云羅高速公路沿線高液限土承載比影響因素分析

程 濤，洪寶寧，程江濤

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210098;3.安徽省質量技術監(jiān)督局，安徽 合肥 230051)

云羅高速公路(云浮至羅定)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，這些高液限土除具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等共性外，還有著明顯的地區(qū)特點，反映在工程特性方面為:透水性差、不易壓實、干時堅硬不易挖掘，毛細現象顯著，浸水后能較長時間保持水分，承載力小，穩(wěn)定性差［1］。若不加以改良就直接用于路基填筑，將會誘發(fā)諸多質量隱患和病害，如:沉降不均勻、開裂、局部滑塌、水穩(wěn)定性差、壓實困難等［2］;將其全部作為棄方處理顯然不經濟，而且對環(huán)境影響較大，不符合基本國策。在對各種改良方案進行技術經濟比較后認為摻砂改良方案系首先方案，它經濟性較好、技術性可行、對環(huán)境影響較小［3］。在方案實施前，有必要對衡量路用性能評價指標(加州承載比)CCBR的影響因素進行深入分析，找出影響規(guī)律，以便確定最佳摻砂量和具體的施工工藝。

1 試驗材料

1.1 土體

選取云羅高速公路沿線多組土樣進行室內液塑限試驗，根據塑性指數和細顆粒含量進行土樣分類［4］。取其中代表性的高液限粉土和高液限黏土各一處。本文將高液限黏土和高液限粉土分別表示為G1，G2;摻砂量(質量分數，下同)15%，20%，25%，30%分別表示為P1，P2，P3，P4。G1P2即表示高液限黏土摻砂20%。

1.1.1 土體的礦物成分

無機礦物是土中的主要成分，按照成因和性質不同可將土中的無機礦物分成原生礦物、次生礦物、水溶鹽、有機質等。土中的原生礦物主要有石英、長石、云母等。這些礦物的化學成分較穩(wěn)定，具有較強的抗水性和抗分化能力，親水性弱或較弱。次生礦物主要有黏土礦物、含水氧化物、次生二氧化硅。黏土礦物是次生礦物中數量最多的礦物，主要由各種硅酸鹽類礦物分解形成的含水鋁硅酸鹽組成，一般粒徑小于5μm，比表面積較大，是構成土中黏粒的主要礦物成分［5］。它在土中的相對含量即使不大，對土的工程性質卻有較大影響。黏土礦物的主要類型有高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等。

X射線衍射分析法是研究結晶構造和鑒定黏土礦物最常用的一種方法。本試驗即通過此種方法分析土體的各黏土礦物成分含量。

通過試驗發(fā)現，廣東省云浮地區(qū)高液限土礦物成分主要有高嶺石、石英、長石、蛭石、伊利石、針鐵礦、蒙脫石。其中高嶺石含量最高，其他均有少量分布。且G2的高嶺石含量大于G1的高嶺石含量，而G1的蛭石含量明顯高于G2的蛭石含量(表1)。

表1 高液限土礦物成分(質量分數)Table 1 Mass fraction of mineral composition of high-liquid limit soil %

1.1.2 土體的物理性質

在摻砂0%，15%，20%，25%時，分別進行了一系列的顆粒分析試驗、相對密度試驗、液塑限試驗、擊實和室內加州承載比試驗［6］。各土樣性能參數試驗結果見表2。從試驗結果看，高液限土具有細顆粒含量高、液限大、CCBR小的特點。摻砂改良后，其粗粒含量增加、液限降低、最優(yōu)含水率減小、最大干密度增加。

表2 不同摻砂量下的高液限土性能參數試驗結果Table 2 Test results of high-liquid limit soil mixed with different contents of sand

1.2 砂

優(yōu)質的改良材料是保證改良試驗成功的重要因素之一。圖1為試驗用砂顆粒分析試驗曲線［7］。從試驗結果來看，珠江流域河沙級配良好，不均勻系數Cu=7.8，Cc=2.1。

2 試驗原理及方法

加州承載比試驗是1928年美國加州公路局在進行瀝青路面破壞調查時為比較材料的強度而提出的，該指標現已用于評定路基土和路面材料的強度［8］。影響高液限土CCBR的因素有礦物成分、顆粒級配等。本文依托在建的廣東省云羅高速公路工程，通過試驗研究高液限土在不同摻砂比例時的CCBR，分析土粒的礦物成分及其含量和顆粒級配對高液限土CCBR的影響。

2.1 顆粒級配對CCBR影響分析

圖1 試驗用砂顆粒分析曲線Fig.1 Particle analysis curve of sand used in test

CCBR的大小可反映土體局部抗剪切破壞的能力，而土體的抗剪強度主要由黏聚力和摩擦力組成［9］。對于粗顆粒含量很少的高液限黏土，土中含水時黏粒間產生不同厚度的結合水膜，其厚度取決于土體的含水量和黏聚力，當土體發(fā)生剪切位移時摩擦力主要由通過起潤滑作用的水膜間的相互摩擦提供。水膜越厚，摩擦力越小。因此黏粉比較大的高液限黏土的抗剪強度主要由黏聚力組成，其CCBR值一般較小;對于粗顆粒含量較少的高液限粉土，由于比表面積減小而造成黏聚力下降。此外，由于粉粒含量增加，粉粒周圍結合水膜厚度減小，摩擦力得到增強。因此，高液限粉土的抗剪強度以黏聚力為主、摩擦力為輔，其CCBR比高液限黏土有所增強。摻砂改良后，顆粒級配得到改良，因膠結作用形成的黏性團粒數量較少，不足以包裹粗顆粒，摩擦力進一步增大，所以摻砂高液限土的抗剪強度主要以摩擦力為主、黏聚力為輔。以上分析表明:粗顆粒含量越高，摩擦力越大，黏聚力越小;粗顆粒含量越低，摩擦力越小，黏聚力越大。

