水泥改良含砂高液限粉土路用特性试验研究

蔡黄河　胡焕校

【摘 要】含砂高液限粉土独特的物理力学特征对工程建设极其不利，直接填筑路基，可能产生一系列病害，换填则将增加工程投资成本，且对环境造成影响破坏。为了改善其路用性能，首先研究了其基本性质，取湖南某地土样，采用XRF荧光光谱、XRD粉晶衍射、薄片鉴定、筛分和液塑限测定等实验方法，分析含砂高液限粉土的成分及结构，发现矿物成分以高岭石居多，会对该类土体的水稳定性造成极大的影响，且其细颗粒含量较大，对其工程性质影响更突出。本文采用水泥改良的方法，并通过试验得出水泥改良该类含砂高液限粉土的施工控制标准：掺率6%，并以最佳含水率为15.6%、最大干密度为1.761cm3作为控制指标用于96区下路床各区路基填筑。

【关键词】路用特性;含砂高液限粉土;水泥改良;室内试验;路基填筑

中图分类号： U416.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0001-005

0 引言

含砂高液限粉土是一种不良的路基填料，但通过恰当方式处治后，可用于高速公路路基填筑;在研究高液限土的处治时，要特别注意对其本身物理力学性质和工程特性的研究，这是处治研究的基础。我国近几十年基础工程建设日渐增多，由于对高液限土处治不当而引起的工程事故引起了相关领域学者的注意，并从不同角度展开了对高液限土性质和处治技术的研究工作：李林燕[1]结合广梧高速公路沿线高液限花岗岩残积土，通过室内试验、微观实验研究发现其粗颗粒含量高，因此具有如內部结构松散、膨胀性弱、遇水易散、粘聚力低等工程特性。陈晓平[2]针对高液限花岗岩残积土中的含粗粒的细粒土进行了物理力学性质试验，分析了粗粒细粒含量对其性质的影响规律，认为这类土具有高液限土和粗粒土的综合特征，需充分认识其粗粒含量的影响。程涛等[3]针对云洛高速公路沿线高液限土研究了颗粒级配及矿物成分，发现亲水性矿物是影响其承载比的主要原因。刘旭[4]以湖南某高速公路为背景进行了高液限粉土及其改良土的对比试验研究，得到了水泥改良的最佳掺量，发现改良土在强度、压缩性和CBR等指标上都有极大改善。此外，吴家旺、郭国和、方庆军等[5-7]也对水泥改良高液限土进行了具有指导意义的试验研究。

目前，国内外针对典型高液限土的性质及其改良研究已经取得了丰富的成果，但是对于非典型的含砂高液限粉土的性质，尤其是针对其改良处治技术的研究尚不够深入，仍有进一步探索的空间。

1 含砂高液限粉土的性质研究

为了充分认识含砂高液限粉土的基本物理性质，通过从现场取土进行室内试验研究分析，并探究其力学性质，以确定该含砂高液限粉土是否能直接用于路基填筑，从而为该含砂高液限粉土的利用方案或改良处治提供依据。

1.1 微观研究

从现场所取得的高液限土土样通过XRF荧光光谱、XRD粉晶衍射以及薄片鉴定等方法进行土体的微观研究，分析其化学成分、矿物成分和结构构造等特征。其鉴定测过结果如表1、表2、表3所示：

由实验结果可得：（1）该地区高液限土是花岗岩风化残积的产物，土样化学成分以SiO2和Al2O3为主，其中SiO2的含量超过一半，此外，还含有一定量的Fe2O3，MgO，CaO，K2O等成分;（2）可以确定土样由风化土组成，为松散块状构造，主要由石英、钾长石、斜长石、高岭石、绢云母、伊利石等组成;（3）矿物成分以高岭石和石英为主，又以高岭石居多，高岭石这一矿物成分的存在，将会对该土体的水稳定性造成极大的影响。

1.2 物理力学性质研究

根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[8]，对土样进行含水率、筛分、液塑限测定、击实等试验，探究其物理力学性能指标及工程特性。得到其基本性质如表4所示，颗粒级配曲线如图1所示：

