高液限土路基摻沙改良路用特性試驗

徐奮強,洪寶寧,孟云梅

(1.南京工程學院建筑工程學院,江蘇南京 211167;2.河海大學巖土工程研究所,江蘇南京 210098)

高液限土路基摻沙改良路用特性試驗

徐奮強1,洪寶寧2,孟云梅1

(1.南京工程學院建筑工程學院,江蘇南京 211167;2.河海大學巖土工程研究所,江蘇南京 210098)

為了研究高液限土路基摻沙改良的長期水穩(wěn)定性和強度特性,以最大干密度、界限含水率、浸水CBR強度值作為路用特性分析的控制參數(shù),進行室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗。依據(jù)不同摻沙量和壓實度條件下各控制參數(shù)的變化規(guī)律確定最優(yōu)摻沙比;在最優(yōu)摻沙條件下,進一步分析路用水穩(wěn)定性與施工控制參數(shù),即含水率、壓實度、擊實功的變化規(guī)律,獲得水穩(wěn)定性和強度兼顧的施工參數(shù)最佳組合。試驗表明,以空氣率和飽和度作為路基施工質(zhì)量檢測雙指標控制方法,可以彌補現(xiàn)行規(guī)范僅以壓實度作為單一質(zhì)量評價標準的不足。

高液限土路基;摻沙改良;路用特性;質(zhì)量指標

我國高液限土分布廣泛[1-2],為提高工程質(zhì)量,許多學者在高液限土改良方面進行了大量工作,取得了一些有益的成果:Tonoz[3]研究了高液限土中加入4％生石灰28 d后的強度特點;Guney等[4]通過高液限土干濕循環(huán)試驗,得到4個循環(huán)后強度趨于穩(wěn)定的結(jié)論;曾靜等[5]進行了高液限土摻石灰改良試驗,獲得了改良后高液限土的強度變化規(guī)律;李方華[6]通過試驗,得到不同高液限土的最佳摻沙礫石比;程濤等[7]通過試驗,獲得了水泥改良高液限土的最佳配比等。然而由于問題的復(fù)雜性,如高液限土改良后作為路基填料的水穩(wěn)定性以及填筑質(zhì)量的檢測等問題仍需進一步研究。本文以廣東省某高速公路高液限土路基摻沙改良填筑工程為例,從高速公路對路基的強度和水穩(wěn)定性要求出發(fā),通過理論分析、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗路段檢測,研究以最大干密度、界限含水率、浸水CBR強度值作為路用特性分析控制參數(shù)的摻沙比確定方法,明確施工控制參數(shù)含水率、壓實度、擊實功與施工檢測雙指標飽和度、空氣率及路基合格驗收標準壓實度、CBR強度之間的相互關(guān)系,確定評定路基長期水穩(wěn)定性和強度的施工質(zhì)量檢測方法,為合理利用高液限土提供施工、設(shè)計依據(jù)。

1 樣本的物理力學指標

高液限土取自擬作為某高速公路高液限土路基摻沙改良填筑試驗段的填土場,其物理、力學指標試驗按規(guī)范[8]測試6組,代表性結(jié)果如下:天然密度為:1.71g/cm3,含水率為23.2％,干密度為1.39g/cm3,土粒相對密度為2.68,液限wL為62.2％,塑限wP為27.6％,塑性指數(shù)Ip為34.6,細粒質(zhì)量分數(shù)為84.93％,CBR強度值為2.8％,不均勻系數(shù)Cu為7.8(＞5),曲率系數(shù)Cc為2.1,在1～3之間,級配良好。各粒徑質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比為:小于2mm的占94％,小于0.5mm的占58％,小于0.25mm的占24％,小于0.074mm的占12％。

