高液限土路基掺沙改良路用特性试验

徐奋强,洪宝宁,孟云梅

(1.南京工程学院建筑工程学院,江苏南京 211167;2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098)

高液限土路基掺沙改良路用特性试验

徐奋强1,洪宝宁2,孟云梅1

(1.南京工程学院建筑工程学院,江苏南京 211167;2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098)

为了研究高液限土路基掺沙改良的长期水稳定性和强度特性,以最大干密度、界限含水率、浸水CBR强度值作为路用特性分析的控制参数,进行室内试验和现场试验。依据不同掺沙量和压实度条件下各控制参数的变化规律确定最优掺沙比;在最优掺沙条件下,进一步分析路用水稳定性与施工控制参数,即含水率、压实度、击实功的变化规律,获得水稳定性和强度兼顾的施工参数最佳组合。试验表明,以空气率和饱和度作为路基施工质量检测双指标控制方法,可以弥补现行规范仅以压实度作为单一质量评价标准的不足。

高液限土路基;掺沙改良;路用特性;质量指标

我国高液限土分布广泛[1-2],为提高工程质量,许多学者在高液限土改良方面进行了大量工作,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后的强度特点;Guney等[4]通过高液限土干湿循环试验,得到4个循环后强度趋于稳定的结论;曾静等[5]进行了高液限土掺石灰改良试验,获得了改良后高液限土的强度变化规律;李方华[6]通过试验,得到不同高液限土的最佳掺沙砾石比;程涛等[7]通过试验,获得了水泥改良高液限土的最佳配比等。然而由于问题的复杂性,如高液限土改良后作为路基填料的水稳定性以及填筑质量的检测等问题仍需进一步研究。本文以广东省某高速公路高液限土路基掺沙改良填筑工程为例,从高速公路对路基的强度和水稳定性要求出发,通过理论分析、室内试验和现场试验路段检测,研究以最大干密度、界限含水率、浸水CBR强度值作为路用特性分析控制参数的掺沙比确定方法,明确施工控制参数含水率、压实度、击实功与施工检测双指标饱和度、空气率及路基合格验收标准压实度、CBR强度之间的相互关系,确定评定路基长期水稳定性和强度的施工质量检测方法,为合理利用高液限土提供施工、设计依据。

1 样本的物理力学指标

高液限土取自拟作为某高速公路高液限土路基掺沙改良填筑试验段的填土场,其物理、力学指标试验按规范[8]测试6组,代表性结果如下:天然密度为:1.71g/cm3,含水率为23.2％,干密度为1.39g/cm3,土粒相对密度为2.68,液限wL为62.2％,塑限wP为27.6％,塑性指数Ip为34.6,细粒质量分数为84.93％,CBR强度值为2.8％,不均匀系数Cu为7.8(＞5),曲率系数Cc为2.1,在1～3之间,级配良好。各粒径质量占总质量的百分比为: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 最优掺沙比的确定

高液限土路基掺沙改良的相关研究多侧重于根据土体压实度和强度确定掺沙量,如依据细颗粒含量[9]、干缩开裂[10]等,少有考虑路基强度、长期水稳定性等工程特性的综合效应。高液限土路基掺沙改良主要解决路基强度和水稳定性问题,具体工程特性为土体密实程度、强度特点、水环境平衡能力。本文以最大干密度、界限含水率、CBR强度值并兼顾经济效益确定最优掺沙比。最大干密度ρd是公认的路基填筑密实控制的主要指标;界限含水率是反映土体结构特性的参数,能反映与自然水环境的适应程度,JTG F10—2006《路基施工技术规范》[11]明确规定,wL＞50％,Ip＞26,含水率不适宜直接压实的细粒土,不得直接作为路堤填料;浸水CBR强度值本质上能反映路基浸水条件下的长期稳定性。

掺沙率m定义为干沙质量与干土质量之比。根据课题组在广东云罗高速公路进行的掺沙改良高液限土路基经验[12],并借鉴有关高速公路的做法,进行以0％、15％、18％、20％、25％、30％6种不同掺沙率条件下最大干密度、界限含水率、浸水CBR强度值的室内试验,每项指标做6组平行试验,舍弃3倍标准差意外数据并补做试验,取其均值为试验成果。分析各指标的变化规律,综合确定高液限土的掺沙率。

2.1 最大干密度

在实验室将高液限土烘干、过2mm筛,击实制备成不同掺沙率的试样,测得最优含水率wopt和ρd,见表1。由表1可知,ρd随着m的增加而呈线性增加:

表1 高液限土掺沙击实试验结果

可见,m从20％到25％时,ρd增幅较大,达到2.2％;m从25％到30％时,ρd增幅变缓;m超过30％时对ρd的改良效果不佳,也不经济。故从ρd的角度确定m为20％～25％时效益明显。

