近海低液限粉土CBR试验研究

李 军，钟贤勍，胡廷志，梁军林

(1.广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530011；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；3.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心，广西 南宁 530004)

0 引言

土作为公路建设中一种最为普遍的材料，在路基中扮演着重要角色，其工程性能直接影响着公路施工及使用质量的好坏。不同地区的土由于地理坏境以及形成过程中的差异，导致其物理特性具有很大的差异性，即使按塑性图进行划分属于同一类型的土，也会因为其各自的矿物组成及工程地质坏境的不同而产生极大的工程性质差异。我国海岸线漫长，内地河流分布众多，因此造就了众多类型的沿海、沿河的冲积土壤，其中的近海低液限粉土便是沿海地区一大类特殊土，广西北部湾地区的近海河口地区大范围分布有该类特殊土。其形成过程中主要受入海河流冲积、洪水冲积以及海相沉积作用，使该类低液限粉土的组成与结构复杂，其物理、水理及力学性质波动很大，土的中间物理状态复杂[1]，造成其工程应用上难以与现有的工程理论与经验建立起直接明确的关系。一方面，近海低液限粉土表象均匀，含有一定量胶结物质，天然状态下的低液限粉土呈现出较强的抗剪强度特性；另一方面，由于近海低液限粉土的颗粒组成变异性大，造成其各向异性明显，作为路基填料使用时易造成路基沉降不均匀，同时在开挖过程中受扰动后近海低液限粉土水稳程度降低，整体表现出填料强度低的特点。

目前，针对低液限粉质土以及受水流冲积沉积粉质土的特殊物理性质及工程特性已有较多学者对其进行了相关系列研究，但由于不同地区粉土特性差异的限制，尚无法形成统一的低液限粉土的评价方法及应用方法。本文依托广西贵(港)合(浦)高速公路建设项目，在已有的相关研究成果上[2-7]，通过分析颗粒组成及结构性对近海低液限粉土强度的影响，研究该地区低液限粉土路用强度性能，对低液限粉土的强度影响因素进行了有益的探讨。

1 低液限粉土特性

1.1 土样颗粒分析

广西北部湾沿海地区的低液限粉土由于在形成过程中经受流水冲刷及海相沉积作用，使得其颗粒组成变异性大。选取贵合高速建设标段内10个土样对其进行常规颗粒分析试验，结果如表1所示。部分试验土样粗粒土含量大，考虑近海地区土受内陆入海河流及海水冲刷、搬运作用，造成土样颗粒分布不均匀，但土体组成颗粒总体上仍以细粒土为主。因此，该地区土的工程性质及路用性能取决于细粒土的物理特性。表1所示试验结果表明，现场土样界限含水率与塑性指数值均偏高，且波动性质明显，按塑性图划分，各个土样分布在CL区与ML区的A线附近，总体分析，应定名为低液限粉土。对以细颗粒为主的土样进行颗粒分析，采用移液管法，其中土样A7在水中浸泡12 h，土样A8浸泡24 h，土样A10浸泡48 h，试验结果如表2所示。根据颗粒分析试验，细粒土颗粒组成以粉粒土为主，随着土样浸泡时间的增加，其黏粒含量逐步增加，表明天然状态下的低液限粉土内含有一定的胶结物质，在胶结作用下，土中细小颗粒容易结成较大的土颗粒，因此判断胶结作用是近海低液限粉土颗粒组成变异性的主要原因之一。

表1 贵合高速土样试验结果汇总表

表2 近海低液限土颗粒组成通过百分率汇总表

1.2 胶结物质对土颗粒组成的影响

根据移液管法对土样颗粒分析的结果，推测北部湾地区的低液限粉土含有较强的胶结物质。对土样进行差热分析，得到土样含有的黏土矿物与非黏土矿物成分如表3所示。土样中含有的铁质、硅质矿物，可以形成铁质胶结物和硅质胶结物使低液限粉土试样具有较强的结构性。

文献[8]中给出了去除不同形态铁后颗粒分布变化的例子，根据这些例子，在对该低液限粉土试样的颗粒分散试验中，选取焦磷酸钠为分散剂，仍采用移液管法，所得结果见图1。土样A7、A8、A10为原状土，A7#、A8#、A10#为加入焦磷酸钠后得到的试验结果。通过分散剂处理后，土样中黏粒含量明显提高且颗粒组成趋于稳定，说明在天然状态下，该地区的低液限粉土中的大量黏粒由于胶结作用而形成了粉粒，由于各个土样的胶结作用的强度不一，这是造成近海低液限粉土颗粒组成变异性大，界限含水率波动的主要原因之一。