2 最優(yōu)摻沙比的確定

高液限土路基摻沙改良的相關(guān)研究多側(cè)重于根據(jù)土體壓實度和強度確定摻沙量,如依據(jù)細顆粒含量[9]、干縮開裂[10]等,少有考慮路基強度、長期水穩(wěn)定性等工程特性的綜合效應(yīng)。高液限土路基摻沙改良主要解決路基強度和水穩(wěn)定性問題,具體工程特性為土體密實程度、強度特點、水環(huán)境平衡能力。本文以最大干密度、界限含水率、CBR強度值并兼顧經(jīng)濟效益確定最優(yōu)摻沙比。最大干密度ρd是公認的路基填筑密實控制的主要指標;界限含水率是反映土體結(jié)構(gòu)特性的參數(shù),能反映與自然水環(huán)境的適應(yīng)程度,JTG F10—2006《路基施工技術(shù)規(guī)范》[11]明確規(guī)定,wL＞50％,Ip＞26,含水率不適宜直接壓實的細粒土,不得直接作為路堤填料;浸水CBR強度值本質(zhì)上能反映路基浸水條件下的長期穩(wěn)定性。

摻沙率m定義為干沙質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。根據(jù)課題組在廣東云羅高速公路進行的摻沙改良高液限土路基經(jīng)驗[12],并借鑒有關(guān)高速公路的做法,進行以0％、15％、18％、20％、25％、30％6種不同摻沙率條件下最大干密度、界限含水率、浸水CBR強度值的室內(nèi)試驗,每項指標做6組平行試驗,舍棄3倍標準差意外數(shù)據(jù)并補做試驗,取其均值為試驗成果。分析各指標的變化規(guī)律,綜合確定高液限土的摻沙率。

2.1 最大干密度

在實驗室將高液限土烘干、過2mm篩,擊實制備成不同摻沙率的試樣,測得最優(yōu)含水率wopt和ρd,見表1。由表1可知,ρd隨著m的增加而呈線性增加:

表1 高液限土摻沙擊實試驗結(jié)果

可見,m從20％到25％時,ρd增幅較大,達到2.2％;m從25％到30％時,ρd增幅變緩;m超過30％時對ρd的改良效果不佳,也不經(jīng)濟。故從ρd的角度確定m為20％～25％時效益明顯。

2.2 界限含水率

采用液限、塑限聯(lián)合測定儀在實驗室測定界限含水率。摻沙后,粗顆粒增加,土粒比表面積減小,土體的wP增加,結(jié)果見表1。當m達到20％時,wL降幅明顯,相比15％降幅達7.8％;而m=25％相比20％,wL降幅較小,僅為2.5％,且wL=47％仍接近50％,說明m對于降低高液限土wL效果并不顯著。m＞30％時,wL減小幅度更小,經(jīng)濟上也不可行。故從液限角度確定m的上限為25％～30％相對合理。

2.3 CBR強度值

土樣素土風干過2mm篩。摻沙試樣含水率控制為最優(yōu)含水率,采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的CBR-1型承載比試驗儀測試土樣CBR強度值。CBR強度值與摻沙率的關(guān)系見圖1(a)。m在15％～30％時,CBR強度值(以RCBR表示)達到10,呈線性增加,增幅明顯,強度較高,完全滿足工程強度需求。m為15％～18％時,雖能滿足路基強度要求,但wL＞50％仍為高液限土,未達JTG F10—2006的要求。m為20％～25％時,wL為47％,雖低于50％但仍偏高。而m=30％時wL降幅相比25％僅降0.6％,因此繼續(xù)增大摻沙率不經(jīng)濟。CBR強度值與m的關(guān)系為

圖1 CBR強度值與摻沙率及含水率的關(guān)系

由此可見:①m的遞增能夠使細顆粒的作用減弱,ρd增加使得抗剪強度增大,表現(xiàn)為m為20％～30％時強度增幅較突出,另外粗粒沙的增多可促進水分排出,壓實度易于保證;②m為20％～30％時,wL＜50％,滿足規(guī)范,但從強度提高幅度和安全儲備及經(jīng)濟效益角度考慮,m為25％～30％時較合理。