2.2 界限含水率

采用液限、塑限联合测定仪在实验室测定界限含水率。掺沙后,粗颗粒增加,土粒比表面积减小,土体的wP增加,结果见表1。当m达到20％时,wL降幅明显,相比15％降幅达7.8％;而m=25％相比20％,wL降幅较小,仅为2.5％,且wL=47％仍接近50％,说明m对于降低高液限土wL效果并不显著。m＞30％时,wL减小幅度更小,经济上也不可行。故从液限角度确定m的上限为25％～30％相对合理。

2.3 CBR强度值

土样素土风干过2mm筛。掺沙试样含水率控制为最优含水率,采用南京土壤仪器厂生产的CBR-1型承载比试验仪测试土样CBR强度值。CBR强度值与掺沙率的关系见图1(a)。m在15％～30％时,CBR强度值(以RCBR表示)达到10,呈线性增加,增幅明显,强度较高,完全满足工程强度需求。m为15％～18％时,虽能满足路基强度要求,但wL＞50％仍为高液限土,未达JTG F10—2006的要求。m为20％～25％时,wL为47％,虽低于50％但仍偏高。而m=30％时wL降幅相比25％仅降0.6％,因此继续增大掺沙率不经济。CBR强度值与m的关系为

图1 CBR强度值与掺沙率及含水率的关系

由此可见:①m的递增能够使细颗粒的作用减弱,ρd增加使得抗剪强度增大,表现为m为20％～30％时强度增幅较突出,另外粗粒沙的增多可促进水分排出,压实度易于保证;②m为20％～30％时,wL＜50％,满足规范,但从强度提高幅度和安全储备及经济效益角度考虑,m为25％～30％时较合理。

因高液限土路基掺沙改良的关键是最大干密度和浸水CBR强度值,如此虽满足了土体强度和水稳定性要求,但为使液限满足小于50％的规范硬性要求,并考虑一定的安全储备,m宜大于25％,且界限含水率改善效果最佳的m为25％。综合对比可见,m为25％时各控制参数相对比较理想,可视为最优掺沙率。

3 改良土水稳定性和强度特点

高液限土毛细现象严重,干缩湿胀,具有裂隙性和崩解性的特点,其路基的破坏往往是雨后长期浸泡和自然环境干湿交替造成的,因此施工中含水率的控制问题比较关键。一方面,高液限土压实后CBR强度峰值所对应的含水率并不是最优含水率[13];另一方面,高液限土最优含水率与其天然含水率相差悬殊,易受自然水环境影响,不利于路基水稳定性。含水率高,强度水平低;含水率低,水稳定性差,故高液限土路基掺沙改良采用何种含水率既能保证长期水稳定性和强度,又能保证最佳压实效果是研究的关键。

3.1 CBR强度值与含水率的关系

试样含水率的选取参照规范,以wopt±2％为基准扩展为:wopt-2％、wopt、wopt+2％、wopt+3％、wopt+4％、wopt+5％、wopt+6％。压实度K取为90％、92％、93％、94％、95％的区域。击实试验依据击实桶体积、含水率和最大干密度的关系换算出土料质量,分3层击实制成不同压实度和含水率的土样。浸水96 h后测CBR强度值,结果见图1(b)。

由图1(b)可见,试样的CBR强度值存在明显的峰值,其对应的含水率为wopt+4％,主要是因为高液限土矿物成分(如蒙脱石、伊利石)细颗粒多,胶粒成分占优,持水性强所致;含水率为wopt-2％时,CBR强度值仅为3.1％～3.7％,安全储备较小,应予舍弃;对比含水率较低的wopt和较高的wopt+6％,不同压实度CBR强度值变化范围分别为3.5％～4.6％和3.7％～4.5％,虽满足规范要求,但强度水平偏低,仅适于下路堤的填筑,即满足压实度为90％～93％的强度要求;含水率在wopt+2％～wopt+5％时,CBR强度值达5.4％～7.2％,可满足下路堤压实度为93％～95％的强度要求。故不同的施工含水率能满足的强度和压实度应区别对待。

3.2 CBR强度值与水稳定性的关系

高液限土掺沙改良路基的水稳定性主要表现在两个方面:一是天气的曝晒和雨淋的交替作用,二是雨水长期浸泡作用。实验室可采用干湿循环和浸水试验来模拟。干湿循环以土样浸水4 d、风干2 d,计为0次循环,然后按浸水1d和风干2d为1次循环。浸泡试验设计为不同含水率土样击实后分别在室内浸水1 d、4 d、6 d,再测试CBR强度值。因篇幅所限不列举平行试验数据,借鉴经验,试样含水率取3种:wopt、wopt+4％、wopt+6％,压实度取90％、92％、93％、94％、95％。试样风干以室温(约30℃)自然风干,经5次循环后测得高液限土的CBR强度值。试验结果见图2(a)(b)(c)所示。

