高液限土摻拌碎石粉或河砂改良試驗(yàn)研究

王永奇、劉茂

（中交一公局集團(tuán)有限公司海外分公司，北京 100024）

0 引言

由于高液限土具有區(qū)域性明顯的不良特性，國(guó)內(nèi)外對(duì)高液限土的應(yīng)用也已經(jīng)有大量研究。施工項(xiàng)目結(jié)合道路沿線廣泛分布高液限土的實(shí)際情況，對(duì)沿線的舊路基、挖棄方和臨近施工沿線潛在的借土場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)土壤材料的調(diào)查，經(jīng)試驗(yàn)室取代表性樣品試驗(yàn)后對(duì)材料的塑性指標(biāo)和適用性進(jìn)行分析，以此來確定在項(xiàng)目道路經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸距離內(nèi)獲取合適和充足的路基和選擇性路基施工材料來源。

1 項(xiàng)目概況及原因分析

某施工項(xiàng)目為既有的一條礫石路升級(jí)改擴(kuò)建工程，是采用以美國(guó)AASHTO 和英國(guó)BS 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系為基礎(chǔ)建立的道路工程通用技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工[1]，確定該項(xiàng)目道路設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅱ。項(xiàng)目施工跨度大，主線長(zhǎng)105km。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期，根據(jù)設(shè)計(jì)部門資料初步統(tǒng)計(jì)，普通挖方23 萬m3，普通填方180 萬m3，路床頂面選擇性材料G15 填方23 萬m3，施工填挖方數(shù)量巨大。從業(yè)主提供的投標(biāo)文件和相關(guān)文獻(xiàn)中獲知施工道路沿線天然土壤材料的塑性指標(biāo)普遍偏高，大部分不能滿足規(guī)范要求。

通過對(duì)施工道路沿線土壤材料的實(shí)地調(diào)查和試驗(yàn)室內(nèi)一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，詳細(xì)了解該施工區(qū)域天然土壤的特性，就如何因地制宜地將高液限土改良后滿足施工規(guī)定材料特性要求，最終確定切實(shí)可行的高液限土適用性解決方案，增加材料的使用效率、降低工程成本，確保項(xiàng)目施工高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量地完成，為高液限土的路基設(shè)計(jì)與施工提供一些參考。此外，如果只簡(jiǎn)單地將普通挖方段高液限土作為棄方進(jìn)行處理，不僅會(huì)給項(xiàng)目增加借用材料的成本，還會(huì)給沿線的生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)土壤材料調(diào)查目的

其一，調(diào)查以砂礫鋪筑的舊路基土材料的質(zhì)量和強(qiáng)度特性，為新路基路面設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

其二，調(diào)查沿線挖棄方的材料用于路基回填的適用性；

其三，調(diào)查道路沿線臨近區(qū)域潛在的借土材料的確切位置以及其估計(jì)數(shù)量、覆蓋層厚度、特性和對(duì)環(huán)境的影響，通過相關(guān)材料技術(shù)參數(shù)對(duì)選擇區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步深入調(diào)查，用于為評(píng)估材料的質(zhì)量或塑性指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)提供明確的意見。

1.2 材料的調(diào)查和鑒別

通過對(duì)項(xiàng)目舊路、挖棄方以及潛在借土場(chǎng)代表性土樣試驗(yàn)檢測(cè)其基本物理性指標(biāo)，包括材料的顆粒組成（濕篩法）、級(jí)配模量、塑性指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)密度、浸泡4天的CBR 值及膨脹量等。根據(jù)試驗(yàn)平均測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析：

1.2.1 沿線舊路基和挖棄方土質(zhì)材料的分類[2]，其中砂黏質(zhì)土與砂粉質(zhì)土占總量的73%，如表1 所示。

表1 試樣按照土壤統(tǒng)一分類法USCS 方法進(jìn)行分類

1.2.2 如表2 所示有55%的試樣液限值大于50。

表2 舊路基和挖棄土材料液限匯總表

1.2.3 經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)多數(shù)舊路和挖棄方試樣強(qiáng)度等級(jí)為G7，其次是G15，而大多數(shù)借土場(chǎng)材料強(qiáng)度等級(jí)為G15，其次是G7，如表3 所示。

表3 工程道路沿線所有試樣材料的強(qiáng)度等級(jí)類別

1.2.4 舊路和挖棄方所取土樣液限值普遍小于60，塑性指數(shù)小于25，其中在舊路基Km35—Km65 路段中有65% 的土樣液限大于50，多數(shù)樣品液限值在55%～65% 之間；95% MDD 的CBR 值大多在11%～28%區(qū)間變化。

1.2.5 規(guī)范要求的CBR 膨脹量≤2%，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果CBR 膨脹量值在0.04%～0.86%之間。由于試驗(yàn)研究的材料分類主要強(qiáng)調(diào)是界限含水量，其次是CBR強(qiáng)度，以及一些來自挖方段的優(yōu)質(zhì)路基材料，按照路基材料的要求應(yīng)滿足G15 的技術(shù)性能指標(biāo)，但大部分選擇性路基材料預(yù)計(jì)來自借土場(chǎng)。

1.2.6 從借土場(chǎng)材料塑性指標(biāo)可以看出，借土場(chǎng)的多數(shù)樣品液限值在50%～60%之間，其平均PI 均小于25%，是G15 材料允許的最大PI 值。然而，同一個(gè)借土場(chǎng)每個(gè)試坑的PI 值均有所不同，在9 個(gè)借土場(chǎng)81個(gè)試樣中有9 個(gè)樣品PI 值超過25%，根據(jù)借土場(chǎng)材料的物理特性需要對(duì)界限含水量進(jìn)行改善才能符合規(guī)范材料的規(guī)定要求。