因高液限土路基摻沙改良的關(guān)鍵是最大干密度和浸水CBR強度值,如此雖滿足了土體強度和水穩(wěn)定性要求,但為使液限滿足小于50％的規(guī)范硬性要求,并考慮一定的安全儲備,m宜大于25％,且界限含水率改善效果最佳的m為25％。綜合對比可見,m為25％時各控制參數(shù)相對比較理想,可視為最優(yōu)摻沙率。

3 改良土水穩(wěn)定性和強度特點

高液限土毛細現(xiàn)象嚴重,干縮濕脹,具有裂隙性和崩解性的特點,其路基的破壞往往是雨后長期浸泡和自然環(huán)境干濕交替造成的,因此施工中含水率的控制問題比較關(guān)鍵。一方面,高液限土壓實后CBR強度峰值所對應(yīng)的含水率并不是最優(yōu)含水率[13];另一方面,高液限土最優(yōu)含水率與其天然含水率相差懸殊,易受自然水環(huán)境影響,不利于路基水穩(wěn)定性。含水率高,強度水平低;含水率低,水穩(wěn)定性差,故高液限土路基摻沙改良采用何種含水率既能保證長期水穩(wěn)定性和強度,又能保證最佳壓實效果是研究的關(guān)鍵。

3.1 CBR強度值與含水率的關(guān)系

試樣含水率的選取參照規(guī)范,以wopt±2％為基準擴展為:wopt-2％、wopt、wopt+2％、wopt+3％、wopt+4％、wopt+5％、wopt+6％。壓實度K取為90％、92％、93％、94％、95％的區(qū)域。擊實試驗依據(jù)擊實桶體積、含水率和最大干密度的關(guān)系換算出土料質(zhì)量,分3層擊實制成不同壓實度和含水率的土樣。浸水96 h后測CBR強度值,結(jié)果見圖1(b)。

由圖1(b)可見,試樣的CBR強度值存在明顯的峰值,其對應(yīng)的含水率為wopt+4％,主要是因為高液限土礦物成分(如蒙脫石、伊利石)細顆粒多,膠粒成分占優(yōu),持水性強所致;含水率為wopt-2％時,CBR強度值僅為3.1％～3.7％,安全儲備較小,應(yīng)予舍棄;對比含水率較低的wopt和較高的wopt+6％,不同壓實度CBR強度值變化范圍分別為3.5％～4.6％和3.7％～4.5％,雖滿足規(guī)范要求,但強度水平偏低,僅適于下路堤的填筑,即滿足壓實度為90％～93％的強度要求;含水率在wopt+2％～wopt+5％時,CBR強度值達5.4％～7.2％,可滿足下路堤壓實度為93％～95％的強度要求。故不同的施工含水率能滿足的強度和壓實度應(yīng)區(qū)別對待。

3.2 CBR強度值與水穩(wěn)定性的關(guān)系

高液限土摻沙改良路基的水穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在兩個方面:一是天氣的曝曬和雨淋的交替作用,二是雨水長期浸泡作用。實驗室可采用干濕循環(huán)和浸水試驗來模擬。干濕循環(huán)以土樣浸水4 d、風干2 d,計為0次循環(huán),然后按浸水1d和風干2d為1次循環(huán)。浸泡試驗設(shè)計為不同含水率土樣擊實后分別在室內(nèi)浸水1 d、4 d、6 d,再測試CBR強度值。因篇幅所限不列舉平行試驗數(shù)據(jù),借鑒經(jīng)驗,試樣含水率取3種:wopt、wopt+4％、wopt+6％,壓實度取90％、92％、93％、94％、95％。試樣風干以室溫(約30℃)自然風干,經(jīng)5次循環(huán)后測得高液限土的CBR強度值。試驗結(jié)果見圖2(a)(b)(c)所示。

