近海洪沖積低液限粉土路基物理-改良試驗研究

雷雨龍 孟勇軍 王建軍

摘要：為解決近海洪沖積低液限粉土路基承載能力不足、穩(wěn)定性差的問題，文章基于沿海高速公路工程實例，采用物理改良方法對現(xiàn)場兩種不同土進(jìn)行互相摻配，并對該摻配土樣進(jìn)行了液塑限及重型擊實、加州承載比（CBR）實驗研究。試驗結(jié)果表明：通過對現(xiàn)場兩種不同土按比例互相摻配，其密度、強(qiáng)度、抗變形能力得到提高;低液限粉土的CBR主要受孔隙比及飽和度的影響，浸水對CBR值影響不大;在不排水條件下，隨著上覆壓力的增大，低液限粉土的承載能力降低。因此，可通過摻配，改善低液限粉土的級配和塑性指數(shù)，有效提高低液限粉土的強(qiáng)度、抗變形能力和水穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：低液限粉土;路基;物理改良;顆粒分析;CBR試驗

中圖分類號：U416. 03文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9.12.001

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0001 - 04

0引 言

近海洪沖積低液限粉土顆粒組成、界限含水率及結(jié)構(gòu)性變化很大，從而造成填料分類評價、壓實控制及路基現(xiàn)場質(zhì)量檢測和驗收評價有一定困難。對混合土進(jìn)行分類評價雖然能夠解決大部分技術(shù)問題，但現(xiàn)場實際應(yīng)用中密度相差很大，很難保證路基整體均勻壓實合格。同時，成型后的路基車轍深度較深，與直觀評價及工程經(jīng)驗對比差異很大[1]。密度變異性是近海洪沖積土的固有屬性，如果為粗粒土，即使密度變異很大，只要按已有的方法進(jìn)行壓實度修正及評定，理論上可以解決壓實問題，但現(xiàn)場車轍問題依然突出[2][3]。為了降低顆粒組成及界限含水率的變異性，從而降低密度變異性及路用性能變異性[4][5]，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用，解決密度變異性和車轍問題，使各項檢測指標(biāo)滿足路基設(shè)計與施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并與直觀經(jīng)驗相符，需要對低液限粉土進(jìn)行改良。

因此，本文通過研究現(xiàn)場兩種級配不良的土，將粒徑組成偏粗的白土與粒徑組成偏細(xì)的紅土按計算比例互相摻配，用偏粗的白土形成骨架，偏細(xì)的紅土填充骨架空隙，使得摻配土級配良好，容易壓實，以此解決上述工程問題。

1 理論及級配設(shè)計

近海洪沖積土礫粒、砂粒、粉粒及黏粒含量相當(dāng)，任何一種粒徑都難以形成穩(wěn)定的顆粒骨架，因而土的黏聚力低，顆粒骨架不穩(wěn)定。

粗粒土的顆粒級配采用不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)表示，即：

式中：Cu——不均勻系數(shù);

Cz——曲率系數(shù);

d10、d30、d60 ——粒徑分布曲線上小于該粒徑的土

粒質(zhì)量分別占總土質(zhì)量的10%、

30%和60%所對應(yīng)的特征粒徑。

礫類土和砂類土中，C u≥5，Cz=1～3時，級配良好。

近海洪沖積粗粒土，d60和比。往往為砂?；虻[粒，d10為黏粒，這樣的土不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)很大，級配不良。近海洪沖積細(xì)粒土以粉性土為主要類型，如果將粗粒土的顆粒級配表征方法推廣至粉性土，則粉性土顆粒級配曲線特征粒徑d10、d30和在d60十分接近，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)均較小，同樣級配不良。

近海洪沖積粗粒土不均勻系數(shù)Cu≥36時，填料壓實后會發(fā)生明顯離析，細(xì)顆粒全部落入粗顆粒空隙中，并可通過顆?？障哆w移[6][7]。由此可知，近海洪沖積土屬于難壓實、難穩(wěn)定的混合土，需要進(jìn)行級配設(shè)計。

