湛江大道2种高液限土水泥改良试验研究

莫秋旭，陈家闯，许会生，黄毅，娄平

湛江大道2种高液限土水泥改良试验研究

莫秋旭1，陈家闯2，许会生2，黄毅3，娄平3

(1. 广东省湛江市公路事务中心，广东 湛江 524000；2. 中建湛江大道投资建设有限公司，广东 湛江 524000；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

针对湛江大道一级公路范围内的2种高液限土，通过掺入水泥进行改良的室内试验，分析不同比例水泥掺入量对2种高液限土的改良效果，以及掺入同比例水泥对不同液限的高液限土的改良效果。研究结果表明：掺入水泥能够较好地改良高液限土的物理力学性能，高液限土亲水性降低，压实度提高，CBR值有较大幅度的提升。综合试验结果、水泥材料价格、来源便利、现场拌和改良施工可操作性等因素，推荐掺入3%水泥改良高液限土的方案。研究结果可为湛江大道高液限土现场改良施工提供依据，亦可为类似高液限土改良提供参考。

高液限土；水泥；液塑限；CBR；改良

广东湛江总体地势平坦，地貌单元多受海水冲击而形成，如海积平原、冲洪积平原等。湛江地区处于低纬度沿海地带，雨季长雨水多。因此湛江地区公路建设中常见高液限土，其特点为液限高，塑性指数大，直接使用高液限土将会使路基的强度、稳定性以及耐久性得不到保障，对工程质量产生较大的负面影响。根据地质勘察报告，湛江大道沿线高液限土分布量大，分布范围广。如若在施工过程中处理不当，后期将产生一系列开裂、翻浆冒泥和不均匀沉降等病害，汽车通过路面时，还将出现“跳车”等现象，危及行车安全。《公路路基施工技术规范》(JGT F10—2006)[1]规定：路基填料不能将液限大于50%，塑性指数大于26%的细颗粒土直接作为路堤填料。根据《广东省高液限土路基修筑技术指南》[2]，高液限土需要采取一定的措施对其改良，经检验CBR值达到8%以上方可使用。目前针对高液限土，施工单位普遍采用弃方换填或改良等方式进行处理以满足规范要求。高液限土常用的处治方法有化学改良和物理改良。化学改良包括掺砂、石灰、水泥等掺和料，通过复杂反应改变土体性质来提高强度和稳定性。国外对高液限土改良做了大量研究，Alper等[3]分析了粉煤灰对高液限土的改良机理。Bernardo等[4]对一种高液限土进行了颗粒密度、粒度分布等2 400多项试验，从微观角度分析了高液限土的特性。Raymond等[5]研究了循环湿润干燥对石灰改良后的黏土的膨胀性能的影响，分析了掺砂对改良高液限土的力学特性。YUN等[6]介绍了2种复合改进固化剂，通过无侧限抗压强度试验等比较分析了在28 d标准养护下，复合改进固化剂与单一固化剂对高液限土在不同水泥掺量下的改良效果。程涛等[7−8]通过试验方式，比较了高液限土在不同颗粒含量和不同液限范围条件下的CBR值，得到了不同类别的高液限土最佳掺水泥比范围。吴家旺[9]采用掺砂和水泥的改良方式对高液限土进行改良试验，对湛江地区高液限土改良提出了建议方案。李秉宜等[10]针对高液限土作为路基填料在多雨条件下的耐久性问题，结合龙浦高速项目开展了一系列水稳性研究试验。洪宝宁等[11]采用双指标控制方法，通过空气率和压实率2个因素控制填筑路堤的强度和刚度，为高液限土在工程中的使用提供了技术支持。李智杰[12]通过场拌法和集中路拌法对连盐线上沿海地区冲积平原高液限高塑限土在铁路建设中的利用进行了研究，总结比较了2种施工工艺的优缺点和控制要点，为高液限土现场改良技术提供了参考。本文依托湛江大道一级公路建设工程项目，针对2种高液限土的界限含水率、击实试验和承载比(CBR)进行室内试验，探究水泥不同掺入比例对高液限土的改良效果，提出满足《公路路基施工技术规范》(JGT F10—2006)要求，且具有良好经济性能的水泥掺入比例方案，为湛江大道高液限土现场改良施工提供依据，亦可为类似高液限土改良提供参考。

