廣連高速含砂低液限黏土路基壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)研究

黃宇， 肖宇鵬

(1.中交四航局 第三工程有限公司， 廣東 湛江 524000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

在中國(guó)南方地區(qū)公路工程建設(shè)中經(jīng)常會(huì)遇到大量細(xì)粒土，其具有天然含水率高、細(xì)粒含量大、液塑限高、親水性較強(qiáng)、水穩(wěn)性差等特點(diǎn)。建設(shè)中主要存在3個(gè)問(wèn)題：一是在南方地區(qū)濕潤(rùn)氣候條件下很難通過(guò)翻曬將細(xì)粒土填料從天然含水率降至最佳含水率附近進(jìn)行碾壓使其達(dá)到壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致路基填筑工期大大延長(zhǎng)；二是采用傳統(tǒng)棄土換填技術(shù)會(huì)大量占地，造成嚴(yán)重水土流失；三是若采用摻灰或摻砂改良技術(shù)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染和造價(jià)數(shù)倍增加。楊世基分別采用干法和濕法制作同一含水率土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2種制樣方法的試驗(yàn)結(jié)果存在明顯差異，表明實(shí)際合理的壓實(shí)含水率應(yīng)根據(jù)填土類型、需獲得的工程性能及實(shí)際操作性來(lái)選擇。吳立堅(jiān)等以確保路基強(qiáng)度與穩(wěn)定為目標(biāo)，通過(guò)已完工多個(gè)工程實(shí)例的總結(jié)，結(jié)合相關(guān)科研成果進(jìn)行分析，認(rèn)為高塑性土應(yīng)選取稠度1.0～1.3的含水率作為填筑含水率，其壓實(shí)度下限值為87%。JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)于南方濕潤(rùn)多雨地區(qū)的特殊土壓實(shí)，可適當(dāng)降低其壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。已有工程實(shí)踐也表明，在細(xì)粒土滿足路基對(duì)填料強(qiáng)度和變形要求的前提下適當(dāng)降低壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，同樣可確保路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定。由于含水率是影響路基壓實(shí)的關(guān)鍵因素，吸附結(jié)合水又是細(xì)粒土中水的主要形式，研究結(jié)合水對(duì)細(xì)粒土路用性能的影響和壓實(shí)機(jī)理，對(duì)于促進(jìn)中國(guó)特殊土路基工程問(wèn)題研究和綠色公路建設(shè)具有重要理論和實(shí)際意義。

1 廣連高速公路細(xì)粒土的物理性質(zhì)

廣連高速公路TJ02標(biāo)段(起止樁號(hào)為K19+866.958—K48+090)長(zhǎng)28.223 km，工程投資23.46 億元。根據(jù)勘探結(jié)果，路段存在80多萬(wàn)m3天然含水率偏高的細(xì)粒土填料，其中高液限土26.4萬(wàn)m3，主要分布路段占全線的10%。對(duì)較典型的細(xì)粒土從現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行液限和塑限試驗(yàn)、土顆粒篩分試驗(yàn)等，分析其基本物理性質(zhì)與組成，結(jié)果見表1。

由表1可知：土樣的液、塑限較高；細(xì)粒含量較大，兩土樣均大于60%；粗粒組中的砂粒含量均大于礫粒含量，根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，兩土樣均為含砂低液限黏土(CLS)；土中大量細(xì)粒為其吸附結(jié)合水創(chuàng)造了有利條件，天然含水率較大且均大于25%。兩土樣為典型的細(xì)粒土。

表1 廣連高速公路細(xì)粒土的物理性質(zhì)

2 吸附結(jié)合水測(cè)試

已有研究表明：土中含有大量吸附結(jié)合水，吸附結(jié)合水密度大，約為1.3 g/cm3，在一定條件下仍具有近似固體的性質(zhì)，不傳遞靜水壓力，具有一定的黏滯性和抗剪強(qiáng)度，不能自行由一個(gè)土顆粒旁移到另一個(gè)土顆粒上，只有當(dāng)壓力大于3 MPa時(shí)，這部分結(jié)合水才能從土中排出。

