水泥改良含砂高液限粉土路用特性試驗研究

蔡黃河　胡煥校

【摘 要】含砂高液限粉土獨特的物理力學特征對工程建設(shè)極其不利，直接填筑路基，可能產(chǎn)生一系列病害，換填則將增加工程投資成本，且對環(huán)境造成影響破壞。為了改善其路用性能，首先研究了其基本性質(zhì)，取湖南某地土樣，采用XRF熒光光譜、XRD粉晶衍射、薄片鑒定、篩分和液塑限測定等實驗方法，分析含砂高液限粉土的成分及結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)礦物成分以高嶺石居多，會對該類土體的水穩(wěn)定性造成極大的影響，且其細顆粒含量較大，對其工程性質(zhì)影響更突出。本文采用水泥改良的方法，并通過試驗得出水泥改良該類含砂高液限粉土的施工控制標準：摻率6%，并以最佳含水率為15.6%、最大干密度為1.761cm3作為控制指標用于96區(qū)下路床各區(qū)路基填筑。

【關(guān)鍵詞】路用特性;含砂高液限粉土;水泥改良;室內(nèi)試驗;路基填筑

中圖分類號： U416.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0001-005

0 引言

含砂高液限粉土是一種不良的路基填料，但通過恰當方式處治后，可用于高速公路路基填筑;在研究高液限土的處治時，要特別注意對其本身物理力學性質(zhì)和工程特性的研究，這是處治研究的基礎(chǔ)。我國近幾十年基礎(chǔ)工程建設(shè)日漸增多，由于對高液限土處治不當而引起的工程事故引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的注意，并從不同角度展開了對高液限土性質(zhì)和處治技術(shù)的研究工作：李林燕[1]結(jié)合廣梧高速公路沿線高液限花崗巖殘積土，通過室內(nèi)試驗、微觀實驗研究發(fā)現(xiàn)其粗顆粒含量高，因此具有如內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散、膨脹性弱、遇水易散、粘聚力低等工程特性。陳曉平[2]針對高液限花崗巖殘積土中的含粗粒的細粒土進行了物理力學性質(zhì)試驗，分析了粗粒細粒含量對其性質(zhì)的影響規(guī)律，認為這類土具有高液限土和粗粒土的綜合特征，需充分認識其粗粒含量的影響。程濤等[3]針對云洛高速公路沿線高液限土研究了顆粒級配及礦物成分，發(fā)現(xiàn)親水性礦物是影響其承載比的主要原因。劉旭[4]以湖南某高速公路為背景進行了高液限粉土及其改良土的對比試驗研究，得到了水泥改良的最佳摻量，發(fā)現(xiàn)改良土在強度、壓縮性和CBR等指標上都有極大改善。此外，吳家旺、郭國和、方慶軍等[5-7]也對水泥改良高液限土進行了具有指導意義的試驗研究。

目前，國內(nèi)外針對典型高液限土的性質(zhì)及其改良研究已經(jīng)取得了豐富的成果，但是對于非典型的含砂高液限粉土的性質(zhì)，尤其是針對其改良處治技術(shù)的研究尚不夠深入，仍有進一步探索的空間。

1 含砂高液限粉土的性質(zhì)研究

為了充分認識含砂高液限粉土的基本物理性質(zhì)，通過從現(xiàn)場取土進行室內(nèi)試驗研究分析，并探究其力學性質(zhì)，以確定該含砂高液限粉土是否能直接用于路基填筑，從而為該含砂高液限粉土的利用方案或改良處治提供依據(jù)。

1.1 微觀研究

從現(xiàn)場所取得的高液限土土樣通過XRF熒光光譜、XRD粉晶衍射以及薄片鑒定等方法進行土體的微觀研究，分析其化學成分、礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征。其鑒定測過結(jié)果如表1、表2、表3所示：

由實驗結(jié)果可得：（1）該地區(qū)高液限土是花崗巖風化殘積的產(chǎn)物，土樣化學成分以SiO2和Al2O3為主，其中SiO2的含量超過一半，此外，還含有一定量的Fe2O3，MgO，CaO，K2O等成分;（2）可以確定土樣由風化土組成，為松散塊狀構(gòu)造，主要由石英、鉀長石、斜長石、高嶺石、絹云母、伊利石等組成;（3）礦物成分以高嶺石和石英為主，又以高嶺石居多，高嶺石這一礦物成分的存在，將會對該土體的水穩(wěn)定性造成極大的影響。

1.2 物理力學性質(zhì)研究

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[8]，對土樣進行含水率、篩分、液塑限測定、擊實等試驗，探究其物理力學性能指標及工程特性。得到其基本性質(zhì)如表4所示，顆粒級配曲線如圖1所示：

