不同無(wú)機(jī)結(jié)合料改良含砂低液限黏土工程特性試驗(yàn)研究*

徐開(kāi)華 宋常軍

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100089； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所道路中心 北京 100088)

含砂低液限黏土在我國(guó)各個(gè)地區(qū)均有分布廣泛,由于其地理環(huán)境、氣候條件。地質(zhì)成因、歷史過(guò)程等條件的差異，導(dǎo)致其物理成分和物理性質(zhì)也有這較大差異。相關(guān)研究表明：含砂低液限黏土不僅具有弱膨脹性、吸水易崩解、失水收縮等不良特性[1]，還具有砂粒、粉粒含量大、可壓實(shí)性差、水穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。在公路建設(shè)中，用含砂低液限黏土作為路基填料使用時(shí)會(huì)受到一定的限制，其處理措施及填土的來(lái)源是一個(gè)棘手的問(wèn)題,若處理不當(dāng),既造成資源浪費(fèi),又增加了施工成本。國(guó)內(nèi)不少科研學(xué)者[2-7]對(duì)不良地質(zhì)土改良進(jìn)行了一系列研究，大部分的可采用低劑量的石灰、水泥等外摻劑對(duì)含砂低液限黏土進(jìn)行化學(xué)改良是較為常見(jiàn)的方法，其主要目的是降低粉砂質(zhì)土的天然含水率，改善可壓實(shí)性、提高土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

為了改善含砂低液限黏土的物理性質(zhì)和力學(xué)性能，本文針對(duì)福建省內(nèi)含砂低液限黏土研究資料較少的情況，依托福建省莆永高速公路工程實(shí)例,結(jié)合工程沿線含砂低液限黏土分布集中的特點(diǎn)，取擾動(dòng)土樣，采用石灰和水泥對(duì)低液限黏土進(jìn)行化學(xué)改良，通過(guò)液塑限試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、加州承載比(CBR)試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)等探討不同摻入比下石灰改良土和水泥改良土的工程特性，以期為工程設(shè)計(jì)及施工中利用含砂低液限黏土作為路基填料提供合理依據(jù)。

1 原材料基本物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 原材料顆分及級(jí)配

本試驗(yàn)根據(jù)福建莆永高速公路沿線土樣情況選取代表性土樣1份，所取試樣總體較均勻，根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[8]，對(duì)試驗(yàn)土樣采用篩分法及水洗法對(duì)大于0.075 mm的土顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)小于0.075 mm的土顆粒則采用激光粒度分析儀(SHIMADZU SALD-2101)進(jìn)行試驗(yàn)，土樣試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1，可以繪制出級(jí)配曲線圖見(jiàn)圖1。

表1 路基土的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

圖1 土樣粒徑級(jí)配曲線

從表1和圖1可見(jiàn)，所取試驗(yàn)土樣的細(xì)砂組(0.075～0.25 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.11%，粉粒組(0.005～0.075 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.85%，黏粒組(0.001～0.005 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.45%。由于沙粒含量高，所以所取土樣易出現(xiàn)透水、干燥時(shí)松散、難壓實(shí)的特性；豐富的粉土和較低的黏土含量使得其黏性小，毛細(xì)水上升高度較大較快。

1.2 含砂低液限黏土液塑限

根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合工程土樣檢測(cè)報(bào)告，得到了原狀土樣的液塑限試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。結(jié)合土樣篩分試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表1)和試驗(yàn)土樣在塑性圖中的位置，該土體可以定名為含砂低液限黏土。

表2 原狀土樣的基本物理指標(biāo)

1.3 原狀土擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)所取土樣(素土)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到相應(yīng)的擊實(shí)曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)土樣的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)曲線

