高液限粘土填筑質(zhì)量控制研究

童宗勝 (安徽建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001)

1 研究背景

安徽的皖南山區(qū)分布著大量的高液限粘土，由于這些土具有細(xì)顆粒含量高、含水率大、液限高、CBR值較小等不利的物理力學(xué)性質(zhì)，造成其具有獨(dú)特的工程地質(zhì)特性：弱膨脹性、裂隙性和崩解性[1]。若不加處治直接用于填筑路堤，可能會(huì)引起多種病害：不均勻沉降、開(kāi)裂、滑坡、水穩(wěn)定性差、壓實(shí)困難。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)高液限粘土進(jìn)行了大量的研究，也取得了一些有益的成果。曾靜[2]等研究了石灰改良高液限粘土的各項(xiàng)力學(xué)性能，對(duì)規(guī)范中關(guān)于高液限粘土的規(guī)定作了修改；胡昕等[3]進(jìn)行了高液限粘土水敏感性研究，揭示了含水量變化對(duì)高液限粘土各項(xiàng)力學(xué)性能的影響；朱冬梅[4]等研究了高液限粘土在摻砂、水泥、石灰后的各項(xiàng)力學(xué)性能，并分析各種方案的改良效果和改良機(jī)理。目前國(guó)內(nèi)主要采用摻5%的生石灰去改良高液限粘土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)，但對(duì)施工工藝的研究還不完善，致使部分工程在通車后出現(xiàn)諸多質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重影響了高速公路的行車安全[5]。

要想摻石灰改良高液限粘土填筑后的質(zhì)量能夠滿足規(guī)范要求，則在填筑壓實(shí)時(shí)應(yīng)選取合適噸位的壓路機(jī)，采取正確的碾壓方式，控制碾壓時(shí)的遍數(shù)，調(diào)整土體的含水率。其中碾壓遍數(shù)的控制及壓實(shí)時(shí)的含水率控制最為關(guān)鍵。因此本文依托在建的某高速公路工程，取k2+230處的高液限粘土為研究對(duì)象，在摻生石灰5%后進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，獲得不同狀態(tài)下土體的最優(yōu)碾壓遍數(shù)及壓實(shí)時(shí)的含水率，從而更好地指導(dǎo)高速公路工程高液限粘土的現(xiàn)場(chǎng)施工及設(shè)計(jì)。

2 高液限粘土的基本性能

針對(duì)某高速沿線高液限粘土的特點(diǎn)，選取k2+230處的高液限粘土在摻5%生石灰改良前后進(jìn)行了一系列的液塑限試驗(yàn)、顆粒級(jí)配試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)，所獲得的結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 生石灰改良土壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)及含水率關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果看，某高速沿線高液限粘土具有天然含水量大、液限高、塑性指數(shù)大、細(xì)顆粒含量大、CBR值較小、膨脹率較大等特點(diǎn)，一般不能直接作為路堤填料。而摻5%生石灰改良后，土體含水率，液限、塑性指數(shù)、細(xì)顆粒含量、最大干密度、天然密度均減小，而最優(yōu)含水率、CBR值、塑限均不同程度的增大。因此，摻生石灰改良能顯著改善高液限粘土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)。

3 碾壓遍數(shù)控制研究

壓實(shí)功能對(duì)壓實(shí)效果的影響，是除含水率以外的另一個(gè)重要因素。壓實(shí)功能與壓實(shí)效果曲線表明：同一種土的最佳含水率隨功能的增大而減小，最大干容重則隨功能的增大而提高；在相同含水率的條件下，功能越高，土基密實(shí)度越高[6]。據(jù)此規(guī)律，工程實(shí)踐中可以增加壓實(shí)功能，以提高路基強(qiáng)度或降低最佳含水率。但必須指出，用增加壓實(shí)功能的辦法提高路基強(qiáng)度的效果有一定限度，功能增加到一定限度以上，效果提高愈為緩慢[7]。

在高液限粘土現(xiàn)場(chǎng)碾壓過(guò)程中，要使壓實(shí)度滿足規(guī)范要求，必須控制土體的碾壓遍數(shù)，大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明：高液限粘土填筑時(shí)的壓實(shí)度并不是隨著碾壓遍數(shù)的增加而逐漸增大，而是存在一個(gè)最大碾壓遍數(shù)，小于此碾壓遍數(shù)時(shí)，壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，大于此碾壓遍數(shù)時(shí)，壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加反而減小。且其最大碾壓遍數(shù)受多個(gè)因素影響，如摻料種類、粗顆粒含量、含水率大小[8]。因此，最佳的碾壓遍數(shù)應(yīng)該根據(jù)試驗(yàn)路的填筑效果進(jìn)行調(diào)整，以下僅為根據(jù)某高速沿線試驗(yàn)路摻灰改良前后的試驗(yàn)結(jié)果得出不同摻料的最佳碾壓遍數(shù)，以便對(duì)皖南山區(qū)高液限粘土現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓遍數(shù)控制提供借鑒作用。

