粉土作為路基填筑材料的工程特性研究

張萬濤 呂治剛 王 昊

(1.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011; 2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 概述

粉土的工程性質(zhì)介于砂土和黏土之間，粉粒含量高，黏粒含量少，塑性指數(shù)低，具有結(jié)構(gòu)松散、黏聚力差、易液化、壓實(shí)困難等特點(diǎn)[1，2]。因此，粉土在作為路基填料使用時(shí)，在動(dòng)荷載或自重荷載作用下，容易引發(fā)路基滑坡和路面塌陷等工程事故。

CBR(加州承載比)試驗(yàn)是工程施工中較為常用的評(píng)價(jià)路基承載力大小的試驗(yàn)方法。其原理是，計(jì)算材料貫入量達(dá)到2.5 mm或5 mm時(shí)單位壓力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)碎石達(dá)到相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值[3]。CBR值表征了土體中產(chǎn)生相對(duì)位移的滑移面(即剪切面)上抗剪切力的大小，反映了土體的局部剪切強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)路基填料和路面材料強(qiáng)度及穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[4，5]。

對(duì)于無法滿足承載力規(guī)范要求的粉土路基，通常采取摻石灰或者水泥的方法對(duì)其進(jìn)行改良。王?？〉萚6]對(duì)蚌明高速路基土進(jìn)行改良，試驗(yàn)結(jié)果指出摻入2%的水泥或石灰后，7 d齡期的試樣CBR值已經(jīng)能夠滿足規(guī)范中規(guī)定的高速公路路堤填料的最小CBR值要求。張瑜等[7]結(jié)合泰州市東風(fēng)路南段快速路改造工程，通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)比較了不同摻量水泥和石灰的粉土的改良效果，結(jié)果表明水泥以及水泥+石灰改良土的CBR值相對(duì)于素土均有大幅度的提高。綜上所述，對(duì)粉土進(jìn)行摻灰處理可顯著提高其承載力。

本文基于安徽北部某在建公路工程，研究了粉土路基的承載力CBR值與黏粒含量的關(guān)系，并針對(duì)該地區(qū)粉土路基的不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行摻灰改良，對(duì)比了摻灰前后承載力的變化規(guī)律，初步探索了石灰改良粉土路基的機(jī)理。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土自安徽北部地區(qū)某在建公路工程，該地區(qū)粉土分布范圍較大,并對(duì)這些土樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)以及CBR試驗(yàn)。

改良劑選用石灰,其主要成分為CaO。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)JTJ 051—93公路土工試驗(yàn)規(guī)程[8]和JTJ 057—94公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[9]進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1)測定黏粒(<0.075 mm)含量：取部分試樣烘干碾碎，過0.075 mm的細(xì)篩，取篩下土，用密度計(jì)法測量出土中黏粒含量。

2)制樣：a.將土樣和石灰放入105 ℃烘箱內(nèi)，烘干24 h。取出，碾碎，分別過5 mm和0.5 mm圓孔篩。b.將試樣分為兩部分，一部分用于制備素土試樣，一部分用于制備改良試樣。c.制備試樣：將石灰與干土按2%的質(zhì)量比混合，攪拌均勻(素土試樣除外)。根據(jù)最優(yōu)含水率稱量一定質(zhì)量的蒸餾水，倒入土中，充分?jǐn)嚢杈鶆?。改良土直接制樣，素土悶?4 h后制樣。采用靜壓法，按最大干密度的95%制成底面直徑為15.2 cm高12 cm的圓柱體試樣。d.將試樣裝入保鮮袋內(nèi)，密封，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h。

3)進(jìn)行CBR試驗(yàn)：a.將試樣分3次倒入試筒內(nèi)，分層擊實(shí)，修平擊實(shí)試件表面。b.泡水測膨脹量。c.將泡水試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，貫入桿周圍放置4塊載荷板。貫入桿上施加45 N荷載，百分表調(diào)整為整數(shù)。再加荷使貫入桿以1 mm/min～1.25 mm/min的速度壓入試件，測記讀數(shù)。d.整理結(jié)果，繪制p—l關(guān)系曲線，計(jì)算CBR值。