由圖2可見(jiàn)，該試驗(yàn)土樣的擊實(shí)曲線為雙峰值。由于試驗(yàn)土樣細(xì)砂組的含量較高，使得其擊實(shí)曲線出現(xiàn)了雙峰值，該類土的擊實(shí)曲線形狀更接近于砂的擊實(shí)曲線形狀，所以會(huì)出現(xiàn)雙峰值。

2 試驗(yàn)土改良方案

根據(jù)工程實(shí)際條件，分別選取路線范圍內(nèi)特殊土樣進(jìn)行試驗(yàn)，針對(duì)所選取的試驗(yàn)土樣，制件不同含水率和水泥劑量的試件，試驗(yàn)方案如下。

1) 消石灰按4%，6%，9%，12%質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，水泥按3%，5%，7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)(下文所提摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。水泥采用普通42.5硅酸鹽水泥。

2) 試驗(yàn)項(xiàng)目包括6 d齡期泡水、不泡水的承載比(CBR)試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)和7，28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參考JTG E40-2007 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》和JTG E51-2009 《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[9]。具體試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 改良土試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)

3 不同摻量下改良土的試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同摻量下改良土的擊實(shí)試驗(yàn)

首先，對(duì)所取土樣(素土)進(jìn)行了室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)。其次，為了研究改良含砂低液限黏土的擊實(shí)特性，分別對(duì)石灰摻量為4%，12%的改良土和水泥摻量為7%的改良土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)。以含水率作為橫坐標(biāo)，干密度為縱坐標(biāo)，通過(guò)曲線擬合，繪制了含水率與干密度曲線，改良土的擊實(shí)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 改良土的擊實(shí)曲線

含砂低液限黏土經(jīng)石灰或水泥改良后，其擊實(shí)曲線變成了單峰值曲線，曲線形狀更接近于一般黏土、粉土的曲線形狀。由圖3可得出改良土的最大干密度與最佳含水率，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同摻量改良土的最大干密度與最佳含水率

由表4可見(jiàn)，經(jīng)石灰或水泥改良后，含砂低液限黏土的最大干密度略有降低，最佳含水率稍有增加。當(dāng)采用摻量12%的石灰改良土后，改良土最佳含水率略有增加，但最大干密度將明顯下降。

通過(guò)對(duì)石灰和水泥改良后的含砂低液限黏土進(jìn)行室內(nèi)CBR試驗(yàn)，土樣分3層擊實(shí)，每層擊數(shù)為98次，擊實(shí)時(shí)的含水率控制在最佳含水率±2%。含砂低液限黏土的室內(nèi)CBR隨水泥、石灰摻量的變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 改良土CBR曲線

由圖4可見(jiàn)，摻水泥、石灰改良含砂低液限黏土能明顯提高其CBR值，且水泥改良土的CBR值遠(yuǎn)高于石灰改良土的CBR值，摻入石灰或水泥均可滿足作為路基填料的強(qiáng)度要求。摻入不同劑量的水泥后，改良土的CBR值變化范圍為180%～290%，摻入不同劑量的石灰后，改良土的CBR值變化范圍為110%～130%。因此，可以得出，摻水泥、石灰改良含砂低液限黏土能明顯提高其水穩(wěn)定性。未經(jīng)改良的含砂低液限黏土泡水后的CBR值急劇下降，不能用作路基填料。采用水泥、石灰改良后，穩(wěn)定土泡水后的CBR值略高于不泡水時(shí)的值。這是由于本次改良試驗(yàn)時(shí)將制件含水率控制在最佳含水率附近，使得試件相對(duì)偏干，泡水過(guò)程中補(bǔ)充的水分促進(jìn)了水泥土、石灰土的強(qiáng)度完成程度。因此，泡水后的CBR值略高于不泡水時(shí)的值。

3.2 不同摻量下改良土的回彈模量試驗(yàn)

根據(jù)石灰和水泥改良含砂低液限黏土的配合比進(jìn)行室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)，含砂低液限黏土的室內(nèi)回彈模量隨水泥、石灰摻量的變化曲線見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 水泥改良土的回彈模量-壓力關(guān)系曲線