碾壓機(jī)械為18t和22t寶馬振動(dòng)壓路機(jī)。高液限粘土摻灰改良施工時(shí)采用二次摻灰的方案，燜料采用生石灰塊，將土料運(yùn)至路面后在一定范圍內(nèi)攤鋪一層土料（厚度約1.0m），然后在土料表面攤鋪一層生石灰，再在生石灰上攤鋪一層土料，如此反復(fù)，形成土堆進(jìn)行燜料。在摻入生石灰后的第二天及以后各天用挖機(jī)翻拌一次，翻拌后仍將土料打堆?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，生石灰摻入土料中一天內(nèi)基本完全消解，第二天翻拌時(shí)土料中基本沒(méi)有未消解的生石灰塊。燜料三天后進(jìn)行拌和整平，然后進(jìn)行碾壓。應(yīng)拌和兩遍以上，直至無(wú)灰?guī)С霈F(xiàn)為準(zhǔn)，確保拌和均勻。

改良前后高液限粘土基本物理性質(zhì)指標(biāo) 表1

該層試驗(yàn)路18t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓工序?yàn)椋红o壓一遍→大振一遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度→小振二遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度→靜壓三遍→檢測(cè)壓實(shí)度→小振二遍→靜壓一遍（考慮到18t壓路機(jī)碾壓至6~9遍期間壓實(shí)度基本沒(méi)有增長(zhǎng)，最后兩遍采用22t壓路機(jī)碾壓）→檢測(cè)壓實(shí)度（共碾壓11遍）。22t寶馬振動(dòng)壓路機(jī)碾壓工序?yàn)椋红o壓一遍→振動(dòng)一遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度→靜壓二遍→檢測(cè)壓實(shí)度→小振二遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度（共碾壓9遍）。

生石灰改良土壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)及含水率間的關(guān)系見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，碾壓時(shí)5%生石灰改良土的含水率在20.3%~24.0%之間，與最優(yōu)含水率的差值為-2.9%~0.8%，含水率控制較好，18t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓到6遍時(shí)兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度都高于設(shè)計(jì)要求的93%，壓實(shí)度分別為96.8%、97.9%，含水率分別為22.2%、20.3%。18t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓到6遍時(shí)4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度都高于設(shè)計(jì)要求的93%，壓實(shí)度分別為97.9%、94.4%、95.5%、95.5%；當(dāng)碾壓到9遍時(shí)，其中一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度低于設(shè)計(jì)要求的93%，壓實(shí)度僅為92.5%。從圖1可以看出，5%生石灰改良土碾壓到6~9遍過(guò)程中改良土的壓實(shí)度基本沒(méi)有增長(zhǎng)，碾壓到9~12遍過(guò)程中改良土的壓實(shí)度有一定程度的降低，分析可能的原因有：①生石灰改良高液限粘土存在一個(gè)最佳碾壓遍數(shù)，超過(guò)最佳碾壓遍數(shù)后壓實(shí)度會(huì)隨碾壓遍數(shù)的增加而降低；②填料表面不平整造成填料中壓實(shí)功分布不均勻。22t寶馬振動(dòng)壓路機(jī)碾壓到5遍時(shí)四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度分別為94.1%、95.7%、93.8%、94.0%，含水率分別為24.4%、23.7%、24.1%、23.5%，壓實(shí)度都高于設(shè)計(jì)要求的93%。用93%壓實(shí)度進(jìn)行控制時(shí)，其碾壓工序如下。

①用18t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓時(shí)，其碾壓工序?yàn)椋红o壓一遍→小振兩遍→大振兩遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度（共碾壓6遍）。

②用22t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓時(shí)，其碾壓工序?yàn)椋红o壓一遍→大振一遍→靜壓一遍→大振一遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度（共碾壓5遍）。

18t 壓路機(jī)壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的關(guān)系 表2

4 碾壓含水率控制研究

4.1 高液限粘土直接填筑區(qū)

由于土體天然稠度比較大，在土料運(yùn)至場(chǎng)地以后，用旋耕機(jī)粉碎翻曬，每天至少用旋耕機(jī)翻兩遍，通過(guò)晾曬來(lái)控制碾壓時(shí)的含水率。采用18t的壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，分別在碾壓4遍、6遍、8遍時(shí)測(cè)出其相應(yīng)的壓實(shí)度見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在較大的壓實(shí)含水率差下（4~6時(shí)），增加碾壓遍數(shù)的效果較差，即使碾壓遍數(shù)達(dá)到12遍時(shí)，壓實(shí)僅僅達(dá)到91%左右，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)1.5m以下的壓實(shí)度要求為93[9]。在較大的壓實(shí)含水率差下，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度達(dá)不到規(guī)范要求。當(dāng)壓實(shí)含水率差為0~4時(shí)，碾壓12遍后，壓實(shí)度達(dá)到92%左右。因此，直接填筑時(shí)的壓實(shí)度一般不能滿足規(guī)范要求。通過(guò)大量的專家討論，確定采用降低壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)的高液限粘土直接填筑方法。一般采用88%壓實(shí)度進(jìn)行控制時(shí)，高液限粘土在碾壓6遍后就能滿足88%壓實(shí)度的要求，其碾壓工序?yàn)椋红o壓一遍→大振兩遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度→小振一遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度（共碾壓6遍）。

