高液限土物理特性與路基填筑試驗(yàn)研究

■肖芳芳

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004）

1 引言

福建省高液限粘土大都屬于花崗巖類殘積土，該土天然含水率大，液限高，塑性指數(shù)大，水穩(wěn)定性差，盡管在低含水量情況下它能達(dá)到較高的強(qiáng)度，但由于其顆粒微觀勢(shì)能嚴(yán)重不平衡，極易受自然降水、地下水或地表水影響，甚至強(qiáng)烈從大氣中吸收水分，吸水后的路基發(fā)生膨脹，密度減小，強(qiáng)度急劇下降，在行車荷載和土自重作用下，發(fā)生不均勻沉降、開裂、橫向位移等病害。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高液限土通常存在一種最佳狀態(tài)，在該狀態(tài)下，其顆粒排列最優(yōu)（擊實(shí)功最佳），含水率最佳，穩(wěn)定強(qiáng)度（浸水CBR值）較大（可滿足規(guī)范的最小強(qiáng)度要求），脹縮量較小[1]。

福州莆炎高速公路某合同段93區(qū)路基進(jìn)行填筑前，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)填料選取區(qū)域K98+685～K98+795土的液限為54.6，塑性指數(shù)為27.7，為高液限土。根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F10-2006）規(guī)定：液限大于50%、塑性指數(shù)大于26、含水率不適宜直接壓實(shí)的細(xì)粒土，不得直接用于填筑路基，確需使用時(shí)，必須采取技術(shù)措施進(jìn)行處理，經(jīng)檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求后方可使用[3]。

《福建省高液限土路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB35/T 1640-2017）規(guī)定：用于公路路基填筑的高液限土的CBR值應(yīng)于大3且其液限宜小于70%[4]。為此，對(duì)該段高液限土進(jìn)行專題試驗(yàn)研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路鋪筑，獲取該高液限土的合理含水率、擊實(shí)功和施工工藝，使其滿足強(qiáng)度和水穩(wěn)性要求，用于該路段93區(qū)路基填筑，從而降低工程造價(jià)，并達(dá)到節(jié)約土地、環(huán)保的目的。

2 室內(nèi)試驗(yàn)研究

對(duì)填筑區(qū)高液限土進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，為尋找該高液限土“最佳狀態(tài)”奠定基礎(chǔ)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：液塑限、塑性指數(shù)，顆粒分析，土粒比重，分類、定名，天然含水率，天然稠度，常規(guī)重型擊實(shí)功下最大干密度、最佳含水率，得到其基本物理性能指標(biāo)，詳見表1。

隨后，進(jìn)行濕法標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，求取最大干密度和最佳含水率，在此基礎(chǔ)上調(diào)整含水率與擊實(shí)功，進(jìn)行濕法制件，測(cè)其泡水96小時(shí)后承載比、密實(shí)度、膨脹率、吸水量等指標(biāo)，找到該高液限土滿足浸水CBR≥3.0的“最佳狀態(tài)”。

根據(jù)本項(xiàng)目土的天然含水率及標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)結(jié)果，擬定土的可用含水率范圍為24%～30%，結(jié)合試驗(yàn)晾曬結(jié)果，實(shí)際擬定24.1%、26.0%、28.6%、30.2%四個(gè)控制含水率，分別采用 3×28、3×42、3×63 和 3×98 四種擊實(shí)功， 按濕法制作試件，測(cè)定干密度，泡水4晝夜后CBR值、膨脹量等指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土的強(qiáng)度（CBR）、干密度、飽和度、膨脹量、壓實(shí)度與含水率、擊實(shí)功之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

表1 土的基本物理指標(biāo)

表2 不同含水率、擊實(shí)功下土的性能

2.1 土的物理特性

2.1.1 強(qiáng)度（CBR）與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

在合理含水范圍內(nèi)，相同含水率的土體，強(qiáng)度隨擊實(shí)功的減小而減小，同時(shí)當(dāng)土體含水率較高時(shí)，土體強(qiáng)度隨擊實(shí)功的增大先增加后減小，也即當(dāng)土體含水率較高時(shí)，并非碾壓遍數(shù)越多得到的土體強(qiáng)度越高。對(duì)不同含水率的試驗(yàn)土樣采用相同的擊實(shí)功進(jìn)行擊實(shí)，在擊實(shí)功較大時(shí)強(qiáng)度隨含水率的增大先增大后減??；擊實(shí)功較小時(shí)強(qiáng)度隨含水率的增大而增大，見圖1。