北部湾近海河口地区的低液限粉土组成较为复杂，天然状态下的低液限粉土表现出粗细粒土组成波动性、界限含水率大的特点，因此造成其水稳定性难以评价。使用分散剂去除土中含有的胶结物质后，土颗粒得到充分分散，颗粒组成趋于稳定，显示近海低液限粉土的结构性特点是其复杂性质的重要成因。

表3 洪冲积细粒土样矿物成分表

图1 土样颗粒分析曲线图

2 低液限粉土承载比试验

2.1 承载比试验原理

土作为路基填料的工程性质通常以加州承载比(CBR)作为指标。CBR试验值能反映土体进行贯入试验之后，土样试件中部与土样整体之间的相对位移，是土体局部抗剪强度的表征，其反映在路基上则可以对路基局部抗剪强度进行表征。

2.2 低液限粉土CBR试验方法

土的强度理论基于Coulomb强度公式以及Terzaghi有效应力原理认为：决定土体强度的参数为有效应力、粘聚力、内摩擦角。粘聚力表现为土中颗粒间的相互作用力，尤其是土体内孔隙间有水存在时，亲水黏土矿物与水结合形成的胶结物质以及颗粒间的液桥力使土体内土颗粒形成稳定的结构。内摩擦力主要依靠于土颗粒间的挤压与摩擦形成土骨架，李广信等人通过对土骨架的研究认为，土体抗剪强度主要依靠于土骨架的形成及其强度[9]。由于近海低液限粉土颗粒组成以细粒土为主，根据孙其诚等[10]对颗粒物质密实程度的研究，近海低液限粉土土颗粒粒径分布较为单一，可视为按等大球体自然堆积，其球体颗粒间通过相互接触挤压形成稳定整体，以配位数作为其接触点个数的衡量指标，当配位数为6时达到理论最大密实度，其理论孔隙率为0.395。对现场低液限粉土原状孔隙率测定结果为0.552～0.648之间，密实程度低，颗粒排列松散。设计试验通过掺入适当细粒土，以现有粉土颗粒为主要土骨架，通过击实成型，使土颗粒间空隙得到充分填充，可以降低孔隙率提高密实度来提高土的CBR值。因此掺配土的选择以颗粒组成与施工现场的低液限粉土颗粒组成相似为主要原则。

根据规范《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，近海低液限粉土CBR试验采用泡水后进行贯入与天然原状土击实后直接贯入两种形式，泡水试验模拟土样在最不利环境下，土颗粒间充满孔隙水时的CBR值。为研究其结构性对低液限粉土CBR值的影响，针对低液限粉土试件采取不同的处理方法及通过与其他土样掺配，进行颗粒改良后的CBR试验。

掺配土样选用临近北部湾地区的一种高液限黄黏土，其土的基本特性如表4。下页图2为用于掺配的高液限黄黏土与近海低液限粉土的颗粒组成对比曲线图，采用与近海低液限粉土相同的颗粒分析方法，分析结果表明高液限黄黏土颗粒相较于低液限粉土颗粒的平均粒径更大，黏粒含量极少，符合试验设计要求。

表4 高液限黄黏土基本特性表

图2 土样颗粒分散试验曲线图

2.3 试验结果

针对近海低液限粉土CBR试验及掺配改良后CBR试验结果如表5所示。土样1#、2#、3#、4#为近海低液限粉土结构性对比试验组，试验发现经过泡水后的粉土试样，其CBR值出现大幅衰退，表明该类低液限粉土在孔隙含水量大的情况下，原有胶结物质开始逐渐溶解，胶结作用的逐渐消失导致了低液限粉土原有结构性会被破坏；同时风干作用对低液限粉土的结构性同样有重要影响，风干重塑土样成型直接贯入的CBR值低于原状贯入值，但风干重塑后的土样水稳定性有一定提高，表征为风干重塑土在泡水后的CBR值较原状土样有小幅提高，说明该地区近海低液限粉土的土中孔隙含水量对其结构性有重要影响，同时孔隙含水量的流失对结构性的影响具有不可逆性。

土样5#、6#为高液限黄黏土在规范下通过承载比试验所测定的CBR值，发现该土在原状下具有较高的整体强度，但在水的影响下，其强度衰退幅度很大，说明其水稳定性不佳，土中饱和度对其工程性质影响显著。对比土样1#、5#，在非饱和状态下的黄黏土CBR值要高于低液限粉土CBR值，土样1#中黏粒含量高于5#，这符合已有的研究发现[11]，即黏粉比越大，CBR值越小。

