廣東地區(qū)路基填筑中高液限土的處治技術(shù)及試驗(yàn)研究

吳正新，鐘 明

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

近年來隨著廣東省高等級(jí)公路建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)重心已逐步由沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)轉(zhuǎn)移至靠近內(nèi)陸的山嶺重丘區(qū)，這些地區(qū)賦存著大量的高液限土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣東省已建或在建的高速公路中，近40%的高速公路在路基工程中面臨高液限士的處理問題，涉及金額超過500 億元。高液限土具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等獨(dú)特的工程特性，如果不對(duì)高液限土進(jìn)行合理的處治，就會(huì)導(dǎo)致路基在運(yùn)營期產(chǎn)生一系列的病害。我國地大物博，不同的地區(qū)高液限土的工程特性也呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，因此因地制宜的選取合理的處治方案是項(xiàng)目建設(shè)中的關(guān)鍵性技術(shù)問題，引起了項(xiàng)目建設(shè)者、科研院所等的廣泛關(guān)注。

1 高液限土常見的工程病害

由于高液限土的固有的工程性質(zhì)，因此如果不進(jìn)行相應(yīng)的處治直接用作路基填料，就可能會(huì)引起多種病害。

（1）不均勻沉降。高液限土在天然狀態(tài)下一般是塊狀，在施工過程中難以粉碎，壓實(shí)困難。在路基施工完成后，由于濕脹干縮效應(yīng)的存在，路基土在自重和交通荷載的共同作用下容易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)高低不平形成裂縫，道路路用性能降低，特別是在橋頭等高填路段最為嚴(yán)重。

（2）路基開裂。路基施工完成后，水分從路基與大氣接觸的邊坡或者路基等部位蒸發(fā)，同時(shí)由于降雨形成地表徑流，地表水會(huì)滲入土體中，在二者的反復(fù)作用下會(huì)造成高液限土路堤大面積開裂，進(jìn)而反射至路面結(jié)構(gòu)中。

（3）滑坡。路堤滑坡的外因是由于土體三面臨空，在降雨、蒸發(fā)、地表水和地下水的滲流以及風(fēng)化等自然作用下發(fā)生變形，內(nèi)因則與高液限土自身的工程性質(zhì)、施工質(zhì)量以及下臥層條件有關(guān)。特別是對(duì)于地下水位較高的魚塘、水田段，由于勘察不到位，設(shè)計(jì)、施工方案不合理以及排水措施不到位等原因會(huì)導(dǎo)致地下水或地表水進(jìn)入路堤導(dǎo)致邊坡變形，形成滑坡。

（4）水穩(wěn)定性問題。高液限土路基填料含水率比較低時(shí)，由于比較堅(jiān)硬壓實(shí)效果較差，在運(yùn)營期受地下水和地面水影響，承載力會(huì)大幅下降。在含水率較高時(shí)一般呈塊狀，難以將含水率降低至最佳含水率，從而不易保證達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度要求。

綜上所述，大部分高液限土不能直接作為高等級(jí)公路路基填料。然而廣東省高液限土分布廣泛，全部廢棄必然導(dǎo)致增大投資，延誤工期。因此有必要針對(duì)高液限土研究科學(xué)的利用和改良方法。

2 高液限土主要的處治措施

2.1 隔水防護(hù)法

本方法從改善高液限土的水穩(wěn)定性出發(fā)進(jìn)行防護(hù)，從而改善高液限土的工程使用性質(zhì)。運(yùn)用到工程中時(shí)，其主要的隔水措施是設(shè)置粒料吸收層及采用包邊、包芯等方式。首先通過晾曬等措施保證高液限土含水率接近其最佳含水率，然后將其壓實(shí)后作為芯體，用相對(duì)較好的土體或改良土體在路堤兩側(cè)填筑壓實(shí)，最后在頂部做好防止水下滲的封閉層，使整個(gè)路基結(jié)構(gòu)成為一個(gè)封閉的不浸水的整體。在具體工程應(yīng)用中通常也會(huì)輔以土工格柵等合成材料。經(jīng)工程項(xiàng)目實(shí)踐檢驗(yàn)，采用該法的路堤承載力和穩(wěn)定性均能達(dá)到路基設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定。

2.2 改善顆粒級(jí)配

改善顆粒級(jí)配是一種物理改良方法，主要是針對(duì)高液限土的細(xì)粒含量過高，缺少粗顆粒的骨架作用的特點(diǎn)，在高液限土中摻入砂、砂性土、粗粒土等粗粒料，進(jìn)而改善其強(qiáng)度及水穩(wěn)定性的方法。粗粒料摻入以后，改善土體原有的顆粒級(jí)配，削弱細(xì)顆粒對(duì)土的性質(zhì)的影響，使粗顆粒在土中產(chǎn)生骨架作用。高液限土的粗顆粒零星分散，骨架作用不明顯，其工程性質(zhì)與土粒本身的晶格特征有關(guān)。使用改善顆粒級(jí)配方法的優(yōu)點(diǎn)在于：如果當(dāng)?shù)厣盎蛏靶酝镣猎簇S富，用該方法比較經(jīng)濟(jì)，施工工藝便于掌握，不影響工期。但是也有其固有的缺陷：摻率較大，給材料調(diào)配、運(yùn)輸帶來了一定困難，如果在集料不充足的地方使用該方法則會(huì)增大成本，且砂、土之間難以拌和均勻。