圖1 強(qiáng)度（CBR）與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

2.1.2 干密度與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

在合理含水率范圍內(nèi)，相同含水率的土樣，干密度隨擊實(shí)功的減小而減??；同樣擊實(shí)功作用下，大體上土體干密度隨含水率的增加而減小，見圖2。因此為保證干密度滿足要求，土體含水率不能過(guò)高。

圖2 干密度與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

2.1.3 飽和度與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

在合理含水率范圍內(nèi)，相同含水率的土樣，飽和度隨擊實(shí)功的減小而減小，這與干密度變化規(guī)律一致。同樣擊實(shí)功作用下，土體飽和度隨含水率的降低而降低，見圖3。隨著含水率的降低，土體飽和度快速降低，由于土體飽和度過(guò)低，將形成較強(qiáng)的吸水勢(shì)能，一旦吸水將對(duì)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，因此在實(shí)際填筑過(guò)程中，需保證高液限土較高的飽和度，即較大的含水率。該含水率比最佳含水率要高。

2.1.4 膨脹量與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

圖3 飽和度與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

在合理含水率范圍內(nèi)，相同含水率的土樣，膨脹量隨擊實(shí)功的減小而增大，各設(shè)計(jì)擊實(shí)功對(duì)應(yīng)的膨脹量均小于5%。同樣擊實(shí)功作用下，土體膨脹量隨含水率的減小而增大，見圖4。因此實(shí)際填筑過(guò)程中，含水率不能過(guò)低，碾壓遍數(shù)不能過(guò)少，否則因?yàn)榕蛎浟窟^(guò)大，水穩(wěn)定性不能滿足要求。

圖4 膨脹量與含水率、擊實(shí)功關(guān)系

2.1.5 壓實(shí)度與含水率、擊實(shí)功的關(guān)系

在合理含水率范圍內(nèi)，相同含水率的土樣，壓實(shí)度隨擊實(shí)功的減小而減??；同樣擊實(shí)功作用下，大體上土體壓實(shí)度隨含水率的增加而減小，見圖5。說(shuō)明要達(dá)到一定的壓實(shí)度，擊實(shí)功不能過(guò)小，含水率不能過(guò)高。

圖5 壓實(shí)度與含水率、擊實(shí)功的關(guān)系

2.1.6 強(qiáng)度（CBR）與干密度、飽和度的關(guān)系

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，在合理含水率范圍內(nèi)，只有采用合理的擊實(shí)功，才能獲取較大的干密度、飽和度、較高的強(qiáng)度、較小的膨脹量，從而保證其較佳的水穩(wěn)定性。根據(jù)強(qiáng)度與干密度之間的關(guān)系，見圖6，強(qiáng)度與飽和度之間的關(guān)系，見圖7，土樣CBR強(qiáng)度與干密度、CBR強(qiáng)度與飽和度之間均存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而采用干密度、飽和度聯(lián)合對(duì)高液限土填筑質(zhì)量進(jìn)行控制，可以確保強(qiáng)度和水穩(wěn)性滿足要求。

圖6 強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

圖7 強(qiáng)度與飽和度的關(guān)系

2.2 制定室內(nèi)試驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)

在初步擬定的合理含水率即24%～30%范圍內(nèi)，通過(guò)實(shí)測(cè)壓實(shí)度、含水率和對(duì)應(yīng)的CBR值，綜合評(píng)判后，確定現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)度不得小于87%。同時(shí)，為了保證其水穩(wěn)定性，應(yīng)使飽和度大于80%，初步制定室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表3。待試驗(yàn)路填筑驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際情況與檢測(cè)結(jié)果調(diào)整含水率及其對(duì)應(yīng)的控制指標(biāo)。

表3 干密度（壓實(shí)度）和飽和度室內(nèi)試驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)

代表性土樣附近山頭高液限土，在顏色等外觀變化不大情況下，應(yīng)進(jìn)行必要的液限、塑限、顆粒分析、土粒比重、分類、定名、天然含水率、天然稠度等基本性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)。在液塑限、顆粒組成基本一致情況下，標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)下最大干密度與代表性土樣相差在±0.05g/cm3內(nèi)時(shí)可套用代表性土樣控制指標(biāo)，飽和度控制指標(biāo)需根據(jù)土粒比重進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。若在實(shí)際碾壓中發(fā)現(xiàn)控制指標(biāo)不易達(dá)到或過(guò)于寬松，以及土樣性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，請(qǐng)及時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。在含水率處于非整數(shù)時(shí)，可用內(nèi)插方法計(jì)算控制干密度與飽和度。