1 试验材料及改良方案

1.1 素土

在湛江大道一级公路某标段，选取具有代表性的2种软土，依据土样颜色，分别称为红褐色土(以下简称红土)和黄色土(以下简称黄土)，所取土样如图1和图2所示。红土土样特点：红褐色，可塑，由粉、黏粒组成，黏性较差，局部含碎石块。黄土土样特点：灰黄、褐黄夹灰白色，可塑，含少量粉砂。

含水率采用烘干法测定。液塑限采用标准100锥仪器测定。击实试验法测定其最大干密度和最佳含水率等参数。通过试验检测，湛江大道沿线路基土可分为2类，红色高液限土(以下简称红土)天然含水率为11.00%，液限为47.2%，塑限为20.6%，最大干密度为1.964 g/cm3，CBR值为9.72%，黄色高液限土(以下简称黄土)天然含水率为35.80%，液限为70.5%，塑限为34.8%，最大干密度为1.66 g/cm3，CBR值为10.2%，如表1。

图1 红褐色土土样

图2 黄色土土样

表1 高液限土物理性质

1.2 水泥

试验改良水泥采用PC32.5复合硅酸盐水泥。

1.3 改良方案

采用单掺不同比例的水泥方案对2种素土进行室内改良试验，改良方案包括物理性质试验、击实试验、承载比试验。

水泥改良试验设计3%，5%和7%共3种掺量(按干土质量比),分别对2种土样掺入水泥后进行100锥液塑限试验，分析素土在掺入不同比例水泥改良后液塑限的变化规律。通过击实试验测定掺入不同比例水泥改良后的土样的最大干密度和最佳含水率，分析素土在掺入不同比例水泥改良后最大干密度和最佳含水率的变化规律。结合改良后相应的最佳含水率，分别对每种配比的土样制作30击、50击及98击试样各3组，通过96 h泡水标准养护，对改良后的土样进行CBR室内试验，分析其改良后的CBR值变化，结合工程实际情况，得到最优的改良比例。

2 试验结果及分析

2.1 水泥掺量对高液限土液塑限的影响

在素土中按试验设计的3种比例(3%，5%和7%)掺入水泥后，2种高液限土的液限均随掺入水泥比例的增大而减小，塑限均随掺入水泥比例的增大而增大，如表2所示。高液限土在水泥的水化作用下，土间空隙减小，整体凝结在一起，使土体本身强度和稳定性得到提高。2种高液限土掺入水泥改良后的液塑限变化趋势如图3~4。通过变化趋势曲线分析，在掺入水泥后，水泥、土和水发生复杂反应，高液限土液塑限变化幅度较大，高液限土经水泥改良后液塑限指标的变化，说明其亲水性减弱，主要是由于水泥掺量控制在合适范围内，表观密度大，通过均匀的拌和后能够与土体充分反应，使工程性能得到较好改善作用。

通过表1和表2数据对比，本次实验所用的素土本身含水率大于其最佳含水率，因此素土本身压实度不高，室内试验可通过完全烘干高液限土后加入适量水以达到最佳含水率，现场施工则可通过翻晒等方式使土体含水率接近最佳含水率，保证后续改良效果。从表2数据可知，改良后的高液限土压实度更高，2种高液限土的最大干密度均有所增加，亲水性减少导致2种高液限土的最佳含水率均有所降低。但室内试验方法采用现场拌和水泥均匀后立即开始试验，水泥与土体反应时间较短，反应不够充分，因此掺入不同比例的水泥改良后最大干密度和最佳含水率的试验结果变化较小。

表2 高液限土掺入不同比例水泥改良后物理性质变化

2.2 水泥掺量对高液限土承载比(CBR)的影响

通过液塑限、塑性指数和CBR等指标，可以判断土体是否符合路基填料要求。高液限土在天然状态下，呈现半干硬状态，土体难以被压实，压实度难以符合要求，进而影响到路基的稳定性和安全性。在最佳含水率及30击、50击和98击击实条件下，将试样养护泡水96 h，试验结果如表3。