文獻(xiàn)[6]選取應(yīng)用較廣、試驗(yàn)簡(jiǎn)單、適合在工程中推廣的容量瓶法和等溫吸附法進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)容量瓶法測(cè)試吸附結(jié)合水的過(guò)程更符合工程中土樣的實(shí)際情況，吸附結(jié)合水含量測(cè)試宜采用容量瓶法。

參照文獻(xiàn)[7]中容量瓶法試驗(yàn)步驟對(duì)土樣進(jìn)行吸附結(jié)合水含量測(cè)試。將土樣在105 ℃下烘干取出，待土樣冷卻后，取一定質(zhì)量土樣與一定體積25 ℃的水，在25 ℃恒溫下分別加入容量瓶中混合，使土顆粒完全分散并充分吸附結(jié)合水。吸附結(jié)合水的密度由吸附前的1.0 g/cm3增至1.3 g/cm3，總體積減小，通過(guò)觀測(cè)容量瓶中總體積的變化，并進(jìn)行蒸發(fā)校正，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中公式計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)溫度下土樣的吸附結(jié)合水含量(見表2)。

表2 各土樣的吸附結(jié)合水含量測(cè)定結(jié)果

由表2可知：各土樣的吸附結(jié)合水試驗(yàn)結(jié)果雖然不同，但具有相似的規(guī)律，吸附結(jié)合水都是從形成較快再減慢最后趨于穩(wěn)定。GL-1、GL-2試樣的吸附結(jié)合水含量均較高，分別為21.2%、22.6%，均小于且接近于塑限，且GL-1的吸附結(jié)合水含量小于GL-2，測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[6-8]中黏土吸附結(jié)合水和塑限經(jīng)驗(yàn)公式接近。

3 吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土路用性能的影響

對(duì)試樣展開重型濕法擊實(shí)、濕法浸水CBR和非飽和固結(jié)試驗(yàn)，結(jié)合容量瓶法測(cè)試結(jié)果，分析吸附結(jié)合水對(duì)含砂低液限黏土擊實(shí)特性、強(qiáng)度、水穩(wěn)性和非飽和固結(jié)特性的影響。

參照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，按照濕法制樣進(jìn)行重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，確定填料干濕法的最優(yōu)含水率與最大干密度。用濕法擊實(shí)成型后的試件浸水進(jìn)行CBR(加州承載比)試驗(yàn)，確定CBR值和CBR膨脹量。取至少5份天然含水率狀態(tài)下的土樣，用手揀除其中大于40 mm的粗石子，把土樣鋪開在室內(nèi)干燥，每隔1 h翻拌1次，使其含水率比天然含水率依次降低2%～4%，對(duì)土樣分別進(jìn)行重型擊實(shí)后測(cè)量濕法土樣在相應(yīng)含水率狀態(tài)下的干密度，得到濕法擊實(shí)曲線。按CBR試驗(yàn)要求將濕法土樣在水中浸泡4 d后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，得到濕法土樣的CBR值及CBR膨脹量(見圖1)。