3 結(jié)果與分析

3.1 微粒含量對(duì)素土CBR的影響

粉土路基的承載力CBR值與黏粒含量的關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著粉土黏粒含量的增加，路基的CBR值不斷降低。CBR值反映的是土體局部抗剪切破壞的能力，而土體的抗剪強(qiáng)度主要是由黏聚力和摩擦力組成[10,11]。對(duì)于黏粒含量較高的粉土，當(dāng)土體發(fā)生剪切位移時(shí)，抗剪強(qiáng)度主要是由土體顆粒間的摩擦力提供。而黏粒在此過程中起到潤滑土體的作用。而當(dāng)黏粒含量增加時(shí)，黏粒包裹住砂、粉粒，黏粒的潤滑作用不斷增大，導(dǎo)致土體的摩擦力不斷減小，CBR值降低。

從圖1中還可以看出，粉土中的粗黏?；蚣?xì)黏粒含量增加，均可導(dǎo)致粉土CBR值顯著降低。土樣的CBR值與粉土的粗、細(xì)黏粒比的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，粉土的細(xì)顆粒和粗顆粒的含量比值增大，土樣的CBR值呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，這與素土CBR隨黏粒含量的增長關(guān)系一致，表明相對(duì)于粗黏粒，細(xì)黏粒對(duì)CBR值變小的影響更大，也說明了黏粒物質(zhì)中起潤滑作用的主要為細(xì)黏粒[11,12]。

3.2 石灰對(duì)粉土的改良效果

素土CBR基本上滿足規(guī)范要求，但實(shí)際施工時(shí)粉土壓實(shí)效果不好且受雨水影響大，因此，對(duì)粉土進(jìn)行摻灰改良。摻灰后土樣的CBR增長率(灰土的CBR與素土CBR比值)與黏粒含量的關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出，在摻入2%的石灰之后，土體的CBR值大幅增加，說明石灰的摻入能顯著提高粉土承載力，并且土體中黏粒含量越高，CBR值越大。這是因?yàn)榧尤胧液螅馏w中發(fā)生了一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使土體性質(zhì)發(fā)生根本改變。一方面，石灰在土中發(fā)生離子交換反應(yīng)，石灰中的Ca(OH)2電離出Ca2+與土體擴(kuò)散層中的Na+和K+發(fā)生交換作用[13]，使黏土顆粒的擴(kuò)散層厚度減小，土顆粒的結(jié)合力增強(qiáng)，土的塑性下降，表現(xiàn)出絮凝團(tuán)聚現(xiàn)象。另一方面，隨著離子交換反應(yīng)的完成，石灰在土體中進(jìn)一步發(fā)生火山灰反應(yīng)，土壤中的活性二氧化硅、活性氧化鋁在石灰的堿性激發(fā)下解離，在水的參與下反應(yīng)，生成水化硅酸鈣(CSH)、水化鋁酸鈣(CAH)等火山灰反應(yīng)產(chǎn)物[14]。這些產(chǎn)物逐漸硬化并與土顆粒黏結(jié)在一起，從而改善土的物理力學(xué)性能。同時(shí)，孔隙水溶液中的Ca(OH)2可以在水分蒸發(fā)等造成的過飽和狀態(tài)下發(fā)生結(jié)晶作用，將土粒膠結(jié)成整體。此外，Ca(OH)2還可與空氣中或溶解在溶液中的CO2發(fā)生碳化作用[15]，生成CaCO3,能夠增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)性或組成土體骨架，有利于強(qiáng)度的提高。因此，粉土的不良工程性質(zhì)得到改善，CBR值大幅提高。

4 結(jié)語

本文基于粉土路基工程實(shí)例，研究了黏粒含量對(duì)粉土的承載力的影響，以及石灰改良粉土的固化效果，得到以下主要結(jié)論：

1)粉土CBR值隨黏粒含量的增加而不斷減小，且細(xì)黏粒(<0.002 mm)的含量對(duì)粉土CBR值影響更大。

2)摻入2%的石灰可顯著提高粉土的CBR值。

3)石灰改良粉土的CBR值隨黏粒含量增加而增大。