图3 高液限土掺入不同比例水泥改良后液限变化曲线

图4 高液限土掺入不同比例水泥改良后塑限变化曲线

表3 高液限土掺入不同比例水泥改良后CBR试验数据

红土掺入不同比例水泥改良后在98击击实条件下的贯入量和单位压力的关系如图5。黄土掺入不同比例水泥改良后在98击击实条件下的贯入量和单位压力的关系如图6。通过贯入量和单位压力的关系，测定在2.5 mm和5 mm贯入量时的单位压力值，进而求得相关土样的CBR值。水泥对高液限土的改良主要是通过水泥与水发生复杂的水解、水化等化学反应，生成硅酸钙和铝酸钙等具有胶结作用的物质，提升高液限土的强度[13]。高液限土承载比(CBR)随水泥剂量的增加呈直线上升。从掺量、击实功和压实度的关系可知，相同击实功下，水泥掺量越大，改良后的高液限土能被更好的压实，其改良效果也越好。

图5 红土掺入不同比例水泥改良后贯入量与单位压力关系曲线

2种高液限土掺入不同比例水泥改良后CBR值变化趋势如图7。从表3和图7中可知，红土经过水泥改良后的提升幅度相比黄土经过水泥改良后的提升幅度较大。这是由于当液限大于70%时，黏土颗粒在长时间浸水后颗粒间隙距离变大，其CBR值已经不受含水量所控制。因此黄土掺水泥改良后的CBR 值提升的效果不如红土掺水泥改良后的效果好[7]。

根据JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》[1]。一级公路路基加州承载比(CBR)最小强度要求为8%。通过试验结果所示，掺入3%，5%和7%的水泥对2种高液限土改良后的CBR值均能满足规范要求。

图6 黄土掺入不同比例水泥改良后贯入量与单位压力关系曲线

图7 高液限土掺入不同比例水泥改良后CBR值变化趋势曲线

2.3 水泥改良技术经济性讨论

从水泥价格上来看，通过互联网调研，P.C32.5复合硅酸盐水泥市场价格约为370~420元/t，采用掺入3%，5%和7%的该种水泥改良，平均每吨土改良费用约为11.1~12.6元，18.5~21元和25.9~29.4元,具有较好的经济性。从可操作性来看，水泥改良高液限土的方式操作较为简单，现场不需要大量人工，在人工费用上也具有一定的经济性。

3 结论

1) 水泥通过与水发生复杂的化学反应以提高高液限土的工程特性，掺入适当比例的水泥能够提高高液限土塑限、降低液限，但掺入水泥含量较高时，塑限指数随掺入含量增大而增大，会造成土体难以压实。

2) 掺入适当比例的水泥改良后，土的黏结强度增大，压实度增加，最大干密度提高，同时通过水泥的水化作用，高液限土的亲水性降低，改良后的高液限土最佳含水率也降低。

3) 掺入适当比例的水泥改良后，高液限土的压实度、强度和CBR值在一定范围内与掺入水泥的比例成正比关系。

4) 通过试验数据分析可知，掺入3%，5%和7%水泥后，红土较其素土相比，CBR值提高210.8%，1056.2%和2056.8%，黄土较其素土相比，CBR值提高46.3%，86.4%和414.7%。掺入水泥后高液限土能够得到很好的改良效果。

5) 根据JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》，一级公路路基加州承载比(CBR)最小强度要求为8，结合经济性价比考虑，推荐采用3%水泥对高液限土改良方案。

[1] JTG F10—2006, 《公路路基施工技术规范》[S]. JTG F10—2006, Technical specifications for highway subgrade construction[S].

[2] GDJTG/T E01—2014, 广东省高液限土路基修筑技术指南[S]. GDJTG/T E01—2014, Technical guide for construction of high liquid limit soil subgrade in Guangdong province[S].

[3] Alper Sezer, Gözde İnan, H Recep Yılmaz, et al. Utilization of a very high lime fly ash for improvement of Izmir clay[J]. Building and Environment, 2004, 41(2): 150−155.

[4] Bernardo Caicedo, Cristhian Mendoza, Fernando López, et al. Behavior of diatomaceous soil in lacustrine deposits of Bogota, Colombia[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2018, 10(2): 367−379.

[5] Raymond N Y, Vahid R O. Experimental study on instability of bases on natural and lime/cement-stabilized clayey soils[J]. Applied Clay Science, 2007, 35(4): 238− 249.

[6] YUN Que, YI Qianlin, FANG Zegong. Experimental study on the performance of compound improved HLLS (High Liquid Limit Soil) with various curing agents[J]. Key Engineering Materials, 2017, 4487: 300−304.