4.2 高液限粉土摻灰改良

由于摻生石灰能夠顯著減低土體的含水率，因此可通過(guò)晾曬的辦法來(lái)控制碾壓時(shí)的含水率。采用18t的壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，分別在碾壓4遍、6遍、8遍時(shí)測(cè)出其相應(yīng)的壓實(shí)度見(jiàn)表3。

18t 壓路機(jī)壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的關(guān)系 表3

試驗(yàn)結(jié)果表明：在較大的壓實(shí)含水率差下（4~6時(shí)），增加碾壓遍數(shù)的效果較差，即使碾壓遍數(shù)達(dá)到11遍時(shí)，壓實(shí)僅僅達(dá)到92%左右，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度達(dá)不到規(guī)范要求。當(dāng)壓實(shí)含水率差為0~4時(shí)，碾壓11遍后，壓實(shí)度大于93%，滿足規(guī)范的要求。說(shuō)明高液限粘土摻生石灰后，土體的含水率大幅度的下降，生石灰對(duì)降含水率的效果明顯。這與理論分析結(jié)果相吻合[10]。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，用18t壓路機(jī)碾壓時(shí)，隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度逐漸增加，在壓實(shí)含水率差為0~4時(shí)，摻5%生石灰改良后的高液限粘土在碾壓8遍后的壓實(shí)度能夠得到93%。其碾壓工序?yàn)椋红o壓一遍→大振兩遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度→小振一遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度→小振一遍→靜壓一遍→檢測(cè)壓實(shí)度（共碾壓8遍）。

5 結(jié) 語(yǔ)

①高液限粘土天然含水率較高，需要進(jìn)行晾曬，碾壓前填料的含水率必須嚴(yán)格控制，建議控制在最優(yōu)含水率-2%~+4%的范圍之內(nèi)。

②摻生石灰能夠顯著減低高液限粘土的含水率，這對(duì)碾壓效果有利，碾壓時(shí)應(yīng)拌合均勻，含水率應(yīng)控制在最優(yōu)含水率-2%~+4%的范圍之內(nèi)。

③高液限粘土無(wú)論改良前后均需較強(qiáng)的壓實(shí)功能，不應(yīng)采用輕型壓路機(jī)碾壓，宜采用18t以上的重型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。

④滿足高液限粘土直接填筑指標(biāo)要求的高液限粘土，在控制好填筑含水率及較強(qiáng)的壓實(shí)功條件下，壓實(shí)度往往達(dá)不到93%，可以減低壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)到88%。

⑤高液限粘土在摻5%改良后，在控制好填筑含水率及較強(qiáng)的壓實(shí)功條件下，壓實(shí)度往往能夠達(dá)到93%，因此，摻5%生石灰改良方案是可行的。

⑥對(duì)高液限粘土直接碾壓時(shí)，宜進(jìn)行3遍靜壓、1遍弱振、2遍強(qiáng)振，碾壓6遍以上；對(duì)摻生石灰改良的高液限粘土進(jìn)行碾壓時(shí)，宜進(jìn)行4遍靜壓、2遍弱振、2遍強(qiáng)振，碾壓8遍以上。靜壓、弱振、強(qiáng)振之間的順序可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

[1] JTG F10-2006,公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 曾靜,鄧志斌.竹城公路高液限粘土與紅粘土路用性能的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2006(1).

[3] 胡昕,洪寶寧.高液限粘土和煤系土抗剪強(qiáng)度的水敏感性比較研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào),2010(1).

[4] 朱冬梅,鄧百洪.廣東云浮高液限粘土路堤填料改良方案試驗(yàn)研究[J].公路交通技術(shù),2010(2).

[5] 李書(shū)華.高液限粘土填筑及壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D].南京：河海大學(xué),2007.

[6] 李方華.高液限粘土填料改良的最佳摻砂礫石比試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010(3).

[7] 程濤,洪寶寧.云羅高速公路沿線高液限粘土承載比影響因素分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2013(5).

[8] 楊廣慶,高民歡,張新宇.高速公路路基填料承載比影響因素研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006(1).

[9] JTJ051-93,公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社,1993.

[10] 錢(qián)家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京：水利電力出版社,1996.