砂礫改良高液限粉土物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

吳登岳

(青海省交通建設(shè)管理有限公司 西寧 810000)

引言

高液限粉土在我國(guó)青海、西藏等高原地區(qū)廣泛分布，由于低壓、高寒、多雨等自然條件，其具有高含水率、高液塑限、強(qiáng)可塑性、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，難以滿足路基結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，故不能直接用作道路路基，但高原道路建設(shè)不免要穿越該種土層，為了保護(hù)高原生態(tài)，不能對(duì)其進(jìn)行換填處理，因此，在青藏高原地區(qū)修筑道路工程，如何有效地對(duì)高液限粉土地層加以合理利用與改良意義重大。

目前，高液限土體的改良方法主要通過(guò)向土體中摻入砂礫[1]、石灰[2]、粉煤灰[3]、水泥[4]、渣土[5]等材料，以改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，提高路基結(jié)構(gòu)的承載力。石崇喜等[6]利用液塑限、擊實(shí)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)分析了不同摻砂比對(duì)紅土的最佳含水率、最大干密度、強(qiáng)度等特性影響。肖哲[7]采用石灰改良不同液塑限的軟土，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)等物理力學(xué)試驗(yàn)，得出石灰改良軟土壓縮性低、強(qiáng)度高的特性規(guī)律；劉之葵等[8]通過(guò)在紅粘土中加入水泥，改善其物理力學(xué)性質(zhì)，使其粘聚力大幅提高，同時(shí)就水泥摻量與養(yǎng)護(hù)周期對(duì)紅粘土的改良效果加以分析。董均貴等[9]通過(guò)對(duì)三種不同粒徑的土體進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，研究了顆粒粒徑對(duì)土體液塑限與塑性指數(shù)的影響，分析了粒徑對(duì)液塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的影響；易劍波等[10]為了充分利用當(dāng)?shù)丶t粘土作為路基填料，同時(shí)為了保證路基強(qiáng)度和壓實(shí)度，運(yùn)用碎石改良紅粘土，并進(jìn)行了一系列物理力學(xué)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其改良效果。然而，上述研究鮮有針對(duì)高海拔地區(qū)高液限土體物理力學(xué)性質(zhì)及改良效果方面的研究，就青藏高原多年凍土地區(qū)道路工程而言，需要遵循保護(hù)凍土原則，而石灰、水泥等改良措施往往需要較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)周期，加之養(yǎng)護(hù)過(guò)程會(huì)釋放熱量，顯然不利于保護(hù)多年凍土；砂土取材廣泛，改良過(guò)程不涉及化學(xué)變化，不會(huì)對(duì)多年凍土產(chǎn)生熱擾動(dòng)，當(dāng)是多年凍土區(qū)道路工程改良高液限土體的首選。

本文以青藏高原某在建公路路基工程為例，通過(guò)對(duì)不同砂土配合比的改良高液限粉土進(jìn)行一系列物理力學(xué)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究其液塑限、最優(yōu)含水率、最大干密度及CBR等隨砂礫摻量的變化規(guī)律，以期為高液限粉土改良加固、高原道路工程設(shè)計(jì)與修筑等方面提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目為青海省某省級(jí)公路改建項(xiàng)目，平均海拔4500m，全線長(zhǎng)度約430km，全線主要的不良地質(zhì)包括水草濕地、沼澤地、多年凍土(少冰、多冰、富冰、飽冰及含土冰層)、熱融湖塘、淤泥質(zhì)土等，而水草濕地、沼澤地多為有機(jī)質(zhì)土。

以某路段的典型水草濕地為例，現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果表明：該地區(qū)的有機(jī)質(zhì)土的深度最大可達(dá)1 m深，平均深度約為0.6～0.8m。有機(jī)質(zhì)土的植物根系發(fā)達(dá)，土質(zhì)疏松多孔。事實(shí)上，該路段土體的壓縮性高、承載力弱，無(wú)法滿足地基承載要求，需要加以改良。

