广连高速含砂低液限黏土路基压实控制标准研究

黄宇， 肖宇鹏

(1.中交四航局 第三工程有限公司， 广东 湛江 524000；2.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

在中国南方地区公路工程建设中经常会遇到大量细粒土，其具有天然含水率高、细粒含量大、液塑限高、亲水性较强、水稳性差等特点。建设中主要存在3个问题：一是在南方地区湿润气候条件下很难通过翻晒将细粒土填料从天然含水率降至最佳含水率附近进行碾压使其达到压实控制标准，导致路基填筑工期大大延长；二是采用传统弃土换填技术会大量占地，造成严重水土流失；三是若采用掺灰或掺砂改良技术，会导致环境污染和造价数倍增加。杨世基分别采用干法和湿法制作同一含水率土样进行击实试验，发现2种制样方法的试验结果存在明显差异，表明实际合理的压实含水率应根据填土类型、需获得的工程性能及实际操作性来选择。吴立坚等以确保路基强度与稳定为目标，通过已完工多个工程实例的总结，结合相关科研成果进行分析，认为高塑性土应选取稠度1.0～1.3的含水率作为填筑含水率，其压实度下限值为87%。JTG D30-2015《公路路基设计规范》规定，对于南方湿润多雨地区的特殊土压实，可适当降低其压实度标准。已有工程实践也表明，在细粒土满足路基对填料强度和变形要求的前提下适当降低压实度控制标准，同样可确保路基的长期稳定。由于含水率是影响路基压实的关键因素，吸附结合水又是细粒土中水的主要形式，研究结合水对细粒土路用性能的影响和压实机理，对于促进中国特殊土路基工程问题研究和绿色公路建设具有重要理论和实际意义。

1 广连高速公路细粒土的物理性质

广连高速公路TJ02标段(起止桩号为K19+866.958—K48+090)长28.223 km，工程投资23.46 亿元。根据勘探结果，路段存在80多万m3天然含水率偏高的细粒土填料，其中高液限土26.4万m3，主要分布路段占全线的10%。对较典型的细粒土从现场取样进行液限和塑限试验、土颗粒筛分试验等，分析其基本物理性质与组成，结果见表1。

由表1可知：土样的液、塑限较高；细粒含量较大，两土样均大于60%；粗粒组中的砂粒含量均大于砾粒含量，根据JTG E40-2007《公路土工试验规程》，两土样均为含砂低液限黏土(CLS)；土中大量细粒为其吸附结合水创造了有利条件，天然含水率较大且均大于25%。两土样为典型的细粒土。

表1 广连高速公路细粒土的物理性质

2 吸附结合水测试

已有研究表明：土中含有大量吸附结合水，吸附结合水密度大，约为1.3 g/cm3，在一定条件下仍具有近似固体的性质，不传递静水压力，具有一定的黏滞性和抗剪强度，不能自行由一个土颗粒旁移到另一个土颗粒上，只有当压力大于3 MPa时，这部分结合水才能从土中排出。

文献[6]选取应用较广、试验简单、适合在工程中推广的容量瓶法和等温吸附法进行对比研究，发现容量瓶法测试吸附结合水的过程更符合工程中土样的实际情况，吸附结合水含量测试宜采用容量瓶法。

参照文献[7]中容量瓶法试验步骤对土样进行吸附结合水含量测试。将土样在105 ℃下烘干取出，待土样冷却后，取一定质量土样与一定体积25 ℃的水，在25 ℃恒温下分别加入容量瓶中混合，使土颗粒完全分散并充分吸附结合水。吸附结合水的密度由吸附前的1.0 g/cm3增至1.3 g/cm3，总体积减小，通过观测容量瓶中总体积的变化，并进行蒸发校正，根据文献[7]中公式计算得到标准温度下土样的吸附结合水含量(见表2)。