2.3 直接改善施工工藝

直接改善施工工藝的方法是通過改進(jìn)填筑工藝（如增大碾壓機(jī)械的噸位、控制填土的含水率、改變松鋪厚度等方法），進(jìn)而使填筑的土體強(qiáng)度、變形、水穩(wěn)定性滿足工程需要。由于土體是固體顆粒、水、空氣組成的三相系，土顆粒在土體中起著骨架的作用，隨著碾壓機(jī)械噸位的增加，碾壓機(jī)械對(duì)土體做的壓實(shí)功增加，使土體內(nèi)的水和空氣排出，顆粒的間距不斷減小，小顆粒會(huì)填充大顆粒的孔隙，從而提高了土體的密實(shí)度。提高碾壓機(jī)械的噸位，但并不是說機(jī)械的噸位越大越好，還要考慮含水率、合理的松鋪厚度等因素，控制好填料的含水率和松鋪厚度才能獲得最佳的壓實(shí)效果。

2.4 摻入無機(jī)結(jié)合料

路基施工中一般采用石灰和水泥等無機(jī)結(jié)合料對(duì)高液限土改良。由于石灰、水泥和土體之間的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致高液限土的工程性質(zhì)改善，從而滿足路基填料的相關(guān)要求。本方法操作簡(jiǎn)單，成本不高，能就地取材，是比較常見的處置方法，但也存在一定的缺陷：水泥、石灰均為細(xì)分散材料，在現(xiàn)場(chǎng)拌合不易均勻；冬雨季降雨條件下施工困難；需要較長的養(yǎng)護(hù)時(shí)間；摻水泥處理需要拌合、攤鋪和碾壓等工序有序進(jìn)行，而摻石灰處理的水穩(wěn)定性比較差。

3 高液限土摻砂改良設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

本文依托項(xiàng)目湛江地區(qū)某公路沿線分布大量的高液限土，為有效利用高液限土填筑路堤，以節(jié)約建設(shè)成本和保護(hù)環(huán)境，需進(jìn)行試驗(yàn)路段施工，就改良方案、施工工藝等進(jìn)行研究，以獲得不同的改良方案的特點(diǎn)和相應(yīng)的工藝以及最佳的質(zhì)量控制措施等。本項(xiàng)目取土場(chǎng)中的高液限土液限為57.6%、塑限為27.2%、塑性指數(shù)為29.5、含水率為25.7%、小于0.074mm 的細(xì)粒含量為84.8%，為高液限粉土，素土最大干密度為1.75g/cm3，在壓實(shí)度90%的條件下，CBR 值為3.0%。因土粒強(qiáng)度稍低，不滿足路基用土的技術(shù)條件，須進(jìn)行改良處理。因該高液限土含水率和細(xì)顆粒含量較高，尤其細(xì)粒含量達(dá)到84.8%，比較適合摻砂改良。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了高液限土的物理力學(xué)指標(biāo)的室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括顆粒分析、液限和塑性指數(shù)、天然含水率、比重、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR 試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)等。結(jié)合本項(xiàng)目高液限土細(xì)顆粒含量高和含水率高、強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，選用摻級(jí)配良好的中粗砂的辦法來改良高液限土。通過在16%、18%、20%、22%、24%、30%幾種不同摻砂率的情況下，對(duì)摻砂率對(duì)壓實(shí)度、CBR 值、最大干密度、最佳含水率、液塑限、壓實(shí)含水率的影響進(jìn)行試驗(yàn)與分析，得出高液限土最佳的摻砂率。試驗(yàn)部分結(jié)果如表1～4 所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

室內(nèi)配比試驗(yàn)結(jié)果表明，最大干密度隨著摻砂率的增加而逐漸增加，摻率從0 到20%增加較緩慢，從20%到24%有明顯的提高，超過24%之后增加幅度較小。隨著摻砂率的增加，高液限土的最佳含水率逐漸減少，其減小幅度的趨勢(shì)呈先快后慢。隨著摻砂率的增加，高液限土的液限值逐漸減少，從0 到20%減小幅度較大；從20%以后減小幅度較小。含水率下降得比較有限，由于摻砂比例不是很大，所以土體的含水率還需要通過晾曬的辦法降低到最佳含水率附近，其碾壓效果最好。若摻砂率較大時(shí)，達(dá)到30%以下時(shí)，也能較好地降低土體含水率。通過在高液限土中摻砂來改善土體的顆粒級(jí)配，降低其含水率，增大了高液限土中粗顆粒含量，上體壓實(shí)性能得到明顯提高。在相同擊實(shí)功能作用下，細(xì)顆粒充填在粗顆粒間，使得密實(shí)效果較好，從而使得土體的干密度增加；由于砂粗顆粒的增加，比表面積增加，使得土體在較低的含水率下?lián)魧?shí)后，能夠達(dá)到最大干密度，從而達(dá)到改善高液限土的目的。通過室內(nèi)進(jìn)行不同摻料的配比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻砂20%比較經(jīng)濟(jì)合理。

表1 高液限土的擊實(shí)結(jié)果

表2 界限含水率與高液限土摻砂率的關(guān)系

表3 含水率隨高液限土摻砂率的變化關(guān)系

表4 摻砂改良高液限CBR 值

4 結(jié)束語

文章依托湛江地區(qū)某公路項(xiàng)目，對(duì)高液限土路基填筑的主要病害進(jìn)行分析，提出了針對(duì)該類土的常見的處治措施。同時(shí)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)公路項(xiàng)目的摻砂改良方案進(jìn)行了論證和研究。相關(guān)成果為指導(dǎo)高液限土處治設(shè)計(jì)和施工提供了解決思路，具有一定的推廣價(jià)值。