2 試驗(yàn)概況

根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案，本試驗(yàn)選取0～0.5m范圍內(nèi)的地表有機(jī)質(zhì)土加以研究，供試土樣烘干后過(guò)2mm的分析篩備用。通過(guò)有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)，測(cè)得地表土的有機(jī)質(zhì)含量14.2%，通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)(篩分法)得到有機(jī)質(zhì)土的粒徑分布(表1)，試驗(yàn)過(guò)程參見(jiàn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》。由液塑限試驗(yàn)可知，其塑限含水率為53.15%，液限含水率為106.09%，塑性指數(shù)為52.94，對(duì)照塑性圖[11]可以進(jìn)一步判斷該地表土為有機(jī)質(zhì)高液限粉土，其液塑限高，孔隙率大，強(qiáng)度低，不能直接作為承載地層，需要進(jìn)行改良處理。

本試驗(yàn)段選擇砂礫進(jìn)行改良處理，具體粒徑分布情況同見(jiàn)表1，本研究主要進(jìn)行3個(gè)系列的試驗(yàn)，包括液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)，具體過(guò)程參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)。

表1 材料的基本物性

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 液塑限試驗(yàn)

本試驗(yàn)共配置四種不同砂土配合比(0∶3、1∶3、2∶3、3∶3)的改良土進(jìn)行液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)。圖1為不同砂土配合比條件下的改良土液塑限情況，由圖可見(jiàn)：當(dāng)砂土配合比為0∶3時(shí)，試樣的液塑限初值分別為53.15%與106.09%，隨著摻砂量的增加，改良土樣的液塑限均發(fā)生明顯降低，且降低速率近乎為線性；當(dāng)砂土混合比例為3∶3時(shí)，液塑限均降至最低，此時(shí)，改良土的塑限為26.35%、液限為72.67%，與初始值相較，塑限降幅為26.80%，同比降低50.42%，液限降低幅度為33.42%，同比降低31.50%。由此可見(jiàn)，摻砂對(duì)高液限粉土的液塑限均有降低作用，但對(duì)塑限的降低程度更明顯，說(shuō)明摻砂量對(duì)塑限影響的顯著性更高，而對(duì)液限的影響程度相對(duì)較低。事實(shí)上，有機(jī)質(zhì)土的液塑限較高的原因在于：土體中細(xì)粒含量高達(dá)53.6%，而顆粒的比表面積與粒徑大小呈反比，細(xì)顆粒表面對(duì)水的吸附作用越強(qiáng)，可以形成吸附水膜，進(jìn)而影響土體的液塑限。而摻砂可以有效降低高液限粉土液塑限的主要原因在于：添加砂礫后，改良土的粒徑組成發(fā)生變化，細(xì)粒占比減少，粗粒占比增加，而土體的粒徑等級(jí)越高，土粒的比表面積越小，土粒的吸水性能越低，因而，摻砂可以顯著降低有機(jī)質(zhì)高液限粉土的塑性特征。

圖1 砂土配合比對(duì)液塑限的影響

圖2為砂土配合比對(duì)改良土塑限指數(shù)的影響。由圖可見(jiàn)，改良土的塑限指數(shù)隨摻砂量的增大而減小。其原因在于砂礫的粗顆粒較多，填充土壤骨架，顆粒間的粘結(jié)力降低，表現(xiàn)為改良土的可塑性降低，塑性指數(shù)減小，且砂土摻比越大，土顆粒間粘結(jié)力越弱，可塑性也就越差。

圖2 砂土配合比對(duì)塑限指數(shù)的影響

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用重型擊實(shí)法對(duì)四種不同砂土配合比(0:3、1:3、2:3、3:3)的改良土開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)。圖3為砂土配合比對(duì)改良土最大干密度與最優(yōu)含水率的影響。當(dāng)砂土比為1:3時(shí)，改良土的最優(yōu)含水率從37.8%降至18.6%，同比降低約50%，隨著摻砂量的增大，最優(yōu)含水率繼續(xù)降低，但下降速度明顯減緩。就最大干密度而言，隨著摻砂量的增大，改良土的最大干密度逐漸增大，且增速表現(xiàn)為先快后慢的變化趨勢(shì)。當(dāng)砂土比為3:3時(shí)，改良土的最優(yōu)含水率為14.02%，最大干密度為1.80g/cm3，與初始值相較，最優(yōu)含水率降低了62.9%，最大干密度提高了64.2%，由此可見(jiàn)，摻砂可顯著改變高液限粉土的最佳擊實(shí)特性，且摻砂量對(duì)最優(yōu)含水率與最大干密度的影響程度較為相近。