圖2 不同含水率試樣CBR強度值與干濕循環(huán)關(guān)系

試樣經(jīng)干濕循環(huán),土體強度逐漸降低,經(jīng)4、5次循環(huán)后,基本穩(wěn)定,CBR強度值為3.3％～4.7％,滿足下路堤壓實度為90％～93％的要求,且有一定的安全儲備。但對于上路堤壓實度為94％～95％區(qū)域,干濕循環(huán)5次穩(wěn)定后的土體CBR強度值為2.9％～3.2％,不能滿足要求。故摻沙改良高液限土不適合填筑壓實度要求較高的上路堤,主要因為:①在干濕循環(huán)作用下,摻沙改良土體受脫水和吸水交替作用產(chǎn)生沙化和裂隙雙重作用。壓實度越大,沙粒骨架作用越明顯,土體沙化和裂縫作用對土體的影響越顯著,CBR強度衰減越快。②在干濕循環(huán)初期,高液限細粒土中基質(zhì)吸力發(fā)揮作用,阻礙裂隙的擴展,土粒周邊的水膜作用封閉裂隙,使得土體保持一定的強度;隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,裂隙和沙化作用減弱,裂隙擴大,沙粒間形成水道,水膜作用消失,細粒土內(nèi)部基質(zhì)吸力趨于均勻,強度趨于平衡。

由圖3可知,試樣在低含水率時無論浸泡時間長短,強度都很低,說明高液限土不適于低含水率施工;試樣強度不僅與含水率有關(guān),同時也與浸水時間密切相關(guān),試樣浸水1 d的強度在wopt+2％時達到峰值,浸水4 d時強度峰值發(fā)生在wopt+4％處,而浸水6 d的強度與4 d強度變化不大,基本趨于穩(wěn)定。說明CBR強度值采用浸水4 d強度是合理的,既符合自然環(huán)境情況又偏于安全。故從水穩(wěn)定性看,摻沙改良高液限土僅適宜填筑下路堤、壓實度為90％～93％、含水率為wopt～wopt+6％的情況。

圖3 不同浸水時間含水率與CBR強度值關(guān)系

3.3 CBR強度值、含水率與擊實功的關(guān)系

對不同含水率的土樣按不同擊數(shù)進行擊實,擊實方式采用等能量遞增方式,采用24、49、74、98、112擊數(shù),擊實結(jié)果見圖4。

圖4 擊實功與CBR強度值的關(guān)系

由圖4可見,不同含水率的CBR強度值隨擊實功的不同有明顯的差異。從曲線斜率看,含水率為wopt+4％時,CBR強度值增幅明顯;當含水率為wopt時,CBR強度值增大,但增幅偏小,強度偏低,為3.0％～4.4％,說明低含水率時,提高擊實功可以得到較高的壓實度和強度,但擊實功效偏低,安全儲備小,不建議采用;含水率為wopt+2％時,強度增幅稍大,CBR強度值在74擊以上能達到4.0％～6.0％,若提高擊實功,擊數(shù)達到112擊也能提高強度,但擊實功效不理想,故控制一定的含水率,可采用提高擊實功方式提高CBR強度;當含水率達到wopt+4％時,CBR強度值達到8.3％,強度較高,增幅顯著,擊實功效率較高且能耗較小,相對理想,推薦使用,但擊數(shù)達到112擊時,強度增幅緩慢,說明應(yīng)同時控制含水率和擊實功的大小,才能達到強度、水穩(wěn)定性、施工效率最佳的狀態(tài);當含水率為wopt+6％時,CBR強度較低,增幅變緩,能耗高,應(yīng)予舍棄。由于超壓或軟彈現(xiàn)象,擊實功過大可造成土體過擊破壞,應(yīng)慎重加大擊實功和施工含水率。由此可見,檢測評判指標CBR強度、水穩(wěn)定性與施工參數(shù)擊實功、含水率密切相關(guān),相互制約。含水率控制不當,強度難以保障;盲目增大擊實功,土體因超壓變密,將吸水膨脹,導(dǎo)致路基水穩(wěn)定性不良。故不同的施工含水率宜控制不同的擊實(碾壓)功。