本試驗將G1和G2土樣分別摻砂0%，15%，20%，25%后，經配料、養(yǎng)護24h、擊實、浸水4d，測定土體的CCBR值。

2.2 礦物成分對CCBR值影響分析

高嶺石晶胞之間由較強的氫鍵連接，性質較穩(wěn)定，水分子不易進入晶胞而發(fā)生膨脹，故水穩(wěn)定性較好，可塑性低，壓縮性低，親水性差。蒙脫石分子之間是靠范德華力相互連接，連接力較差，水分子容易進入晶胞之間，親水性較強。因此蒙脫石具有強脹縮性、高塑性、高壓縮性、低強度及低滲透性、高液限性等。伊利石由于晶格結構差異和同像置換造成吸水能力高于高嶺石而低于蒙脫石，其力學性質介于高嶺石和蒙脫石之間。蛭石與蒙脫石具有相似的晶體結構，這兩種礦物的晶層之間均為水和陽離子，層間距離相對較大，晶層間易隨含水量的變化而發(fā)生脹縮;高嶺石和伊利石則與之相反，高嶺石晶層之間以氫鍵連接，間距小，強度高。伊利石晶層之間以鉀離子鍵為主，晶層間距較小，強度高。

3 試驗結果及分析

3.1 顆粒級配對CCBR值影響

從圖2、表1可以看出，摻砂改良后，粗顆粒含量明顯增大。當摻砂20%后，G1細顆粒含量由94.4%降低到79.0%，G2細顆粒含量由86.3%降低到72.3%;而G1的CCBR由3.1增加到3.8，G2的CCBR由3.2增加到5.7。因此，高液限土的CCBR隨著摻砂量的增加而逐漸增大。

圖2 不同摻砂比例高液限土的顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curves of high-liquid limit soil with different sand contents

從圖3可以看出:隨著黏粉比的增加，G1和G2的CCBR總體呈減小趨勢，但變化趨勢具有明顯差異［10］。G2的CCBR與黏粉比成線性關系:

圖3 高液限土CCBR隨黏粉比的變化關系Fig.3 CCBRvs.clay-silt ratio for high-liquid limit soil

而G1的CCBR與黏粉比具有明顯的分段性，可表示為

從表3、圖4可以看出:隨著粗顆粒含量的增加，G1和G2的CCBR總體呈增加趨勢，但變化趨勢具有明顯差異。

表3 黏粉比隨摻砂量的變化關系Table 3 Clay-silt ratio vs.different contents of sand

圖4 CCBR隨粗顆粒質量分數的變化關系Fig.4 CCBRvs.coarse particle content

G2的CCBR與粗顆粒含量的指數冪成線性關系:

G1的CCBR與粗顆粒含量具有明顯的分段性，可表示為

由試驗結果可知:G1在摻砂20%和25%時的粗顆粒含量相差較大，分別為21.0%和24.1%，但2種土樣的黏粉比分別為1.123和1.122，相差不大，而兩者的CCBR相差較大，分別為3.8和4.9。分析原因為:含量很高的G1細顆粒通過膠結作用連結成團粒結構，包裹在粗顆粒周圍，其潤滑作用得到發(fā)揮，黏粒本身的膠結作用又不足以使粗顆粒膠結在一起，其摩擦力增加較少;由于粗顆粒含量的增加，顆粒之間距離增大，黏聚力減小。因此，摻砂G1的CCBR小于G2的CCBR。G1在摻砂25%時和G2在摻砂20%時的粗顆粒含量分別為26.9%和27.7%，相差不大，且2種土樣的黏粉比分別為1.121和0.831，相差較大，但兩者的CCBR相差不大，分別為4.9和5.7。以上結果說明在標準的試驗方法和相同的試驗條件下，影響CCBR的主要因素為粗顆粒含量，其次為細顆粒中的黏粉比。

3.2 礦物成分對CCBR的影響

從表1可以看出，廣東省云浮地區(qū)高液限土礦物成分主要有高嶺石、石英、長石、蛭石、伊利石、針鐵礦、蒙脫石。其中高嶺石含量最高，其他均有少量分布。由于G1含親水性礦物蛭石和蒙脫石含量較高，與G2相比，其吸水能力較強，而脫水速率較慢。因此，土的礦物成分及含量顯著影響干濕過程土中含水量、膨脹率、抗剪強度，這也很好地解釋了高液限土的力學行為。根據G1和G2的定義，黏土的塑性指數高、細顆粒含量高、比表面積大、親水性礦物含量高，因此黏土的水敏性高、水穩(wěn)定性差，需摻砂改良［11］。而砂粒以石英為主要礦物成分、不含親水性礦物。高液限土摻砂改良后，其親水性礦物比例下降，顆粒級配得到改良，水敏性降低，滲透性增加，膨脹率減小，水穩(wěn)定性得到改良，抗剪強度顯著提高［12］。

4 結 論

a.粗顆粒含量越高，摩擦力越大，黏聚力越小，水敏感性越差;細顆粒含量越高，黏聚力越大，摩擦力越小，水敏感性越強。

b.由于土體中含有較多的親水性礦物蛭石和蒙脫石，因此土體水敏性較強，膨脹率較大，CCBR較小。摻以石英為主要礦物成分的砂粒后，親水性礦物比例有所降低。因此，隨著摻砂量的增加，土體的水敏感性降低，膨脹率減弱，CCBR增加。

c.在試驗條件相同的情況下，影響土體CCBR的主要因素是粗顆粒含量，其次為黏粒組顆粒曲線分布情況及黏粉比。

d.黏粉比是評價土體CCBR的一個重要參考指標，黏粉比越小，CCBR越大。

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