圖6 石灰改良土的回彈模量-壓力關(guān)系曲線

由圖5可見(jiàn)，素土在最佳含水率附近按照重型標(biāo)準(zhǔn)3×98擊擊實(shí)后的土樣，未泡水時(shí)其回彈模量范圍為46～56 MPa，但經(jīng)過(guò)泡水后其回彈模量范圍為6.5～13.2 MPa，因此，在潮濕多雨地區(qū)，含砂低液限黏土不宜直接用作路基填料。水泥摻量對(duì)含砂低液限黏土的回彈模量有較顯著的影響。水泥改良土的回彈模量隨水泥摻量的增加而增大。當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，泡水后改良土的回彈模量最小值為46 MPa。因此，當(dāng)水泥摻量大于3%時(shí)，水泥改良土可用作路床及路堤填料。摻入石灰可以顯著提高含砂低液限黏土的回彈模量，但石灰劑量對(duì)其回彈模量的影響不明顯。

由圖6可見(jiàn)，石灰改良含砂低液限黏土的水穩(wěn)定性較差。不同摻量、石灰穩(wěn)定土不泡水時(shí)的回彈模量范圍為82～150 MPa，但泡水后的回彈模量范圍為39～58 MPa。石灰摻量越高，其回彈模量越大，但不同石灰摻量下的回彈模量差別不太明顯，這與水泥形成了鮮明的對(duì)比，其原因可能與土中含部分砂有關(guān)。

3.3 不同摻量下改良土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

由于本次試驗(yàn)所采用的土樣的不均勻性，針對(duì)所取土樣，消石灰改良土分別采用4%，6%，9%，12%摻量進(jìn)行設(shè)計(jì)；水泥改良土分別采用3%，5%，7%摻量進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中水泥采用普通42.5硅酸鹽水泥。根據(jù)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以繪制出不同摻量、齡期時(shí)改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)圖，見(jiàn)圖7。

圖7 改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖7a)顯示，石灰摻配劑量對(duì)改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小。當(dāng)石灰摻量從4%提高至6%，9%，12%時(shí)，改良土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為5%，7%，11%，改良土的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為0%，8%，22%。石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為相對(duì)于石灰摻量為4%時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

此外，從圖7b)可見(jiàn)，水泥摻量對(duì)改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較明顯。相同齡期條件下，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而提高。當(dāng)水泥摻量從3%提高到7%時(shí)，改良土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為87%，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為67%。水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為相對(duì)于水泥摻量為3%時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)論

1) 素土在最佳含水率附近按照重型標(biāo)準(zhǔn)3×98擊擊實(shí)后的土樣，未泡水時(shí)其回彈模量范圍為46～56 MPa，但經(jīng)過(guò)泡水后其回彈模量范圍為6.5～13.2 MPa，因此，在潮濕多雨地區(qū)，含砂低液限黏土不宜直接用作路基填料。

2) 水泥摻量對(duì)含砂低液限黏土的回彈模量有較顯著的影響。水泥改良土的回彈模量隨水泥摻量的增加而增大。當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，泡水后改良土的回彈模量最小值為46 MPa。因此，當(dāng)水泥摻量大于3%時(shí)，水泥改良土可用作路床及路堤填料。

3) 摻入石灰可以顯著提高含砂低液限黏土的回彈模量，但石灰劑量對(duì)其回彈模量的影響不明顯。

4) 當(dāng)石灰摻量≥9%時(shí)，石灰改良含砂低液限黏土可用于高速公路和一級(jí)公路的底基層、二級(jí)及二級(jí)以下公路的基層及以下各層位。當(dāng)水泥摻量≥5%時(shí)，水泥改良含砂低液限黏土可用于高速公路和一級(jí)公路的底基層、二級(jí)及二級(jí)以下公路的基層及以下各層位。