綜上所述,可獲得高液限土路基摻沙改良的最佳施工參數(shù)組合含水率為wopt+4％,壓實度為90％～93％,擊實功為74～98擊。

4 施工質(zhì)量檢測方法

高液限土區(qū)域性強,差異大,高液限土地區(qū)高速公路建設(shè)難以形成統(tǒng)一的設(shè)計和施工規(guī)范,更無相應(yīng)的質(zhì)量檢測標準?，F(xiàn)行規(guī)范僅以壓實度作為路基質(zhì)量檢驗標準難以反映水穩(wěn)定性問題。土體壓實過程實為氣體擠密排出的過程,空氣含量不可能減小至零,一般氣體占土體體積不小于3％[14],所以氣體的含量是決定壓密的關(guān)鍵。而飽和度與含水率、氣體含量有直接的關(guān)系,被相關(guān)學者用于高液限土的研究[15]。飽和度高,含水率高,氣體量少,強度低;飽和度低,孔隙大,吸水量大,水穩(wěn)定性差。故飽和度和空氣率(定義為空氣體積與土體總體積的百分比)雙指標標準對高液限土檢測具有很好的適用性,能反映壓實度和水穩(wěn)定性問題。因此,建議以空氣率、飽和度作為檢測指標,而以壓實度和CBR強度值作為評價標準,形成施工、檢測、評價的完整體系。高液限土摻沙改良土體的空氣率、飽和度測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 摻沙25％改良土空氣率試驗結(jié)果

從表2可知,含水率為wopt時:①壓實度為90％時的飽和度偏低,僅為64.8％,而空氣率較大,達到13.6％,土體易于壓縮;②擊實功增加,壓實度增大,空氣率驟減,壓實度從90％增至93％時,空氣率減小2.9％,減小幅度達21.3％,但飽和度增幅偏低,增加6％,增幅為9.2％;③繼續(xù)擊實,壓實度從93％到95％,空氣率僅減小2％,持續(xù)擊實則導(dǎo)致功效浪費,說明土體壓實困難,也可以證實低含水率土體不宜填筑壓實度要求較高的上路堤。

當含水率為wopt+6％時,土體在較小壓實度(90％)就能達到較低的空氣率(3.8％)和較大的飽和度(90.2％)。表明高含水率土體飽和度較高,空氣率較低,土顆粒間潤滑作用使土體易于壓實,但強度不高,過壓易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞,說明土體施工含水率上限可為wopt+6％。

當含水率在wopt+2％～wopt+5％時,空氣率為2.9％～10.3％,飽和度為73.4％～92.1％,壓實度、土體強度、水穩(wěn)定性能夠滿足工程要求,并且在含水率為wopt+4％、壓實度90％～93％時,空氣率為3.9％～6.0％,飽和度為82.0％～89.3％,處于均衡水平,是較理想的施工參數(shù)?？梢?理想狀態(tài)應(yīng)控制含水率為wopt+4％進行施工。

5 現(xiàn)場驗證

某高速公路K30+500—K30+800路段,高液限土wL=57.6％,wP=27.6％,小于0.074mm的細粒含量為82.9％,為高液限粉土,素土ρd=1.78g/cm3,在壓實度為99.7％的條件下,CBR強度值為3.0％,不滿足路基用土的技術(shù)條件,須進行改良處理。由于該高液限土細顆粒含量較高,較適合摻沙改良?？刂苖=25％,分段控制含水率為wopt+2％、wopt+4％、wopt+5％進行對比分析。碾壓設(shè)備采用22 t壓路機,碾壓方式為:先靜壓一遍找平,再大振一遍,此后小振與靜壓循環(huán)依次碾壓。選取代表性碾壓遍數(shù)時各項參數(shù)進行對比分析,試驗記錄見表3。