近海洪沖積土的顆粒級配設(shè)計目標(biāo)是通過摻配改變其粒徑組成，控制Cu=5～36，Cz=1～3，使填料容易壓實，壓實后骨架穩(wěn)定，不產(chǎn)生離祈。當(dāng)Cu和Cz不能同時滿足時，以控制Cu為主。

待改良的土預(yù)先進(jìn)行顆粒分析試驗，先通過0. 075 mm篩孔，得到粗粒土和細(xì)粒土比例。粗粒土采用篩分法進(jìn)行顆粒組成分析，細(xì)粒土采用比重計法或移液管法進(jìn)行顆粒組成分析，分別按以下公式擬合級配曲線：

式中：Pi——通過粒徑為d。的質(zhì)量百分率;

D——土的最大粒徑;

A、n——回歸系數(shù)。

摻配細(xì)粒土主要適用于粉粒含量較高，通過摻配能夠調(diào)整粉粒土的Cu和Cz的情況，摻配細(xì)粒土降低d60，從而降低Cu。摻配細(xì)粒土的主要目的有兩個：（1）改善粉粒土的顆粒級配，提高粉粒土的穩(wěn)定性;（2）提高混合土的粘聚力，從而提高土的強(qiáng)度。因此，摻配細(xì)粒土設(shè)計時，黏粒部分不參與級配設(shè)計。

選擇摻配用的細(xì)粒土，黏粒成分含量應(yīng)較高，d60應(yīng)小于待改善的土。分別對待改良的低液限粉土和擬用于摻配的細(xì)粒土進(jìn)行顆粒組成分析，得到各種土的粉粒和黏粒含量，并對粉粒土的顆粒級配按式（3）進(jìn)行擬合。

根據(jù)擬合曲線，按下式確定各組分的摻配量：

式中，fi為第j種摻配料的粉粒含量。其余符號意義同前。同理，設(shè)計Cu已知時，只能用于2組分摻配料設(shè)計。如果d60已擬定，則可用于3組分摻配料的設(shè)計。

摻配細(xì)粒土?xí)淖兺恋乃苄灾笖?shù)[8]，混合土的塑性指數(shù)按下式計算：

2 試驗及分析

2.1 現(xiàn)場調(diào)查及土樣定名

在廣西貴港至合浦高速公路No.7合同段K136+450～K136+ 900現(xiàn)場調(diào)查取土。取土剖面應(yīng)結(jié)合考慮挖方邊坡開挖情況，除礫石土及砂土外，主要還有兩種特殊細(xì)粒土，為白色土和紅色土（見圖1）。取兩種土分別進(jìn)行液塑限及顆粒組成分析，結(jié)果見表1。

2.2 摻配土級配及塑性指數(shù)設(shè)計

通過前一章節(jié)理論計算得出按質(zhì)量比例白土：紅土-85：15進(jìn)行摻配，通過0.005 mm篩孔的黏粒含量約為10. 7%。通過按比例摻配，土的不均勻系數(shù)約為10，級配良好，容易壓實穩(wěn)定。

按質(zhì)量比例白土：紅土= 85：15進(jìn)行塑性指數(shù)設(shè)計。測定液限為41%，塑限為22%，塑性指數(shù)為19，在A線以上，為低液限黏土。

通過級配設(shè)計及塑性指數(shù)設(shè)計，改善低液限粉（黏）土的顆粒級配，使不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)達(dá)到良好級配的要求。將不合格的白土與紅土摻配，可實現(xiàn)級配設(shè)計及塑性指數(shù)設(shè)計目標(biāo)，不均勻系數(shù)可調(diào)整為10左右，級配明顯改善。

2.3 各土樣液塑限試驗及重型擊實試驗

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》進(jìn)行液塑限試驗和擊實試驗，結(jié)果見表2。

2.4 CBR試驗

2.4.1天然土樣CBR試驗

采用3×30次、3×50次和3×98次進(jìn)行擊實，成型白土、紅土試件，按規(guī)定時間浸泡并進(jìn)行CBR試驗，測定不同來源的白土及紅土不同壓實度下的CBR值，獲得不同壓實標(biāo)準(zhǔn)時各土樣強(qiáng)度試驗結(jié)果（如表3所示）。