圖3 砂土配合比對(duì)最大干密度與最優(yōu)含水率的影響

摻砂量對(duì)最大干密度與最優(yōu)含水率的作用機(jī)理為：較粗的砂粒與較細(xì)的粉(黏)?；旌虾?，使得改良土中的封閉孔隙減少、連通孔隙增加，土中的水和空氣在擊實(shí)過(guò)程中更容易排除，最佳擊實(shí)狀態(tài)下的最優(yōu)含水率降低；此外，砂土混和后，改良土自身的級(jí)配更加合理，大的砂粒充當(dāng)骨架，小的粉粒、黏粒填充孔隙，顆粒間孔隙體積減少，加之，砂粒自身密度較大，在最優(yōu)擊實(shí)狀態(tài)下，改良土的最大干密度會(huì)隨摻砂量的增大而增大。

3.3 CBR試驗(yàn)

按照不同砂土配合比的改良土所對(duì)應(yīng)的最大干密度制樣，并進(jìn)行為期4天的浸水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn)，未摻加砂礫的高液限粉土的膨脹量最大為5.27 mm，隨著摻砂量的增加，改良土的膨脹量逐漸降低。其原因在于土體體積膨脹主要取決于細(xì)粒土對(duì)水的吸附作用，高液限粉土中的粉(黏)粒含量占比超過(guò)50%，而砂礫中細(xì)粒土含量?jī)H為4.42%，相較之下，高液限粉土占比決定了改良后土體吸水膨脹量大小。此外，改良土的吸水量隨砂土配合比的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)土體僅為高液限粉土?xí)r，因其處于最大干密度狀態(tài)時(shí)，土顆粒排列極為密實(shí)，顆粒間存在較多的連通孔隙與封閉孔隙，連通孔隙可依靠毛細(xì)作用吸水，封閉孔隙則不能；當(dāng)按照砂土比1：3進(jìn)行摻和時(shí)，砂礫中的粗顆粒充當(dāng)土體骨架，粉土中的細(xì)顆粒包裹在外，封閉孔隙大幅降低，導(dǎo)致吸水量增加；而當(dāng)砂土配合比進(jìn)一步增大時(shí)，粉土含量不斷降低，盡管封閉孔隙繼續(xù)減少，但受限于粉土占比降低，所以改良土的吸水量逐漸降低。

圖4 砂土配合比對(duì)浸水結(jié)果的影響

圖5為砂土配合比對(duì)改良土CBR的影響。由圖可見(jiàn)，高液限粉土的CBR值極低，僅為2.2%，隨著砂礫摻量的增加，改良土的CBR值逐漸增大，極好地證明了砂礫對(duì)高液限粉土的承載能力具有良好的改良作用。根據(jù)規(guī)范要求路基填土的CBR應(yīng)大于8%，作為地基材料，其CBR值理應(yīng)不低于此標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖5所示，當(dāng)砂土混合比達(dá)到1:1時(shí)，改良土的CBR值為10.39%，可滿足工程要求。

圖5 砂土配合比對(duì)CBR的影響

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)砂礫改良有機(jī)質(zhì)高液限粉土開(kāi)展液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)以及加州承載比試驗(yàn)，研究了摻砂量對(duì)高液限粉土液塑性、擊實(shí)性及承載力等物理力學(xué)性質(zhì)的影響，分析了砂礫改良高液限粉土的物理力學(xué)性質(zhì)的機(jī)理。主要結(jié)論如下：

(1)在高液限粉土中摻砂可以降低土體的液塑限值與塑性指數(shù)，說(shuō)明摻砂可有效改善高液限粉土的可塑性；改良土的液塑限隨摻砂量的增加而降低，且摻砂量對(duì)高液限粉土塑限的降低效果更加顯著。

(2)摻砂量可以降低改良土的最優(yōu)含水率，提高其最大干密度。隨著砂土配合比的增大，改良土的最優(yōu)含水率先迅速降低，而后趨于平緩；最大干密度先迅速增大，而后增速降低。

(3)隨著砂土配合比的增大，改良土的吸水膨脹量將降低，吸水量先增高后降低；砂礫可顯著改善高液限粉土的承載能力，改良土的CBR隨摻砂量的增大而增大，且當(dāng)砂土配合比為1:1時(shí)，CBR值可以達(dá)到10.39%，可滿足規(guī)范要求。