表3 壓實度、CBR強度值與空氣率和飽和度雙指標檢測結(jié)果

由表3可見,碾壓7遍時,低含水率wopt+2％相比較高含水率wopt+4％、wopt+5％的CBR強度值偏低,而空氣率指標偏大,飽和度偏低;增加碾壓1遍,強度增大,空氣率和飽和度變化不大,說明土體孔隙較大,對水穩(wěn)定性不利。施工中應(yīng)做好防水和隔熱措施,如包邊、綠化等。含水率為wopt+4％時,土體CBR強度值較高,空氣率低至限值,飽和度達90.9％,對水穩(wěn)定性有利,繼續(xù)碾壓困難;在含水率為wopt+5％時,土體碾壓5遍強度達較高值,但較wopt+4％時降低,繼續(xù)碾壓至6遍,空氣率和飽和度變化較小,強度不再增加,但飽和度偏高,易導(dǎo)致土體過壓反彈破壞,應(yīng)注重檢測,確保路基質(zhì)量?，F(xiàn)場碾壓試驗表明,高液限土高含水率摻沙改良土體填筑時,強度水平、壓實度低,空氣率小,飽和度高,路堤水穩(wěn)定性較好,不宜超壓;低含水率填筑時,強度水平低,壓實度高,空氣率大,飽和度小,路堤水穩(wěn)定性低,可提高擊實功以保證強度。而空氣率和飽和度雙指標與壓實度和強度有較好的對應(yīng)關(guān)系,能夠反映土體的壓密程度和水穩(wěn)定性,可以作為路基填筑工程施工的檢測指標。

6 結(jié)論

a.摻沙改良高液限土,強度隨含水率的增加呈先增加后減小的趨勢,存在強度峰值。強度峰值對應(yīng)的含水率為wopt+4％,略大于最優(yōu)含水率,這與高液限土體持水特征有關(guān),不同類型的土需試驗確定。

b.摻沙改良高液限土不適于填筑壓實度要求較高的上路堤,其水穩(wěn)定性偏低,但能滿足下路堤強度和水穩(wěn)定性的要求。

c.高液限土摻沙改良路基,m為25％,含水率為wopt+4％,壓實度為90％～93％,擊數(shù)為74～98擊時,路基的強度、水穩(wěn)定滿足耐久性要求,較經(jīng)濟、節(jié)約,為最佳施工組合狀態(tài)。

d.高液限土路基摻沙改良填筑施工,采用飽和度和空氣率雙指標檢測施工質(zhì)量時,飽和度宜為73.4％～92.1％,空氣率為2.9％～10.3％,能夠保證路基長期使用的強度和水穩(wěn)定性需求。

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Experimental study on road properties of high liquid limit soil improvement by mixing sand

//XU Fenqiang1,HONG Baoning2,MENG Yunmei1(1.Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China;.2.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to study road properties of mixing sand improvement,the high liquid limit soil,the maximum dry density,the limit moisture content and soaking CBR value all serve as control parameters for optimal sand ratio.Thus,the aim of the present study is to predict the optimal sand ratio with the change rule under condition of sand contents and degree of compaction taking into account economic benefit.The optimal construction control combination were obtained by varying characters of CBR value,water stability,the moisture content,degree of compaction and the compaction power in optimum sand content.Overall,the result suggested that air ratio and saturation can be used as a criterion of construction quality control.Further,this finds will improve the deficiency of the present standard,which used compaction solely as construction quality control.

high liquid limit soil subgrade;mixing sand improvement;road properties;the two-parameter control

U416.1

:A

:1006-7647(2014)06-0076-06

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.016

2014-03-06 編輯:胡新宇)

河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室開放基金(GH201204);廣東省交通運輸廳科技項目(科技-2013-01-003)

徐奮強(1975—),男,山東菏澤人,博士研究生,主要從事復(fù)合地基測試研究。E-mail:xfq102@sina.com