3 試驗(yàn)路鋪筑及結(jié)果分析

在K98+850～K99+050處進(jìn)行高液限土填筑試驗(yàn)，填料來(lái)源為K98+685～K98+795（室內(nèi)試驗(yàn)區(qū)）。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，將土晾曬至含水率為30%以下進(jìn)行碾壓。

3.1 試驗(yàn)路填筑設(shè)備及方法

試驗(yàn)路填筑主要設(shè)備為：壓路機(jī)（型號(hào)：廈工20T）、平地機(jī)（型號(hào)：PY160）、推土機(jī)（型號(hào)：SD16）及旋耕機(jī)（型號(hào)：KYDS-200）。

試驗(yàn)土樣進(jìn)行填筑前先進(jìn)行堆曬，控制松鋪厚度為20～25cm，待表層土晾曬較干（表面發(fā)白）后用推土機(jī)大致推平，并用旋耕機(jī)及時(shí)翻曬，測(cè)取含水率在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)用20t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，碾壓完畢進(jìn)行灌砂試驗(yàn)，測(cè)取干密度與含水率，并計(jì)算飽和度和壓實(shí)度。

3.2 高液限土含水率及碾壓方式控制

根據(jù)已有的研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)，含水率是控制高液限土能否碾壓成功的最關(guān)鍵因素。含水率過(guò)高時(shí)進(jìn)行碾壓，由于土體透水性差，容易出現(xiàn)表面壓實(shí)，而內(nèi)部土體存在大量空隙的現(xiàn)象，即出現(xiàn)所謂的彈簧土。考慮到含水率過(guò)低現(xiàn)場(chǎng)晾曬困難，晾曬時(shí)間長(zhǎng)影響工期；且土體吸水勢(shì)能大，易導(dǎo)致土體吸水后性質(zhì)變差，因此，試驗(yàn)路含水率控制在25%～30%之間。

碾壓功是高液限土能否壓實(shí)的重要因素。目前壓路機(jī)常見的碾壓方式包括靜壓、小振和大振等三種方式。以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，大振的效果差，故本次試驗(yàn)段不再進(jìn)行大振碾壓。帶振動(dòng)的碾壓可使一部分的下層水分泌出到表面，一定程度上讓上下土層均勻。碾壓時(shí)堅(jiān)持先靜壓后弱振、先兩邊后中間的原則，采用靜壓1遍+小振6遍+靜壓1遍對(duì)路基進(jìn)行碾壓，為使土層表面更光滑、密實(shí)，充分利用泌出的水分浸潤(rùn)比較干燥的表層，并將總靜壓2遍分解為初壓平面靜壓1遍與終壓光面靜壓1遍。

試驗(yàn)路段壓實(shí)完后立即測(cè)取現(xiàn)場(chǎng)干密度與含水率，并計(jì)算飽和度和壓實(shí)度，得到的試驗(yàn)資料詳見表4。

表4 試驗(yàn)路填筑檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比分析試驗(yàn)路填筑檢測(cè)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)，可見各含水率段與最終成型路基的干密度和飽和度可以滿足室內(nèi)試驗(yàn)提出的標(biāo)準(zhǔn)。

4 工程應(yīng)用

在莆炎高速YK98+870-YK99+050段路基填筑上述高液限土，各層實(shí)測(cè)含水率及飽和度詳見圖8，可見除個(gè)別點(diǎn)，絕大部分填土指標(biāo)能滿足要求。表明K98+685～K98+795處共計(jì)16.3萬(wàn)方高液限土得到了成功應(yīng)用。本應(yīng)用不棄方、不換填、不改良，節(jié)約了土地，減少了水土流失，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益顯著。

圖8 含水率與飽和度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)論

結(jié)合工程具體實(shí)踐，進(jìn)行高液限土基本性能試驗(yàn)，采用濕法制件方式，試驗(yàn)分析其物理特性，找尋到滿足工程需要的最佳狀態(tài)，并在工程實(shí)際應(yīng)用中控制其物理狀態(tài)，成功解決了本工程高液限土填筑難題。

[1]陳治伙.高液限土路用性能規(guī)律及其工程應(yīng)用[J].福建交通科技,2011（03）:1-3+35.

[2]劉鑫,洪寶寧.高液限土工程特性與路堤填筑方案[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2011,39（04）:436-443.

[3]JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[4]DB35/T 1640-2017，福建省高液限土路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5]JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].