图2 不同含水率试样CBR强度值与干湿循环关系

试样经干湿循环,土体强度逐渐降低,经4、5次循环后,基本稳定,CBR强度值为3.3％～4.7％,满足下路堤压实度为90％～93％的要求,且有一定的安全储备。但对于上路堤压实度为94％～95％区域,干湿循环5次稳定后的土体CBR强度值为2.9％～3.2％,不能满足要求。故掺沙改良高液限土不适合填筑压实度要求较高的上路堤,主要因为:①在干湿循环作用下,掺沙改良土体受脱水和吸水交替作用产生沙化和裂隙双重作用。压实度越大,沙粒骨架作用越明显,土体沙化和裂缝作用对土体的影响越显著,CBR强度衰减越快。②在干湿循环初期,高液限细粒土中基质吸力发挥作用,阻碍裂隙的扩展,土粒周边的水膜作用封闭裂隙,使得土体保持一定的强度;随着干湿循环次数的增加,裂隙和沙化作用减弱,裂隙扩大,沙粒间形成水道,水膜作用消失,细粒土内部基质吸力趋于均匀,强度趋于平衡。

由图3可知,试样在低含水率时无论浸泡时间长短,强度都很低,说明高液限土不适于低含水率施工;试样强度不仅与含水率有关,同时也与浸水时间密切相关,试样浸水1 d的强度在wopt+2％时达到峰值,浸水4 d时强度峰值发生在wopt+4％处,而浸水6 d的强度与4 d强度变化不大,基本趋于稳定。说明CBR强度值采用浸水4 d强度是合理的,既符合自然环境情况又偏于安全。故从水稳定性看,掺沙改良高液限土仅适宜填筑下路堤、压实度为90％～93％、含水率为wopt～wopt+6％的情况。

图3 不同浸水时间含水率与CBR强度值关系

3.3 CBR强度值、含水率与击实功的关系

对不同含水率的土样按不同击数进行击实,击实方式采用等能量递增方式,采用24、49、74、98、112击数,击实结果见图4。

图4 击实功与CBR强度值的关系

由图4可见,不同含水率的CBR强度值随击实功的不同有明显的差异。从曲线斜率看,含水率为wopt+4％时,CBR强度值增幅明显;当含水率为wopt时,CBR强度值增大,但增幅偏小,强度偏低,为3.0％～4.4％,说明低含水率时,提高击实功可以得到较高的压实度和强度,但击实功效偏低,安全储备小,不建议采用;含水率为wopt+2％时,强度增幅稍大,CBR强度值在74击以上能达到4.0％～6.0％,若提高击实功,击数达到112击也能提高强度,但击实功效不理想,故控制一定的含水率,可采用提高击实功方式提高CBR强度;当含水率达到wopt+4％时,CBR强度值达到8.3％,强度较高,增幅显著,击实功效率较高且能耗较小,相对理想,推荐使用,但击数达到112击时,强度增幅缓慢,说明应同时控制含水率和击实功的大小,才能达到强度、水稳定性、施工效率最佳的状态;当含水率为wopt+6％时,CBR强度较低,增幅变缓,能耗高,应予舍弃。由于超压或软弹现象,击实功过大可造成土体过击破坏,应慎重加大击实功和施工含水率。由此可见,检测评判指标CBR强度、水稳定性与施工参数击实功、含水率密切相关,相互制约。含水率控制不当,强度难以保障;盲目增大击实功,土体因超压变密,将吸水膨胀,导致路基水稳定性不良。故不同的施工含水率宜控制不同的击实(碾压)功。

综上所述,可获得高液限土路基掺沙改良的最佳施工参数组合含水率为wopt+4％,压实度为90％～93％,击实功为74～98击。

4 施工质量检测方法

高液限土区域性强,差异大,高液限土地区高速公路建设难以形成统一的设计和施工规范,更无相应的质量检测标准。现行规范仅以压实度作为路基质量检验标准难以反映水稳定性问题。土体压实过程实为气体挤密排出的过程,空气含量不可能减小至零,一般气体占土体体积不小于3％[14],所以气体的含量是决定压密的关键。而饱和度与含水率、气体含量有直接的关系,被相关学者用于高液限土的研究[15]。饱和度高,含水率高,气体量少,强度低;饱和度低,孔隙大,吸水量大,水稳定性差。故饱和度和空气率(定义为空气体积与土体总体积的百分比)双指标标准对高液限土检测具有很好的适用性,能反映压实度和水稳定性问题。因此,建议以空气率、饱和度作为检测指标,而以压实度和CBR强度值作为评价标准,形成施工、检测、评价的完整体系。高液限土掺沙改良土体的空气率、饱和度测试数据见表2。