由圖1可知：1) 土中吸附結(jié)合水的含量遠(yuǎn)高于最佳含水率，GL-1、GL-2的最佳含水率分別為16.5%和17.5%，均低于其天然含水率10%左右，在廣東濕潤(rùn)地區(qū)很難使天然含水率降低至最佳含水率附近；隨著初始含水率的降低，浸水后雖然黏粒結(jié)合水膜增厚，但粉粒和粗粒之間的剛性接觸保證了土體整體強(qiáng)度，CBR增大；隨著初始含水率逐漸減小至吸附結(jié)合水含量附近，土中水多具有固體性質(zhì)且具有一定抗剪強(qiáng)度，這種狀態(tài)下含砂低液限黏土的CBR均在強(qiáng)度較理想的范圍內(nèi)。浸水CBR峰值的初始含水率也靠近吸附結(jié)合水含量，大于最佳含水率2%～3%。2) 在同一擊實(shí)功作用下，土樣的CBR浸水膨脹量隨制樣含水率的增加而減小，說(shuō)明偏濕狀態(tài)下碾壓的含砂低液限黏土路基的水穩(wěn)定性更好。初始含水率低于吸附結(jié)合水含量時(shí)，試樣浸水后的膨脹量顯著增大；試件含水率低于吸附結(jié)合水含量時(shí)，土顆粒表面吸附結(jié)合水還未吸附飽和，土顆粒吸附結(jié)合水，使水膜增厚發(fā)生體積膨脹，隨著結(jié)合水含量的降低，土顆粒吸附結(jié)合水的能力越強(qiáng)，能吸附的結(jié)合水含量也越多；試件含水率大于吸附含水率時(shí)，吸附結(jié)合水的含量基本達(dá)到飽和，試件基本不發(fā)生膨脹。

圖1 濕法擊實(shí)及CBR試驗(yàn)結(jié)果

在廣東濕潤(rùn)地區(qū)采用含砂低液限黏土填筑路基，通常壓實(shí)含水率較高，壓實(shí)度較低，路基工后沉降偏大。為評(píng)價(jià)含砂低液限黏土在高含水率狀態(tài)下填筑的壓縮性，對(duì)兩土樣濕法重型擊實(shí)曲線的濕側(cè)各點(diǎn)(含水率比最佳含水率高的各試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)位)開展非飽和固結(jié)試驗(yàn)，測(cè)定其壓縮系數(shù)，結(jié)果見圖2。

圖2 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

固結(jié)過(guò)程是土體在應(yīng)力狀態(tài)改變時(shí)孔隙水排出、體積壓縮，荷載引起的應(yīng)力從孔隙水逐漸轉(zhuǎn)移到土顆粒骨架上，直至變形達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程。由圖2可知：土體的壓縮系數(shù)隨含水率的增大而增大。含水率小于吸附結(jié)合水含量時(shí)，壓縮系數(shù)隨含水率增加較緩；含水率大于吸附結(jié)合水含量時(shí)，受力可變形和遷移的弱結(jié)合水增加，壓縮系數(shù)隨含水率增加而顯著增大。但各含砂低液限黏土在高含水率狀態(tài)下的壓縮系數(shù)均小于0.5 MPa-1，表明在天然含水率至最佳含水率之間的任何含水率下進(jìn)行碾壓，只要能達(dá)到該含水率下的最大密度，就能滿足規(guī)范對(duì)填料壓縮系數(shù)的要求。盡管廣連高速公路含砂低液限黏土在高含水率下干密度較小，但吸附結(jié)合水含量多，這一部分吸附結(jié)合水一般不會(huì)被壓縮移動(dòng)，故其壓縮系數(shù)能滿足規(guī)范要求。

4 濕潤(rùn)氣候條件下含砂低液限黏土路基壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)

在南方氣候條件下，路面以下路堤填料的溫度一般為20～25 ℃，文中吸附結(jié)合水含量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度為25 ℃。根據(jù)南方地區(qū)膨脹土路基不同土體位置長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，南方地區(qū)除表層土體在極少出現(xiàn)的極端氣候時(shí)其溫度能達(dá)到30 ℃外，其余路基內(nèi)部大多數(shù)時(shí)間的土體溫度平均在25 ℃或以下。同一土樣的吸附結(jié)合水含量會(huì)隨溫度升高而降低，故絕大多數(shù)時(shí)間路基中的吸附結(jié)合水含量大于文中試驗(yàn)結(jié)果，即使極端升至30 ℃，吸附結(jié)合水含量的減少也不會(huì)超過(guò)1%。因此，在濕潤(rùn)多雨的廣東地區(qū)，路基內(nèi)部大多數(shù)時(shí)間的土體溫度平均在25 ℃或以下，上述容量瓶法測(cè)試結(jié)果基本符合路基實(shí)際情況且相對(duì)穩(wěn)定。多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果也表明，在南方氣候條件下，細(xì)粒土路基含水率會(huì)從初始?jí)簩?shí)控制含水率逐年升至平衡含水率，約為塑限。