[7] 程涛, 洪宝宁, 刘鑫, 等. 高液限土最佳掺砂比的确定[J]. 西南交通大学学报, 2012, 47(4): 580−585, 596. CHENG Tao, HONG Baoning, LIU Xin, et al. Determination of optimal sand mixing ratio of high liquid limit soil[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2012, 47(4): 580−585, 596.

[8] 程涛, 洪宝宁, 刘顺青, 等. 高液限土最佳掺水泥比的确定[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2012, 44(2): 64−69. CHENG Tao, HONG Baoning, LIU Shunqing, et al. Determination of optimal cement ratio of high liquid limit soil[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2012, 44(2): 64−69.

[9] 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, 90. WU Jiawang. Experimental study on improving high liquid limit soil with sand and cement[J]. Hunan Communication Science and Technology, 2013, 39(3): 21−23, 90.

[10] 李秉宜, 宣剑裕, 郑文斌, 等. 改良高液限黏土水稳定性试验研究[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2016, 48(4): 54−60. LI Bingyi, XUAN Jianyu, ZHENG Wenbin, et al. Experimental study on water stability of modified high liquid limit clay[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2016, 48(4): 54−60.

[11] 洪宝宁, 化君晖, 刘鑫, 等. 高液限土路堤填筑的双指标控制方法研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(增1): 255−262. HONG Baoning, HUA Junhui, LIU Xin, et al. Study on dual-index control method for embankment filling with high liquid limit soil[J]. Geotechnical Mechanics, 2016, 37(Suppl 1): 255−262.

[12] 李智杰. 高塑性高液限土改良填筑路基施工技术研究[C]// 中国铁道学会铁道工程分会工程地质与路基专业委员会第25届年会暨学术交流会论文集. 北京, 中国铁道学会, 2016: 6. LI Zhijie. High plasticity and high liquid limit soil improved filling roadbed construction technology research[C]// Railway Engineering Branch of China Railway Institute of Engineering Geology and Professional Committee of the Subgrade, Proceedings of the 25th Annual Meeting and Academic Seminar. Beijing, China Railway Society, 2016: 6.

[13] 陈永辉, 李秉宜, 孔庆东, 等. 非饱和高液限土土−水特性试验研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2017, 15(5): 1−5, 11. CHEN Yonghui, LI bingyi, KONG Qingdong, et al. Experimental study on soil-water characteristics of unsaturated high liquid limit soil[J]. Journal of Water Conservancy and Building Engineering, 2017, 15(5): 1−5, 11.

Experimental study on improvement of two kinds of high liquid limit soil in Zhanjiang avenue using cement

MO Qiuxu1, CHEN Jiachuang2, XU Huisheng2, HUANG Yi3, LOU Ping3

(1. Zhanjiang Highway Affairs Centre, Zhanjiang 524000, China; 2. Zhongjian Zhanjiang Avenue Investment Construction Co. Ltd., Zhanjiang 524000, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Aiming at two kinds of high liquid limit soils in the first grade highway of Zhanjiang Avenue, the improvement effect of different proportion of cement on two kinds of high liquid limit soils and the improvement effect of mixing the same proportion of cement on different liquid limit soils were analyzed by the laboratory test of mixing cement. The test results show that the physical and mechanical properties of high liquid limit soil can be improved by adding cement, such as the hydrophilicity of high liquid limit soil decreasing, the compaction degree increasing, and the CBR value increasing greatly. Based on the test results, the price of cement material, the convenience of source, the site mixing and the improvement of construction maneuverability, the scheme of improving high liquid limit soil with 3% cement is recommended. It provides a basis for the improvement construction of high liquid limit soil in Zhanjiang Avenue, and also provides a reference for the improvement of similar high liquid limit soil.

high liquid limit soil; cement; liquid plastic limit; CBR; improvement

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190828

U416.1

A

1672 − 7029(2020)07 − 1728 − 06

2019−09−16

国家自然科学基金资助项目(51678572，51978672)；中建湛江大道投资建设有限公司科研资助项目(2018001)

娄平(1968−)，男，湖南浏阳人，教授，博士，从事道路与铁道工程设计与理论研究；E−mail：pinglou@csu.edu.cn

(编辑 涂鹏)