一級(jí)公路高液限土水泥改良試驗(yàn)研究

戴范，劉楓，黃希望，王強(qiáng)，婁平*

(1.廣東省湛江市公路管理局，廣東 湛江 524000； 2.中建湛江大道投資建設(shè)有限公司； 3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 引言

高液限土大量分布在中國廣東地區(qū)，這類土具有液塑限高、含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度和壓縮性能差等特點(diǎn)。高液限土直接用于路基填土?xí)r，難以壓實(shí)，易出現(xiàn)翻漿、邊坡坍塌、路面開裂、不均勻沉降等現(xiàn)象, 影響道路的正常運(yùn)營。JTG F10-2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，高液限土不得直接用作路基填料，應(yīng)采取一定的措施對(duì)其改良，經(jīng)檢查合格后方可使用。高液限土的處治方法很多，根據(jù)其類型可分為化學(xué)改良和物理改良。化學(xué)改良包括摻入化學(xué)改良劑、無機(jī)結(jié)合料，如石灰、水泥等進(jìn)行改良，其機(jī)理是摻合料與高液限土拌和后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生晶體的Ca(OH)2、含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物，增強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)系，從而降低液限，提高土的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。物理改良主要有隔水防護(hù)法、改善顆粒級(jí)配法，如外摻碎石、砂礫、粉煤灰等，其機(jī)理是改變土顆粒原有的級(jí)配，使摻料與土體中的粗顆粒形成骨架，減少細(xì)顆粒對(duì)土體物理性質(zhì)的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高液限土的改良開展了大量研究：程濤等通過試驗(yàn)獲得了不同性能高液限土的最佳摻砂比例；李方華研究了不同性質(zhì)高液限土的最佳摻砂礫石比；趙朝陽進(jìn)行了石灰改良高液限土試驗(yàn)的研究，提出了路基填筑改良措施；龍韜進(jìn)行了摻砂對(duì)湖區(qū)路基黏土工程性質(zhì)的影響研究，得出摻細(xì)砂對(duì)承載比提高有明顯作用；朱冬梅等研究了高液限土的改良填筑施工工藝，分析了各種方案的改良效果和機(jī)理；楊和平等研究了石灰改良高液限土的路用特性；曾靜等研究了高液限土與紅黏土路用性能。綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)采用石灰、砂改良高液限土的研究較多。該文針對(duì)湛江大道一級(jí)公路高液限土開展水泥改良試驗(yàn)研究，分析不同水泥摻量對(duì)高液限土物理性質(zhì)的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性和可操作性等因素確定較合理的水泥摻量，為湛江大道高液限土現(xiàn)場改良施工提供依據(jù)，亦可為類似高液限土改良提供參考。

2 水泥改良高液限土試驗(yàn)研究

2.1 高液限土基本物理性質(zhì)

在湛江大道一級(jí)公路某標(biāo)段，選取液限高、含水率大的代表性土：灰黃、褐黃夾灰白色，含少量粉砂，干燥時(shí)強(qiáng)度高，硬度較大難以挖掘，不易壓實(shí)，遇水后有很大的膨脹性和黏性，能長時(shí)間保持水分，承載能力相比干燥時(shí)降低。

對(duì)所選高液限土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，采用烘干法測定含水率，液塑限采用標(biāo)準(zhǔn)100 g錐儀器測定，采用擊實(shí)試驗(yàn)測定最大干密度及最佳含水率，進(jìn)行CBR試驗(yàn)獲得高液限原土的承載比。通過試驗(yàn)得到該土天然含水率為35.8%，液限值達(dá)到70.5%，塑性指數(shù)為35.7，最大干密度為1.67 g/cm3，最佳含水率為20%，擊實(shí)功為98擊時(shí)的CBR值為10.2%。根據(jù)《廣東省高液限土路基修筑技術(shù)指南》中規(guī)定，當(dāng)液限大于70%時(shí)，高液限土不能直接用于路基填料。由于該地區(qū)具有大范圍的高液限土，若直接作為棄方處理，則經(jīng)濟(jì)性較差，而且對(duì)環(huán)境影響大，因此對(duì)于此類高液限土應(yīng)該改良后填筑。