分析试验结果，可得：（1）土样的天然含水率较高，表明该地区高液限土的工程性质差、不易压实，必将会对施工造成不良影响，若经历暴雨天气，其含水率必将进一步升高，对于施工路段而言，高液限土的高含水率将使得路基的压实效果难以保证;（2）土样符合规范对高液限土的定义，其液限、塑性指数高，力学性质差;（3）其颗粒粒径小于0.075mm的含量在60%左右，粒径小于0.5mm的颗粒含量超过80%，土颗粒不均匀，即其细颗粒含量较大，对其工程性质影响更突出，因而造成土体比表面积较大，以致土颗粒表面可以产生较大吸附力，大量吸着水，且该吸着水不易蒸发，使之难以晾晒降低含水率，影响土体压实的效果;（4）根据以上试验结果，可将该土进行工程分类，定义为“含砂高液限粉土（MHS）”，并初步判断其工程特性不利于路基填筑施工[9]。

击实试验即模拟现场施工，通过锤击，测试在某一击实功下含水率与其干密度的关系，即其压实特性变化规律，从而得出该土体的最佳含水率和最大干密度，为施工提供依据。试验所获得的击实曲线如图2所示：

通过观察击实曲线，可以发现试验数据中干密度并未出现某一峰值，而是随着含水率的降低而不断增大。如果再继续降低试验中土样的含水率来研究其素土的最大干密度，对实际施工的指导意义并不大。经过分析，其最佳含水率应处于较低水平，且与其天然含水率相差较大（相差10%以上），若施工过程中降雨多，其土体自身细颗粒含量又多，则使得难以通过晾晒来降低含水率，因此实际上是几乎不可能在其最佳含水率状态附近进行施工的，土体压实度也难以达到规范的要求，初步判断，对于此类含砂高液限粉土，如果用作路基填筑，应进行处治来提高其最佳含水率。

进行CBR试验是为了对路基填料进行强度的评估，检验路基填料受局部荷载压入时抵抗变形的能力，确定路基填筑后其强度和稳定性是否符合相关规范要求。

通过对CBR试验数据整理后进行研究分析，可以得出以下结论：（1）土样在同一含水率的条件下，随着击实功的降低（每层击数的减少），其湿密度和干密度也降低，压实度降低，其CBR取值减小;（2）同一击实功的条件下，在含水率30.3%～10.8%这一区间中，随着含水率的降低，其最大干密度有增大趋势，其最大干密度下的CBR也成增大趋势;（3）假设以试验土样各自含水率下98击击实功的干密度作为最大干密度标准，已知该类土样的天然含水率较高，在此状态下，其CBR值远远达不到规范要求（即使其密实度为100%，其CBR值也无法满足规范的要求）。（4）结合其成分特点及物理力学性质，降低其含水率则可以显著提高其CBR值，然而在实际施工上存在一定的困难，分析宜采用掺料改良[10]。

2 水泥改良试验研究

对含砂高液限粉土的改良，关键就在于改善其最佳含水率，改善其自身含水率，改善其颗粒组成，改善其土质特性。目前，国内外对高液限土作为路基填料填筑的处治方法有：摻无机结合料、掺新型化学改良剂、改善颗粒级配、隔水防护法、直接改善施工工艺等。其中掺料改良处治方法是一种施工工艺相对简单的处治方案，而水泥广泛应用于改良高液限土。掺了水泥之后，水泥将与土体发生一系列的化学反应，从而显著地改变土体的性质，使其更适于工程之需。此外，掺水泥还可降低土体的天然含水率：水泥进行水化作用的过程中消耗吸收一部分水，水化过程放热蒸发一部分水，分解反应之生成物可极大提高土体强度及水稳定性[11]。

对该含砂高液限粉土掺不同含量（4%、5%、6%）的425#水泥进行改良研究，即通过击实试验来确定改良土的最佳含水率，并研究不同水泥掺率对其改良后物理力学性质的影响，以及施工控制标准，并用无侧限抗压强度试验分析在最佳含水率的条件下制作压实度为94%和96%的试件，研究不同水泥掺率下水泥改良含砂高液限粉土抗压强度等工程特性，检验其改良后的强度是否满足规范标准[12]。