表2 各土样的吸附结合水含量测定结果

由表2可知：各土样的吸附结合水试验结果虽然不同，但具有相似的规律，吸附结合水都是从形成较快再减慢最后趋于稳定。GL-1、GL-2试样的吸附结合水含量均较高，分别为21.2%、22.6%，均小于且接近于塑限，且GL-1的吸附结合水含量小于GL-2，测量结果与文献[6-8]中黏土吸附结合水和塑限经验公式接近。

3 吸附结合水对含砂低液限黏土路用性能的影响

对试样展开重型湿法击实、湿法浸水CBR和非饱和固结试验，结合容量瓶法测试结果，分析吸附结合水对含砂低液限黏土击实特性、强度、水稳性和非饱和固结特性的影响。

参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》，按照湿法制样进行重型标准击实试验，确定填料干湿法的最优含水率与最大干密度。用湿法击实成型后的试件浸水进行CBR(加州承载比)试验，确定CBR值和CBR膨胀量。取至少5份天然含水率状态下的土样，用手拣除其中大于40 mm的粗石子，把土样铺开在室内干燥，每隔1 h翻拌1次，使其含水率比天然含水率依次降低2%～4%，对土样分别进行重型击实后测量湿法土样在相应含水率状态下的干密度，得到湿法击实曲线。按CBR试验要求将湿法土样在水中浸泡4 d后进行CBR试验，得到湿法土样的CBR值及CBR膨胀量(见图1)。

由图1可知：1) 土中吸附结合水的含量远高于最佳含水率，GL-1、GL-2的最佳含水率分别为16.5%和17.5%，均低于其天然含水率10%左右，在广东湿润地区很难使天然含水率降低至最佳含水率附近；随着初始含水率的降低，浸水后虽然黏粒结合水膜增厚，但粉粒和粗粒之间的刚性接触保证了土体整体强度，CBR增大；随着初始含水率逐渐减小至吸附结合水含量附近，土中水多具有固体性质且具有一定抗剪强度，这种状态下含砂低液限黏土的CBR均在强度较理想的范围内。浸水CBR峰值的初始含水率也靠近吸附结合水含量，大于最佳含水率2%～3%。2) 在同一击实功作用下，土样的CBR浸水膨胀量随制样含水率的增加而减小，说明偏湿状态下碾压的含砂低液限黏土路基的水稳定性更好。初始含水率低于吸附结合水含量时，试样浸水后的膨胀量显著增大；试件含水率低于吸附结合水含量时，土颗粒表面吸附结合水还未吸附饱和，土颗粒吸附结合水，使水膜增厚发生体积膨胀，随着结合水含量的降低，土颗粒吸附结合水的能力越强，能吸附的结合水含量也越多；试件含水率大于吸附含水率时，吸附结合水的含量基本达到饱和，试件基本不发生膨胀。

图1 湿法击实及CBR试验结果

在广东湿润地区采用含砂低液限黏土填筑路基，通常压实含水率较高，压实度较低，路基工后沉降偏大。为评价含砂低液限黏土在高含水率状态下填筑的压缩性，对两土样湿法重型击实曲线的湿侧各点(含水率比最佳含水率高的各试验结果点位)开展非饱和固结试验，测定其压缩系数，结果见图2。

图2 固结试验结果

固结过程是土体在应力状态改变时孔隙水排出、体积压缩，荷载引起的应力从孔隙水逐渐转移到土颗粒骨架上，直至变形达到稳定的过程。由图2可知：土体的压缩系数随含水率的增大而增大。含水率小于吸附结合水含量时，压缩系数随含水率增加较缓；含水率大于吸附结合水含量时，受力可变形和迁移的弱结合水增加，压缩系数随含水率增加而显著增大。但各含砂低液限黏土在高含水率状态下的压缩系数均小于0.5 MPa-1，表明在天然含水率至最佳含水率之间的任何含水率下进行碾压，只要能达到该含水率下的最大密度，就能满足规范对填料压缩系数的要求。尽管广连高速公路含砂低液限黏土在高含水率下干密度较小，但吸附结合水含量多，这一部分吸附结合水一般不会被压缩移动，故其压缩系数能满足规范要求。