表2 掺沙25％改良土空气率试验结果

从表2可知,含水率为wopt时:①压实度为90％时的饱和度偏低,仅为64.8％,而空气率较大,达到13.6％,土体易于压缩;②击实功增加,压实度增大,空气率骤减,压实度从90％增至93％时,空气率减小2.9％,减小幅度达21.3％,但饱和度增幅偏低,增加6％,增幅为9.2％;③继续击实,压实度从93％到95％,空气率仅减小2％,持续击实则导致功效浪费,说明土体压实困难,也可以证实低含水率土体不宜填筑压实度要求较高的上路堤。

当含水率为wopt+6％时,土体在较小压实度(90％)就能达到较低的空气率(3.8％)和较大的饱和度(90.2％)。表明高含水率土体饱和度较高,空气率较低,土颗粒间润滑作用使土体易于压实,但强度不高,过压易导致结构破坏,说明土体施工含水率上限可为wopt+6％。

当含水率在wopt+2％～wopt+5％时,空气率为2.9％～10.3％,饱和度为73.4％～92.1％,压实度、土体强度、水稳定性能够满足工程要求,并且在含水率为wopt+4％、压实度90％～93％时,空气率为3.9％～6.0％,饱和度为82.0％～89.3％,处于均衡水平,是较理想的施工参数。可见,理想状态应控制含水率为wopt+4％进行施工。

5 现场验证

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的细粒含量为82.9％,为高液限粉土,素土ρd=1.78g/cm3,在压实度为99.7％的条件下,CBR强度值为3.0％,不满足路基用土的技术条件,须进行改良处理。由于该高液限土细颗粒含量较高,较适合掺沙改良。控制m=25％,分段控制含水率为wopt+2％、wopt+4％、wopt+5％进行对比分析。碾压设备采用22 t压路机,碾压方式为:先静压一遍找平,再大振一遍,此后小振与静压循环依次碾压。选取代表性碾压遍数时各项参数进行对比分析,试验记录见表3。

表3 压实度、CBR强度值与空气率和饱和度双指标检测结果

由表3可见,碾压7遍时,低含水率wopt+2％相比较高含水率wopt+4％、wopt+5％的CBR强度值偏低,而空气率指标偏大,饱和度偏低;增加碾压1遍,强度增大,空气率和饱和度变化不大,说明土体孔隙较大,对水稳定性不利。施工中应做好防水和隔热措施,如包边、绿化等。含水率为wopt+4％时,土体CBR强度值较高,空气率低至限值,饱和度达90.9％,对水稳定性有利,继续碾压困难;在含水率为wopt+5％时,土体碾压5遍强度达较高值,但较wopt+4％时降低,继续碾压至6遍,空气率和饱和度变化较小,强度不再增加,但饱和度偏高,易导致土体过压反弹破坏,应注重检测,确保路基质量。现场碾压试验表明,高液限土高含水率掺沙改良土体填筑时,强度水平、压实度低,空气率小,饱和度高,路堤水稳定性较好,不宜超压;低含水率填筑时,强度水平低,压实度高,空气率大,饱和度小,路堤水稳定性低,可提高击实功以保证强度。而空气率和饱和度双指标与压实度和强度有较好的对应关系,能够反映土体的压密程度和水稳定性,可以作为路基填筑工程施工的检测指标。

6 结论

a.掺沙改良高液限土,强度随含水率的增加呈先增加后减小的趋势,存在强度峰值。强度峰值对应的含水率为wopt+4％,略大于最优含水率,这与高液限土体持水特征有关,不同类型的土需试验确定。

b.掺沙改良高液限土不适于填筑压实度要求较高的上路堤,其水稳定性偏低,但能满足下路堤强度和水稳定性的要求。

c.高液限土掺沙改良路基,m为25％,含水率为wopt+4％,压实度为90％～93％,击数为74～98击时,路基的强度、水稳定满足耐久性要求,较经济、节约,为最佳施工组合状态。

d.高液限土路基掺沙改良填筑施工,采用饱和度和空气率双指标检测施工质量时,饱和度宜为73.4％～92.1％,空气率为2.9％～10.3％,能够保证路基长期使用的强度和水稳定性需求。

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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 编辑:胡新宇)

河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放基金(GH201204);广东省交通运输厅科技项目(科技-2013-01-003)

徐奋强(1975—),男,山东菏泽人,博士研究生,主要从事复合地基测试研究。E-mail:xfq102@sina.com