2.1 掺率对击实性能的影响

通过试验，得到其击实特性受水泥掺率影响的情况如图3所示：

通过对掺4%、5%、6%水泥的高液限改良土进行击实和无侧限抗压强度试验，得出掺4%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分别为12.8%、1.746cm3;掺5%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分别为13.8%、1.770cm3;掺6%水泥的改良土其最佳含水率和最大干密度分别为15.6%、1.761cm3。可以得出，随水泥掺率的增大，其最佳含水率也得到一定程度的升高，表明水泥掺率对含砂高液限粉土的改良效果之影响是比较显著的。在击实性能上，水泥在土质凝结固化，极大地改善了土体颗粒级配，土体凝结为整体，因而可以提高土体压实性能，具有一定的强度和稳定性。

2.2 无侧限抗压强度试验

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）[12]，并以击实试验所得出的结果为土样压实度的制备依据，对改良后的土进行无侧限抗压强度试验，每种条件下分别进行9组试验，取其平均值，对试验记录的数据进行整理分析，根据规程要求，检验其是否符合设计要求，可得到结果如表6和图4所示：

根据无侧限抗压强度的试验结果，可知随水泥掺率的增大，改良土的无侧限抗压强度有所提升，如图4中所示，在同一压实度下，每提高一个等级的掺率，试验后最大平均压力逐步提高，表明水泥掺率对含砂高液限粉土的改良效果之影响是较为显著的。其中，对于掺4%水泥压实度为94%、掺4%水泥压实度为96%、掺5%水泥压实度为94%、掺5%水泥压实度为96%的改良土样，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）[12]，浸水养护过程中质量损失超过规范要求，评定该土样无侧限抗压强度不合格，不可用作路基填筑;掺6%水泥压实度为94%、掺6%水泥压实度为96%的改良土样，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）[12]，可分别用于94区路基、96区下路床各区路基填筑（以最佳含水率15.6%、最大干密度1.761cm3为相应的工程施工控制指标）。

3 结论

水泥改良含砂高液限粉土，其并不能显著降低其自身含水率，但可以显著提高其最佳含水率。在击实性能上，水泥在土中凝结固化，极大地改善了土体颗粒级配，土体凝结为整体，因而可以提高土体压实性能，具有一定的强度和稳定性;在无侧限抗压强度性能上，控制适当的水泥掺率，可以满足相应规范对路基填筑的要求[11]。

对于水泥改良的该类含砂高液限粉土，可确定掺率6%，并以最佳含水率为15.6%、最大干密度为1.761cm3作为控制指标用于96区下路床各区路基填筑。总之，通过试验验证，该地区含砂高液限粉土通过水泥改良后，其工程性质、路用性能得到极大改善，根据规程[12]，在所确定的控制指标下，可以满足路基填筑的需要。

【参考文献】

[1]李林燕.高液限土强度特性及路堑边坡稳定性研究[D].暨南大学，2009.

[2]陈晓平，周秋娟，蔡晓英.高液限花岗岩残积土的物理特性和剪切特性[J].岩土工程学报，2011，06：901-908.

[3]程涛，洪宝宁，程江涛.云罗高速公路沿线高液限土承载比影响因素分析[J].河海大学学报（自然科学版），2013，v.41;No.20205：434-438.

[4]刘旭.高液限粉土的路用特性及其路堤处治技术研究[D].中南大学，2012.

[5]吴家旺.掺砂和水泥改良高液限土的试验研究[J].湖南交通科技，2013，39（3）：21-23.

[6]郭国和.水泥改良高液限土工程特性试验研究[J].交通科技，2014（1）：92-95.

[7]方庆军.压实度对水泥改良高液限土强度影响试验——以云罗高速公路为例[J].福建工程学院学报，2014，12（1）：51-53.

[8]《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）

[9]车竞.高液限土地区公路路堤修筑技术研究[D].重庆交通大学，2008.

[10]兰青，曹亮宏，洪宝宁.高液限土路堤填筑施工技术[M].人民交通出版社，2014.

[11]田见效.高液限粘土路基填筑技术研究[D].长安大学，2007.

[12]《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）.