分析試驗結(jié)果，可得：（1）土樣的天然含水率較高，表明該地區(qū)高液限土的工程性質(zhì)差、不易壓實，必將會對施工造成不良影響，若經(jīng)歷暴雨天氣，其含水率必將進一步升高，對于施工路段而言，高液限土的高含水率將使得路基的壓實效果難以保證;（2）土樣符合規(guī)范對高液限土的定義，其液限、塑性指數(shù)高，力學性質(zhì)差;（3）其顆粒粒徑小于0.075mm的含量在60%左右，粒徑小于0.5mm的顆粒含量超過80%，土顆粒不均勻，即其細顆粒含量較大，對其工程性質(zhì)影響更突出，因而造成土體比表面積較大，以致土顆粒表面可以產(chǎn)生較大吸附力，大量吸著水，且該吸著水不易蒸發(fā)，使之難以晾曬降低含水率，影響土體壓實的效果;（4）根據(jù)以上試驗結(jié)果，可將該土進行工程分類，定義為“含砂高液限粉土（MHS）”，并初步判斷其工程特性不利于路基填筑施工[9]。

擊實試驗即模擬現(xiàn)場施工，通過錘擊，測試在某一擊實功下含水率與其干密度的關(guān)系，即其壓實特性變化規(guī)律，從而得出該土體的最佳含水率和最大干密度，為施工提供依據(jù)。試驗所獲得的擊實曲線如圖2所示：

通過觀察擊實曲線，可以發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)中干密度并未出現(xiàn)某一峰值，而是隨著含水率的降低而不斷增大。如果再繼續(xù)降低試驗中土樣的含水率來研究其素土的最大干密度，對實際施工的指導意義并不大。經(jīng)過分析，其最佳含水率應(yīng)處于較低水平，且與其天然含水率相差較大（相差10%以上），若施工過程中降雨多，其土體自身細顆粒含量又多，則使得難以通過晾曬來降低含水率，因此實際上是幾乎不可能在其最佳含水率狀態(tài)附近進行施工的，土體壓實度也難以達到規(guī)范的要求，初步判斷，對于此類含砂高液限粉土，如果用作路基填筑，應(yīng)進行處治來提高其最佳含水率。

進行CBR試驗是為了對路基填料進行強度的評估，檢驗路基填料受局部荷載壓入時抵抗變形的能力，確定路基填筑后其強度和穩(wěn)定性是否符合相關(guān)規(guī)范要求。

通過對CBR試驗數(shù)據(jù)整理后進行研究分析，可以得出以下結(jié)論：（1）土樣在同一含水率的條件下，隨著擊實功的降低（每層擊數(shù)的減少），其濕密度和干密度也降低，壓實度降低，其CBR取值減小;（2）同一擊實功的條件下，在含水率30.3%～10.8%這一區(qū)間中，隨著含水率的降低，其最大干密度有增大趨勢，其最大干密度下的CBR也成增大趨勢;（3）假設(shè)以試驗土樣各自含水率下98擊擊實功的干密度作為最大干密度標準，已知該類土樣的天然含水率較高，在此狀態(tài)下，其CBR值遠遠達不到規(guī)范要求（即使其密實度為100%，其CBR值也無法滿足規(guī)范的要求）。（4）結(jié)合其成分特點及物理力學性質(zhì)，降低其含水率則可以顯著提高其CBR值，然而在實際施工上存在一定的困難，分析宜采用摻料改良[10]。

2 水泥改良試驗研究

對含砂高液限粉土的改良，關(guān)鍵就在于改善其最佳含水率，改善其自身含水率，改善其顆粒組成，改善其土質(zhì)特性。目前，國內(nèi)外對高液限土作為路基填料填筑的處治方法有：摻無機結(jié)合料、摻新型化學改良劑、改善顆粒級配、隔水防護法、直接改善施工工藝等。其中摻料改良處治方法是一種施工工藝相對簡單的處治方案，而水泥廣泛應(yīng)用于改良高液限土。摻了水泥之后，水泥將與土體發(fā)生一系列的化學反應(yīng)，從而顯著地改變土體的性質(zhì)，使其更適于工程之需。此外，摻水泥還可降低土體的天然含水率：水泥進行水化作用的過程中消耗吸收一部分水，水化過程放熱蒸發(fā)一部分水，分解反應(yīng)之生成物可極大提高土體強度及水穩(wěn)定性[11]。