2.4.2上覆荷載CBR試驗

在摻配土中自土占的比例較大且作為承力骨架存在，所以以下CBR試驗主要針對白土展開。根據(jù)路基應(yīng)力情況，設(shè)計不同上覆荷載的CBR試驗，模擬白色低液限粉土在路基工作狀態(tài)下的強(qiáng)度特性。CBR試驗使用的上覆壓力為3 kPa，模擬試驗將上覆壓力確定為50 kPa時，相當(dāng)于下路堤頂面受到的上覆壓力。

取白土土樣，在重型擊實成型后，分別采用上覆荷載3 kPa和50 kPa進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表4。

2.4.3有排水條件CBR試驗

采用側(cè)向滲透浸水及排水條件進(jìn)行CBR試驗，加速飽和過程，并模擬路基現(xiàn)場排水條件。試驗采用白土液限為44%，塑限為24%，塑性指數(shù)為20，按液性指數(shù)為-0. 25確定含水率，即19%，最大干密度為1. 73 g/cm3，按最大干密度和壓實度為95%，采用靜壓成型制備試件。泡水前試件濕密度為1. 94 g/cm3，孔隙比為0. 66，飽和度為78%。

限制膨脹側(cè)向滲透泡水12 h，含水率為29.6%，孔隙比增大為0.80，飽和度為99.9%，CBR試驗上覆壓力為50 kPa，貫入量2.5 mm時為1.6%，貫入量5 mm時為2.O%。

在不排水條件下，隨著上覆壓力的增大，低液限粉土的承載能力降低，表現(xiàn)出明顯的非線性。先期固結(jié)壓力為50 kPa，泡水后CBR有一定降低。泡水后在50 kPa荷載和排水條件下進(jìn)衍試驗，CBR與不施加荷載相比變化不大。

2.4.4 孔隙比與飽和度對CBR的影響

通過以上試驗，發(fā)現(xiàn)孔隙比和飽和度是影響CBR的主要因素，不同孔隙比和飽和度時CBR試驗結(jié)果見下頁表5。

孔隙比或初始飽和度過低時，低液限粉土在壓實過程或浸水過程中容易飽和。壓實過程中飽和度增加與浸水飽和度增加對CBR的影響規(guī)律基本相同，孔隙比為0. 5～0.6。初始飽和度為90%～93%時，浸水對飽和度的影響不大，從而對CBR的影響不大。

2.4.5摻配土CBR試驗

室內(nèi)摻配土為白土：紅土= 85：15，其CBR試驗結(jié)果見表6。

由以上CBR試驗結(jié)果可知，承載能力不足的白土與紅土按計算比例摻配后，承載能力大幅提升。

3 結(jié)語

（1）白土與紅土按質(zhì)量比例85：15摻配，不均勻系數(shù)可調(diào)整為10左右，級配明顯改善，密度提高，強(qiáng)度、抗變形能力和水穩(wěn)定性也得到提高。

（2）在不排水條件下，隨著上覆壓力的增大，低液限粉土的承載能力降低。泡水后在荷載和排水條件下，CBR值與不施加荷載相比變化不大。

（3）低液限粉土的CBR值主要受孔隙比及飽和度的影響，孔隙比<0.6、飽和度<93%時，CBR隨著孔隙比與飽和度的降低而增加，增幅可達(dá)15%～30%。

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作者簡介：雷雨龍（1989-），碩士研究生，研究方向：公路與城市道路工程;

孟勇軍（1981-），高級工程師，博士后，從事瀝青路面研究工作;

王建軍（1983-），工程師，從事路橋方面研究工作。

基金項目：國家自然科學(xué)基金“北部灣濕熱環(huán)境下大粒徑瀝青混合料的疲勞損傷及開裂機(jī)理研究”（ 51968006）;廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目教改項目（2019JGBlOO）