1.3 確定試驗(yàn)方案

1.3.1 由于高液限土具有區(qū)域性強(qiáng)的特性，在同一個(gè)借土場(chǎng)的不同地點(diǎn)土體性質(zhì)差異性也很大，結(jié)合對(duì)材料調(diào)查的實(shí)際情況，綜合分析借土場(chǎng)所有土樣的試驗(yàn)結(jié)果，在Km43+750 借土場(chǎng)5 個(gè)試坑中的樣品液限均大于60%，塑性指數(shù)均大于30%，并且3 號(hào)試坑和1 號(hào)試坑中土的液限值分別靠近60%和70%，因此決定將Km43+750 借土場(chǎng)中3 號(hào)試坑和1 號(hào)試坑中的素土作為此次研究的代表性試樣（見表4）。

表4 Km43+750 借土場(chǎng)素土的基本物理性質(zhì)

由于當(dāng)?shù)睾由爱a(chǎn)量豐富，項(xiàng)目沿線取砂容易，且價(jià)格便宜；此外，為了就近有效利用挖棄方高液限土，通過添加少量河砂或石粉改良后用于施工，使其符合規(guī)范要求（見表5），以減少棄方量，達(dá)到合理利用、降本增效的目的。因此，在試驗(yàn)室內(nèi)選用摻拌0～4mm的機(jī)軋碎石粉/河砂（屬中砂）兩種改良方案對(duì)高液限土進(jìn)行改良摻拌試驗(yàn)。

表5 規(guī)范G7 和G15 材料性能技術(shù)指標(biāo)要求

1.3.2 高液限土的室內(nèi)改良試驗(yàn)

摻拌石粉/河砂改善高液限土的塑性指數(shù)的主要目的是通過削弱細(xì)顆粒對(duì)土的性質(zhì)的影響，將土體的界限含水量降低到可以接受范圍內(nèi)，同時(shí)在符合規(guī)范要求下，優(yōu)化石粉/河砂的摻拌用量，從而達(dá)到改良的目的。

1.3.3 摻拌試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容為∶摻拌石粉/河砂的比例按照0%、10%、15%、20%和25%（內(nèi)摻法），同時(shí)考慮方便現(xiàn)場(chǎng)摻拌施工工藝的需要，試驗(yàn)時(shí)選取質(zhì)量比外摻法進(jìn)行摻拌，使其摻拌比例盡可能接近內(nèi)摻法，以供試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。因此外摻法比例為（素土∶石粉/河砂）9∶1、5∶1、4∶1、3∶1，相對(duì)應(yīng)的內(nèi)摻法比例10%、16.7%、20%、25%。將摻拌分成4 組進(jìn)行試驗(yàn)，分別取3 號(hào)坑和1 號(hào)坑各一組素土摻拌石粉與3 號(hào)坑和1 號(hào)坑各一組素土摻拌河砂，通過試驗(yàn)對(duì)3 號(hào)坑和1 號(hào)坑的土樣在不同摻量石粉/河砂后塑性指標(biāo)的變化規(guī)律的研究。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，摻拌石粉/河砂對(duì)土樣液塑限改善呈線性規(guī)律，在相同的石粉/河砂摻拌比例下對(duì)土樣液塑限改善效果無太大的差別。

表6 摻拌石粉/河砂對(duì)高液限土改善的試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)論

其一，由表6 可以看出，當(dāng)石粉/河砂摻量為10%時(shí)，無論摻拌前素土液限為60%或70%的土樣，經(jīng)摻拌后其液限和塑性指數(shù)均有較常大的改善，液限LL普遍能降低到50%左右，塑性指數(shù)PI 下降幅度不大，但也能降低至25 左右。其二，由表6 及圖1～圖4 可以看出，當(dāng)繼續(xù)增加石粉/河砂的摻拌比例時(shí)，液限和塑性指數(shù)的線性雖然有所改善，但改善效果不明顯。其三，由表6 看出，隨著石粉/河砂摻量的增加，改善后的高液限土CBR 值也逐漸增加，但是增幅不大。其四，經(jīng)摻拌15%石粉/河砂改善后的高液限土，其液限和塑性指數(shù)便能夠滿足規(guī)范要求，從施工成本角度考慮，利用便利的當(dāng)?shù)睾由案纳聘咭合尥習(xí)咏?jīng)濟(jì)。其五，根據(jù)對(duì)天然土壤的實(shí)測(cè)物理性質(zhì)，利用合理的摻量改善普通棄方土及舊路臨近借土場(chǎng)的高液限土，以滿足改良后路基回填材料的適用性能和經(jīng)濟(jì)性。其六，由于影響高液限土塑性指標(biāo)的主要是小于0.425mm 的顆粒，因此改善材料石粉/河砂中小于0.425mm 的顆粒含量的高低也對(duì)改善高液限土塑性指標(biāo)起關(guān)鍵性作用。其七，天然土材料中所含黏土礦物的數(shù)量和類型不同，相同的液限值也可能具有非常不同的特征。

圖1 3 號(hào)試坑試樣摻拌不同比例石粉的液限和塑性指數(shù)變化線性圖

圖2 3 號(hào)試坑試樣摻拌不同比例河砂的液限和塑性指數(shù)變化線性圖

圖3 1 號(hào)試坑試樣摻拌不同比例石粉的液限和塑性指數(shù)變化線性圖

圖4 1 號(hào)試坑試樣摻拌不同比例河砂的液限和塑性指數(shù)變化線性圖