2.2 試驗(yàn)方案確定

采用單摻不同比例的P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥對(duì)高液限土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)，通過擊實(shí)、液塑限、承載比等試驗(yàn)，分析水泥摻量對(duì)高液限土物理力學(xué)性能的影響。

水泥改良試驗(yàn)的土樣按水泥與烘干的土質(zhì)量比為3%、5%、7%進(jìn)行配土，對(duì)配制好的土樣進(jìn)行100 g錐液塑限試驗(yàn)，分析高液限土經(jīng)過不同比例水泥改良后的液塑限變化規(guī)律。通過擊實(shí)試驗(yàn)測定摻入不同比例水泥改良后試件的最大干密度和最佳含水率并分析其變化規(guī)律。每種土樣按最佳含水率摻水，在不同擊實(shí)功(30、50、98擊)作用下制作試件各3組，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h，安裝百分表后浸水4 d，對(duì)改良后的土樣進(jìn)行CBR室內(nèi)試驗(yàn)，分析其改良后的CBR值及膨脹量變化情況，結(jié)合工程實(shí)際，考慮技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性，得到較優(yōu)的高液限土改良比例。

3 改良試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水泥摻量對(duì)高液限土液塑限及最佳含水率的影響

在高液限土中摻入3%、5%、7%的水泥進(jìn)行改良后，進(jìn)行液塑限測定和擊實(shí)試驗(yàn)，得到液塑限、最大干密度、最佳含水率如表1所示。

表1 高液限土摻入不同比例水泥改良后物理性質(zhì)變化

由表1可知：① 隨著水泥摻量的增加，高液限土的液限逐漸減小，塑限逐漸增大，當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，液限相對(duì)原土降低25.2%，塑限相對(duì)原土增加78.8%，摻水泥后高液限土親水性減弱，使工程性質(zhì)得到較好的改善；② 隨水泥摻量的增加，最佳含水率先增加后減小，相對(duì)于不摻水泥的原土，分別減小了20.2%、19.1%、20.9%，隨水泥摻量的增加，最大干密度逐漸增大，主要原因是水泥摻入后與水、土發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，增加了土顆粒間的聯(lián)系，同時(shí)土體的親水性減弱，水穩(wěn)定性增強(qiáng)，導(dǎo)致高液限土的最佳含水率降低，土的壓實(shí)度提高。

3.2 水泥摻量對(duì)高液限土CBR值的影響

CBR試驗(yàn)是用于評(píng)定路基土和路面材料的強(qiáng)度，是填料能否用于路基填筑的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。將烘干后的高液限土按水泥與土的質(zhì)量比分別為0%(即不摻水泥)、3%、5%、7%進(jìn)行混合，每個(gè)比例配制9個(gè)土樣，按表1中對(duì)應(yīng)的最佳含水率摻水，經(jīng)拌和后燜料4 h，將每組的9個(gè)土樣平均分為3份，分別采用30、50、98擊對(duì)土樣進(jìn)行擊實(shí)，將擊實(shí)后得到的試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h，安裝百分表并讀取初始讀數(shù)后浸水養(yǎng)護(hù)4 d，通過貫入量與單位壓力的關(guān)系，測定在2.5、5 mm貫入量時(shí)的單位壓力值，進(jìn)而求得該土樣的CBR值，讀取百分表的數(shù)據(jù)得到試件的膨脹量，結(jié)果如表2所示。

