摻砂對于湖區(qū)路基黏土工程性質(zhì)的影響研究

龍?zhí)希?石婧

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

近年來，公路交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展對公路基礎設施提出了更高的要求。作為公路結構的重要組成部分，路基質(zhì)量對公路安全運營有重要的影響，選擇合適的路基填料成為路基長期質(zhì)量保證的必要前提。湖南省洞庭湖區(qū)廣泛分布有高壓縮性黏土，對于公路路基而言屬于不良填料范疇，如果簡單地把該類土作棄方處理，不僅會帶來路基填料不足，還會增加長距離運土帶來的工程費用，在當前節(jié)能環(huán)保要求不斷提高和工程建設成本控制的要求下，有必要在改善該類土工程性質(zhì)的基礎上對其進行充分利用。目前，中國國內(nèi)學者已經(jīng)開展了一些通過添加不同的替代材料(砂、石等)來改善不良填料工程性質(zhì)的研究，主要思路為探討添加量和添加材料類型對強度特征、擊實特性、水穩(wěn)性等的影響，然而受母巖性質(zhì)、氣候條件和風化程度的影響，各種改良方案具有明顯的地域差異性，而針對洞庭湖區(qū)黏土的改良研究報道較少，因此，該文以該地區(qū)兩種典型黏土為研究對象，通過分析不同摻砂量和摻砂類型對黏土液塑限、最大干密度、最優(yōu)含水率、CBR值等的影響規(guī)律，結合經(jīng)濟成本，得出不同路基層填料摻砂改良的建議方案。

1 試驗材料

試驗用Ⅰ號、Ⅱ號黏土取自洞庭湖周邊黏土分布地區(qū)的公路建設現(xiàn)場(地表硬殼層)，相應的基本物理力學性質(zhì)見表1，級配曲線如圖1所示，根據(jù)界限含水率及塑性圖，兩種黏土分別為低液限黏土(CL)和高液限黏土(CH)，天然含水率分別高出最優(yōu)含水率5.2%、6.7%，土體難壓實。為改善上述黏土的工程性質(zhì)，參照JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》對于砂土的分類，分別選取了細砂、中砂、粗砂作為摻入土，這3類砂均可以在當?shù)厥袌鲑徺I，相應的級配曲線見圖2，密度分別為2.66、2.58和2.51 g/cm3。

表1 湖區(qū)黏土的基本物理力學性質(zhì)

圖1 兩種黏土的級配曲線

圖2 3種砂土的級配曲線

2 試驗方案

研究中，將兩種黏土分別與3種砂土進行混合形成改良土，其中3種砂土摻入量分別為0%、5%、10%、15%。隨后對改良土開展界限含水率試驗、擊實試驗和承載比(CBR)試驗，具體試驗過程參照JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》。其中進行液塑性試驗時，先將改良土通過0.5 mm篩孔進行過濾。

3 試驗結果分析

3.1 液塑限指標分析

摻砂量對液塑限的影響如圖3所示。

圖3 摻砂量對黏土液塑限的影響

由圖3可以看出：Ⅰ號、Ⅱ號黏土的液、塑限變化規(guī)律相似。當摻砂5%時，兩類土的液限分別下降至38%和44%左右，而塑限均下降至25%左右，繼續(xù)增加摻砂量則對液限、塑限的影響不明顯。此外，液限、塑限基本不受摻砂種類的影響，這是由于進行液塑限試驗前改良土均通過0.5 mm篩孔，因此摻砂類型對改良土的級配影響不明顯。塑性指數(shù)的變化趨勢(表2)與液限變化趨勢基本一致。根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》可知：在摻砂5%以上的條件下，兩種黏土的液限均降至50%以內(nèi)，且塑性指數(shù)小于26，均符合路基填料液塑限指標的要求。

表2 不同摻砂量下的塑性指數(shù)

3.2 壓實指標分析

不同摻砂量對最大干密度的影響如圖4所示。由圖4可知：當Ⅰ號土摻細砂量從0%增加至15%時，最大干密度從1.72增加至1.80 g/cm3，添加中砂時，最大干密度增加至1.82 g/cm3，添加粗砂時，最大干密度增加至1.85 g/cm3；對于Ⅱ號土，干密度增加的趨勢更加明顯。總體來看，摻砂量的影響要大于摻砂種類的影響。

不同摻砂量對最優(yōu)含水率的影響如圖5所示。由圖5可以看出：隨著摻砂量的增加，最優(yōu)含水率逐漸減小，其中添加細砂時最優(yōu)含水率減幅最小。根據(jù)路基現(xiàn)場勘查，該地區(qū)黏土的天然含水率普遍大于最優(yōu)含水率5%～6%，因此在路基壓實施工前，需要將填料翻曬至最優(yōu)含水率附近以便于壓實。摻砂后改良土的天然含水率和最優(yōu)含水率均會下降，若忽略粒徑影響和砂粒填充孔隙時的排水作用，摻砂5%、10%、15%時，Ⅰ號黏土的天然含水率將下降22.5%、21.5%、20.6%，Ⅱ號黏土的天然含水率將下降23.4%、22.3%、21.4%，而根據(jù)圖5可知：天然含水率仍高于最優(yōu)含水率，但最優(yōu)含水率在摻細砂時降幅最小，與天然含水率最為接近，改良土進行壓實所需的翻曬周期更短。

圖4 摻砂量對最大干密度的影響

圖5 摻砂量對最優(yōu)含水率的影響

3.3 承載比指標分析

不同摻砂量對加州承載比(最優(yōu)含水率條件)的影響如圖6所示，圖6中水平虛線為JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》中對于不同路基層位最小承載比的要求值。由圖6可以看出：在未摻砂時，Ⅰ、Ⅱ類土的CBR僅符合上路堤填筑要求，而隨著摻砂量的增加，CBR值有了明顯的上升。其中摻細砂對于CBR值的提升作用最大，摻細砂5%時兩類改良土的CBR值分別為6.04%和7.06%，達到了下路床填料的要求，摻細砂10%時兩類改良土的CBR值分別為7.93%和8.15%，接近或達到了上路床填筑的要求。摻中砂和粗砂的改良效果相對較弱，但摻砂量達到15%時改良土的CBR值分別為8.51%和8.08%，達到了上路床填筑的要求。

圖6 摻砂量對CBR值的影響

3.4 綜合分析

通過對上述兩種典型黏土的分析，并結合經(jīng)濟成本，得出該地區(qū)黏土的摻砂改良方案如表3所示。

表3 摻砂改良建議方案

4 結論

(1) 摻砂可以有效降低兩種典型黏土的液限、塑限和塑性指數(shù)，使上述指標達到路基填料的要求范圍，但摻砂量(5%～15%)對指標降低的影響不大。

(2) 在壓實特性方面，最大干密度隨著摻砂量的增大而增加，而摻砂種類對最大干密度增加的影響為粗砂>中砂>細砂；而摻砂后改良土的天然含水率和最優(yōu)含水率均會下降，在摻砂量相同的條件下，摻細砂時天然含水率與最優(yōu)含水率的差別最小，因此摻細砂改良土在壓實前的翻曬周期相對較短。

(3)CBR值隨著摻砂量的增大而明顯增加，其中摻細砂對于CBR值的提升作用最大，摻細砂5%時兩類改良土的CBR值達到了下路床填料的要求，摻細砂10%時兩類改良土的CBR值接近或達到了上路床填筑的要求。

(4) 結合改良土工程性質(zhì)和經(jīng)濟成本，建議該地區(qū)黏土摻砂改良的首選方案為：路堤摻細砂5%、下路床摻細砂5%、上路床摻細砂10%。