4 湿润气候条件下含砂低液限黏土路基压实度控制标准

在南方气候条件下，路面以下路堤填料的温度一般为20～25 ℃，文中吸附结合水含量标准测试温度为25 ℃。根据南方地区膨胀土路基不同土体位置长期温度监测结果，南方地区除表层土体在极少出现的极端气候时其温度能达到30 ℃外，其余路基内部大多数时间的土体温度平均在25 ℃或以下。同一土样的吸附结合水含量会随温度升高而降低，故绝大多数时间路基中的吸附结合水含量大于文中试验结果，即使极端升至30 ℃，吸附结合水含量的减少也不会超过1%。因此，在湿润多雨的广东地区，路基内部大多数时间的土体温度平均在25 ℃或以下，上述容量瓶法测试结果基本符合路基实际情况且相对稳定。多个现场调查结果也表明，在南方气候条件下，细粒土路基含水率会从初始压实控制含水率逐年升至平衡含水率，约为塑限。

规范针对土质路基压实度标准，提出“路堤采用特殊填料或处于特殊气候地区时，压实度标准根据试验路在保证路基强度要求的前提下可适当降低”。针对这一空白点，文献[12]对南方地区高液限土展开研究，根据吸附结合水具有近似固体的特性和在路基中长期稳定，将其视为土中固相一部分，基于规范对高速公路下路堤压实度的要求，提出以吸附结合水含量和最佳含水率为参数的压实度控制下限值Kmin计算公式：

(1)

式中：wopt为土样的最佳含水率。

按照式(1)，根据湿法击实和吸附结合水测试结果计算广东湿润地区含砂低液限黏土路基压实度控制标准，并对广连高速公路两土样就近开展试验路试验，试验结果见表3。根据现场检测结果，压实含水率略低于天然含水率1.2%～2.4%，但大于最佳含水率7%～8.4%，两试验路现场检测压实度基本上能达到文献[12]中方法确定的压实度下限值。

表3 各土样的试验路段压实度检测结果

不论填筑含水率高低，含砂低液限黏土路基含水率会从初始压实控制含水率逐年升至平衡含水率，在南方湿润地区花大量时间翻晒含砂低液限黏土降低含水率进行填筑不仅耗时耗力且效果不好。由于平衡含水率大于吸附结合水含量，在含砂低液限黏土路基湿度平衡后的运营期直至设计使用年限末期，含砂低液限黏土中的吸附结合水含量都相对稳定，吸附结合水具有一定的强度又难以排出，湿润地区路基工程中吸附结合水可看作含砂低液限黏土中稳定的一部分。第3节的试验结果也说明试验初始含水率在吸附结合水含量附近时水稳定性好、CBR强度能满足规范要求。因此，广连高速公路含砂低液限黏土宜在偏湿条件下进行施工。按文中压实度标准填筑广连高速公路路基，既可充分利用天然含水率过高的含砂低液限黏土，又可保证含砂低液限黏土路基的施工效率。

5 结论

(1) 含砂低液限黏土中含有大量吸附结合水，且其含量略低于塑限。

(2) 广东广连高速公路典型含砂低液限黏土的CBR峰值含水率比最佳含水率高2%～3%；其CBR膨胀量均随初始含水率的降低而增大，初始含水率低于吸附结合水含量时试样浸水后的膨胀量显著增大；初始含水率在吸附结合水含量附近时CBR强度较好，且水稳性好；其压缩性较好，在高含水率状态下也能满足规范对填料压缩性的要求。

(3) 在南方湿润地区，含砂低液限黏土宜在偏湿条件下施工，可采用文献[12]中适用于南方湿润地区的含砂低液限黏土压实度控制标准。吸附结合水含量越大于最佳含水率，含砂低液限黏土路基压实度控制的下限值越低。