對該含砂高液限粉土摻不同含量（4%、5%、6%）的425#水泥進行改良研究，即通過擊實試驗來確定改良土的最佳含水率，并研究不同水泥摻率對其改良后物理力學性質(zhì)的影響，以及施工控制標準，并用無側(cè)限抗壓強度試驗分析在最佳含水率的條件下制作壓實度為94%和96%的試件，研究不同水泥摻率下水泥改良含砂高液限粉土抗壓強度等工程特性，檢驗其改良后的強度是否滿足規(guī)范標準[12]。

2.1 摻率對擊實性能的影響

通過試驗，得到其擊實特性受水泥摻率影響的情況如圖3所示：

通過對摻4%、5%、6%水泥的高液限改良土進行擊實和無側(cè)限抗壓強度試驗，得出摻4%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分別為12.8%、1.746cm3;摻5%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分別為13.8%、1.770cm3;摻6%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分別為15.6%、1.761cm3?？梢缘贸?，隨水泥摻率的增大，其最佳含水率也得到一定程度的升高，表明水泥摻率對含砂高液限粉土的改良效果之影響是比較顯著的。在擊實性能上，水泥在土質(zhì)凝結(jié)固化，極大地改善了土體顆粒級配，土體凝結(jié)為整體，因而可以提高土體壓實性能，具有一定的強度和穩(wěn)定性。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]，并以擊實試驗所得出的結(jié)果為土樣壓實度的制備依據(jù)，對改良后的土進行無側(cè)限抗壓強度試驗，每種條件下分別進行9組試驗，取其平均值，對試驗記錄的數(shù)據(jù)進行整理分析，根據(jù)規(guī)程要求，檢驗其是否符合設(shè)計要求，可得到結(jié)果如表6和圖4所示：

根據(jù)無側(cè)限抗壓強度的試驗結(jié)果，可知隨水泥摻率的增大，改良土的無側(cè)限抗壓強度有所提升，如圖4中所示，在同一壓實度下，每提高一個等級的摻率，試驗后最大平均壓力逐步提高，表明水泥摻率對含砂高液限粉土的改良效果之影響是較為顯著的。其中，對于摻4%水泥壓實度為94%、摻4%水泥壓實度為96%、摻5%水泥壓實度為94%、摻5%水泥壓實度為96%的改良土樣，根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]，浸水養(yǎng)護過程中質(zhì)量損失超過規(guī)范要求，評定該土樣無側(cè)限抗壓強度不合格，不可用作路基填筑;摻6%水泥壓實度為94%、摻6%水泥壓實度為96%的改良土樣，根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）[12]，可分別用于94區(qū)路基、96區(qū)下路床各區(qū)路基填筑（以最佳含水率15.6%、最大干密度1.761cm3為相應(yīng)的工程施工控制指標）。

3 結(jié)論

水泥改良含砂高液限粉土，其并不能顯著降低其自身含水率，但可以顯著提高其最佳含水率。在擊實性能上，水泥在土中凝結(jié)固化，極大地改善了土體顆粒級配，土體凝結(jié)為整體，因而可以提高土體壓實性能，具有一定的強度和穩(wěn)定性;在無側(cè)限抗壓強度性能上，控制適當?shù)乃鄵铰?，可以滿足相應(yīng)規(guī)范對路基填筑的要求[11]。

對于水泥改良的該類含砂高液限粉土，可確定摻率6%，并以最佳含水率為15.6%、最大干密度為1.761cm3作為控制指標用于96區(qū)下路床各區(qū)路基填筑?？傊?，通過試驗驗證，該地區(qū)含砂高液限粉土通過水泥改良后，其工程性質(zhì)、路用性能得到極大改善，根據(jù)規(guī)程[12]，在所確定的控制指標下，可以滿足路基填筑的需要。

【參考文獻】

[1]李林燕.高液限土強度特性及路塹邊坡穩(wěn)定性研究[D].暨南大學，2009.

[2]陳曉平，周秋娟，蔡曉英.高液限花崗巖殘積土的物理特性和剪切特性[J].巖土工程學報，2011，06：901-908.

[3]程濤，洪寶寧，程江濤.云羅高速公路沿線高液限土承載比影響因素分析[J].河海大學學報（自然科學版），2013，v.41;No.20205：434-438.

[4]劉旭.高液限粉土的路用特性及其路堤處治技術(shù)研究[D].中南大學，2012.

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[8]《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）

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[10]蘭青，曹亮宏，洪寶寧.高液限土路堤填筑施工技術(shù)[M].人民交通出版社，2014.

[11]田見效.高液限粘土路基填筑技術(shù)研究[D].長安大學，2007.

[12]《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）.