(xì)顆粒通過膠結(jié)作用聯(lián)結(jié)成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),包裹在粉顆粒周圍,其潤滑作用得到發(fā)揮,而黏粒本身的膠結(jié)作用又不足以使粗顆粒膠結(jié)在一起,故摻砂使摩擦力增大較小;同時(shí),因粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,顆粒間距離增大,膠結(jié)力逐漸減小,造成黏聚力減小[9]。摻砂15％的高液限黏土和不摻砂的高液限粉土的粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.6％和14.7％,相差較大,但兩者的CBR值均為3.2％。基于以上原理不能合理解釋CBR值相等的原因。由于影響CBR值的因素較多,在其他條件相同的情況下,可能與浸水天數(shù)等試驗(yàn)條件有關(guān)。

3.2 浸水天數(shù)對CBR值的影響

圖5和圖6分別為不同摻砂比例的高液限粉土和高液限黏土在不同浸水天數(shù)后的CBR值。表2為高液限土在未浸水時(shí)的CBR值。由表2、圖5和圖6可以看出,①高液限粉土在未浸水時(shí)CBR值很大,隨著摻砂量的增加,CBR值增加幅度較大。當(dāng)摻砂量為25％時(shí),相對于未摻砂時(shí)的CBR值增加了222％。②浸水后CBR值減小幅度較大,一般為未浸水時(shí)CBR值的10％左右。③隨著浸水天數(shù)的增加,CBR值先逐漸減小,而后小量增加。當(dāng)摻砂量為0％時(shí),CBR值一般在浸水4 d后趨于穩(wěn)定;當(dāng)摻砂量為15％時(shí),CBR值一般在浸水3 d后趨于穩(wěn)定;當(dāng)摻砂量為20％、25％時(shí),CBR值一般在浸水2 d后就趨于穩(wěn)定。④浸水1 d和2 d時(shí),雖然摻砂15％的高液限土粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于未摻砂的高液限土,但未摻砂高液限土CBR值高于摻砂15％的高液限土。在浸水第3天,兩值趨于相等,第4天后,摻砂15％的CBR值明顯大于未摻砂改良時(shí)的CBR值。

圖5 不同摻砂比例的高液限粉土在不同浸水天數(shù)后的CBR值

圖6 不同摻砂比例的高液限黏土在不同浸水天數(shù)后的CBR值

表2 高液限土在未浸水時(shí)的CBR值

分析原因:當(dāng)高液限土未浸水時(shí),顆粒之間土的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力和摩擦力共同承擔(dān),此時(shí)土體含水量較小,土顆粒周圍的吸著水膜較薄,顆粒之間的距離較小,水膜的水膠聯(lián)結(jié)作用較強(qiáng),而在較小的含水量下,有機(jī)物質(zhì)的膠結(jié)作用使得細(xì)顆粒膠結(jié)在一起,因此土體的黏聚力較大[10],從而CBR值較大。隨著摻砂量的增加,土體粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加,比表面積減小,顆粒之間距離增大,顆粒之間的水膠結(jié)作用減小,黏聚力減小。但由于粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,造成摩擦力增加的幅度大于黏聚力減小的幅度,因此土體抗剪強(qiáng)度的增加幅度明顯。

浸水后,由于土體含水量顯著增加,土體間的膠結(jié)水膜厚度增厚,顆粒之間距離增大,顆粒間的聯(lián)結(jié)力減小;同時(shí),由于含水量增大,土中有機(jī)物進(jìn)一步溶解,膠結(jié)作用減小,從而造成土體黏聚力減小;而因水膜厚度增加,顆粒之間的摩擦力減小,從而造成CBR值減小幅度較大。由于高液限土細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,顆粒間的空隙較小,隨著浸水天數(shù)的增加,水逐漸進(jìn)入顆粒之間。而摻砂量增加造成細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,顆粒之間的空隙增大,較未摻砂改良時(shí)水體浸入摻砂改良后土體的速度明顯增大,因此,在浸水天數(shù)較小時(shí),CBR值的減小幅度隨摻砂量的增大而增大。雖然未摻砂的高液限土粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少,但在浸水1d時(shí)因含水量增加,黏聚力減小造成的CBR值減小值還是小于因摻砂量的小幅增加而造成的CBR值增大值,故未改良的高液限土CBR值還是高于摻砂15％時(shí)的CBR值;CBR值穩(wěn)定所需要的時(shí)間隨著摻砂量的增加逐漸減小。一般在浸水一定天數(shù)后,土體的空隙之間已經(jīng)完全充滿水,此時(shí)土中的CBR值最小,隨著浸水天數(shù)的增加,土體CBR值略有提高,分析認(rèn)為土體擊實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)遭到破壞,擊實(shí)后擾動停止,土的結(jié)構(gòu)逐步恢復(fù),強(qiáng)度也有所恢復(fù)。

4 結(jié) 論

a.粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,摩擦力越大,黏聚力越小,水敏感性越差;細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,黏聚力越大,摩擦力越小,水敏感性越強(qiáng)。

b.隨著浸水天數(shù)的增加,CBR值先逐漸減小,然后趨于穩(wěn)定,最后小量增加。CBR值趨于穩(wěn)定所需的天數(shù)隨著摻砂量的增加而逐漸減小。

c.在試驗(yàn)條件相同的情況下,影響土體CBR值的主要因素是粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),其次為浸水天數(shù)。

[1]JTGF10—2006 公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

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Influence factors of California bearing ratio test for high liquid limit soil mixed with sand

//LU Zili1,CAO Lianghong1,CHENG Tao2,3(1.Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co.Ltd.,Guangzhou510620,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education of Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing210098,China)

In order to determine the improvement scheme of high liquid limit soil along the Yunluo expressway,the particle size distributions of the high liquid limit soil with or without sand were analyzed based on the grain size analysis tests, relative density tests,liquid and plastic limits tests,compaction and indoor California bearing ratio(CBR)tests for different sand proportions.The impact factors with obvious regional features for the bearing ratios of high liquid limit silt mixed with sand and high liquid limit clay were investigated.The influences of sand content and immersion time on the CBR values were summarized and some useful conclusions were drawn in the study.With a greater mass fraction of coarse particles,the friction force and the cohesion force were found to be increased and decreased respectively,and the water sensitivity became poor. The mass fraction of coarse particles is the main impact factor on CBR values,and the immersion time is the secondary.

high liquid limit soil;soil improvement with sand;California bearing ratio;sand content;immersion time

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.015

TU431

A

10067647(2013)05006504

20120929 編輯:駱超)

國家自然科學(xué)基金(51079052);廣東省交通廳基金(200903005)

盧自立(1974—),男,廣東英德人,高級工程師,主要從事道路工程與邊坡穩(wěn)定研究。E-mail:gdluzili@163.com