規(guī)范針對(duì)土質(zhì)路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，提出“路堤采用特殊填料或處于特殊氣候地區(qū)時(shí)，壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)試驗(yàn)路在保證路基強(qiáng)度要求的前提下可適當(dāng)降低”。針對(duì)這一空白點(diǎn)，文獻(xiàn)[12]對(duì)南方地區(qū)高液限土展開研究，根據(jù)吸附結(jié)合水具有近似固體的特性和在路基中長(zhǎng)期穩(wěn)定，將其視為土中固相一部分，基于規(guī)范對(duì)高速公路下路堤壓實(shí)度的要求，提出以吸附結(jié)合水含量和最佳含水率為參數(shù)的壓實(shí)度控制下限值Kmin計(jì)算公式：

(1)

式中：wopt為土樣的最佳含水率。

按照式(1)，根據(jù)濕法擊實(shí)和吸附結(jié)合水測(cè)試結(jié)果計(jì)算廣東濕潤(rùn)地區(qū)含砂低液限黏土路基壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)廣連高速公路兩土樣就近開展試驗(yàn)路試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，壓實(shí)含水率略低于天然含水率1.2%～2.4%，但大于最佳含水率7%～8.4%，兩試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度基本上能達(dá)到文獻(xiàn)[12]中方法確定的壓實(shí)度下限值。

表3 各土樣的試驗(yàn)路段壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

不論填筑含水率高低，含砂低液限黏土路基含水率會(huì)從初始?jí)簩?shí)控制含水率逐年升至平衡含水率，在南方濕潤(rùn)地區(qū)花大量時(shí)間翻曬含砂低液限黏土降低含水率進(jìn)行填筑不僅耗時(shí)耗力且效果不好。由于平衡含水率大于吸附結(jié)合水含量，在含砂低液限黏土路基濕度平衡后的運(yùn)營(yíng)期直至設(shè)計(jì)使用年限末期，含砂低液限黏土中的吸附結(jié)合水含量都相對(duì)穩(wěn)定，吸附結(jié)合水具有一定的強(qiáng)度又難以排出，濕潤(rùn)地區(qū)路基工程中吸附結(jié)合水可看作含砂低液限黏土中穩(wěn)定的一部分。第3節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明試驗(yàn)初始含水率在吸附結(jié)合水含量附近時(shí)水穩(wěn)定性好、CBR強(qiáng)度能滿足規(guī)范要求。因此，廣連高速公路含砂低液限黏土宜在偏濕條件下進(jìn)行施工。按文中壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)填筑廣連高速公路路基，既可充分利用天然含水率過(guò)高的含砂低液限黏土，又可保證含砂低液限黏土路基的施工效率。

5 結(jié)論

(1) 含砂低液限黏土中含有大量吸附結(jié)合水，且其含量略低于塑限。

(2) 廣東廣連高速公路典型含砂低液限黏土的CBR峰值含水率比最佳含水率高2%～3%；其CBR膨脹量均隨初始含水率的降低而增大，初始含水率低于吸附結(jié)合水含量時(shí)試樣浸水后的膨脹量顯著增大；初始含水率在吸附結(jié)合水含量附近時(shí)CBR強(qiáng)度較好，且水穩(wěn)性好；其壓縮性較好，在高含水率狀態(tài)下也能滿足規(guī)范對(duì)填料壓縮性的要求。

(3) 在南方濕潤(rùn)地區(qū)，含砂低液限黏土宜在偏濕條件下施工，可采用文獻(xiàn)[12]中適用于南方濕潤(rùn)地區(qū)的含砂低液限黏土壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)。吸附結(jié)合水含量越大于最佳含水率，含砂低液限黏土路基壓實(shí)度控制的下限值越低。