土样7#～14#为低液限粉土与高液限黄黏土的掺配混合CBR试验，试验通过调整两种土样的掺配比例进行对比试验。通过试验数据发现，随着低液限粉土中掺配的高液限黄黏土比例的增加，混合土样的原状CBR值与泡水后的CBR值并未出现明显的单调升降关系；土样12#、14#对比发现，当混合土样中两种土的掺配比例接近1∶1时，其饱和状态下的CBR值趋于稳定，且与高液限黄黏土饱和状态下的CBR值相近。对于原状击实成型后直接贯入的各组土样的CBR值，同样出现与饱和状态类似的CBR值的波动情况，分析数据发现各个混合比例下的原状土CBR值趋近于低液限粉土的原状未经泡水处理的CBR值，表明近海低液限粉土的结构性对土体抗剪强度影响较大，进行掺配混合后的土在抵抗外力作用及变形的主体仍然是近海低液限粉土。

表5 CBR试验结果汇总表

3 CBR影响因素分析

Terzaghi有效应力原理认为：有效应力是作用于单位土骨架面积上的力，是影响土体强度和变形的重要因素。结合文献[11]中对岩土颗粒力学强度作出的系统研究分析，总结出土作为一种典型的颗粒性质材料，其力学性能由颗粒间的接触力决定，土颗粒间的接触挤压形成土中的颗粒力链来承担外部作用在土体上的力，力链的力学效应即所谓的“土骨架效应”[12]。同时土颗粒间的接触作用力大小与孔隙率e及颗粒平均粒径d有关：

(1)

对于北部湾地区的近海低液限粉土，其土体主要由细粒土组成且土中颗粒粒径分布较为单一，以粒径分布在0.002～0.075 mm的粉粒为主，根据式(1)，在外部应力作用下，由于其主要颗粒粒径细小，土颗粒间接触力较小，因而由此产生的内摩擦力较小，难以形成稳定高强度的力链体系，因此近海低液限粉土以及其混合土样CBR值均较小，表明以加入细颗粒为主的物理改良对提高其土体强度的效果十分有限。

对于由细粒土构成的土体，其抗剪切强度主要由黏聚力构成，大小取决于细颗粒间的相互作用力。对现场低液限粉土土样进行差热分析，其含有硅质胶结、铁质胶结以及一定量的黏土矿物。当土中含有一定量的水分时，黏土矿物颗粒的亲水性使黏土颗粒间形成水膜，此时土体在抵抗变形时，土颗粒间的摩擦挤压由于水膜的润滑作用而使其摩擦力减小。细颗粒含量的提高也相应增多了颗粒间水膜存在的数量，因此试验土样在经过泡水处理后的CBR值出现大幅降低。随着黏土颗粒的增加，可以使细粒土中粉粒上附着的黏粒数量增加，起到部分润滑作用，对于经过泡水之后的近海低液限粉土，土中原有胶结物质开始溶解流失，黏粒含量提高，其试验结果的CBR值出现减小的情况。对于土中原有黏粒少的高液限黄黏土，通过掺配混合的方法增加黏粒含量对提高土体CBR有一定效果，试验土样8#、10#、12#、14#对此得以表征，但由于高液限黄黏土土样中以粉粒土为绝大多数，掺配进入的黏粒容易集中堆积在部分粉土颗粒间的空隙中，且黏粒本身与水接触后形成的胶结作用不足以使土中颗粒形成稳定的连接，因此对提高CBR值效果有限，说明具有不同结构性、水理特性的土在相似的颗粒级配下，其强度大小差异很大。

4 结语

(1)北部湾地区的低液限粉土由于流水冲积及海相沉积的影响，使得其具有复杂的组成及结构性，物理力学特性和水理特性波动性大，造成工程应用的困难。

(2)近海低液限粉土含有胶结物质，通过泡水能消除部分胶结，使用分散剂能使土颗粒充分分散；胶结物质的存在使土内黏粒容易聚拢形成粉粒，这是造成该地区低液限粉土组成颗粒波动性的重要原因之一。

(3)细粒土的结构性、含有的矿物类型及胶结物质是影响其CBR的重要因素之一。不同结构性的土通过相互掺配改变颗粒级配的方法对提高土体强度的效果有限，表现为具有相似颗粒组成或液塑限的土样，由于各自的结构性与成因的差异，其土体强度也会有很大差异。近海低液限粉土的结构性具有不可逆性，扰动重塑后的土体强度与重塑前存在差异，因此该类土在用于路基填料时，应关注其开挖扰动、翻晒等外力影响后工程性质变化的问题。