表2 水泥改良后的CBR值和膨脹量

由表2可知：① 未加水泥的高液限土98擊的CBR值為10.2%，根據(jù)JTG F10-2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》，一級(jí)公路路基加州承載比(CBR值)最小強(qiáng)度要求為8%，該高液限土CBR值與規(guī)范的最小值接近，由于土體物理性質(zhì)具有不確定性，為安全起見，該土宜改良后填筑。水泥對(duì)高液限土的改良主要是通過水泥與土中的水發(fā)生復(fù)雜水化反應(yīng)，生成硅酸鈣、鋁酸鈣和氫氧化鈣等凝膠物質(zhì)，增大土顆粒間的聯(lián)系，水化反應(yīng)生產(chǎn)物增加了級(jí)配中粗顆粒含量，同時(shí)液限減小使土體含水率減小，黏聚力增強(qiáng)，進(jìn)而提升高液限土的強(qiáng)度；② 摻入3%水泥改良后，擊時(shí)功為30、50擊時(shí)的CBR值相對(duì)于原土相同擊實(shí)功下的CBR值變化不大；擊實(shí)功為98擊時(shí)的CBR隨著水泥摻量增大而提高；當(dāng)水泥摻量由5%增加到7%時(shí)，擊時(shí)功為98擊時(shí)的CBR大幅度提高，為摻5%水泥的2.76倍，表明摻水泥改良高液限土CBR值的效果明顯;③ 試件浸水后的膨脹量則隨水泥摻量的增加而逐漸減??；水泥摻量為7%時(shí)，30、50擊的膨脹量降低幅度較大，相對(duì)于原土同樣擊數(shù)對(duì)應(yīng)的膨脹量分別降低了66.1%、63.6%，表明摻入水泥能有效降低高液限土的膨脹量，增強(qiáng)土體水穩(wěn)定性，使改良后高液限土的工程性質(zhì)得到提升。

3.3 水泥合理摻入量討論

從技術(shù)上看，摻入3%、5%、7%的水泥對(duì)高液限土進(jìn)行改良，改良后的CBR值均能滿足規(guī)范要求。其中，水泥摻量為3% 時(shí)，98擊CBR值為14.92%，膨脹量僅為3.56%，其力學(xué)性能較好，能夠滿足工程要求。從經(jīng)濟(jì)性來看，經(jīng)調(diào)研P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥市場價(jià)格為370～420元/t，改良時(shí)摻入3%、5%、7%的水泥，平均每噸土改良費(fèi)用分別為11.1～12.6、18.5～21、25.9～29.4元，采用摻水泥改良高液限土的方案比換填法費(fèi)用低，對(duì)環(huán)境影響小。從可操作性來看，水泥是最常用的建筑材料之一，易于獲取，可在當(dāng)?shù)卮罅坎少?，而且水泥改良高液限土操作簡單，可采用機(jī)械施工減少人工作業(yè)量。

綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性等因素，推薦采用3%的水泥摻量來改良高液限土。

4 結(jié)論

通過對(duì)高液限土開展室內(nèi)改良試驗(yàn)，對(duì)比分析改良前后高液限土的物理性質(zhì)，得出如下結(jié)論：

(1) 該高液限土的最佳含水率為20%，當(dāng)含水率為20%時(shí)，該土擊實(shí)后干密度達(dá)到最大為1.67 g/cm3；水泥對(duì)高液限土最佳含水率影響較大，摻入3%、5%、7%水泥后最佳含水率相對(duì)于原土分別減小20.2%、19.1%、20.9%。

(2) 水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)膠結(jié)物，增大了土顆粒間的聯(lián)系，進(jìn)而改善高液限土的性質(zhì)，隨水泥摻量增大，高液限土液限減小、塑限增大、CBR值增大、膨脹量減小、最佳含水率相對(duì)于原土減小。

(3) 摻入3%、5%、7%水泥對(duì)該土CBR值分別提高46.3%、86.4%、414.7%，表明摻入水泥后高液限土能夠得到良好的改良效果。

(4) 綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和可操作性，推薦采用3%的水泥摻量改良方案。