碎石改良高液限红粘土击实性能试验研究

王海湘，于冬升，张金团，梁 思，邓芳玲

（贺州学院 建筑工程学院，广西 贺州 542899）



碎石改良高液限红粘土击实性能试验研究

王海湘，于冬升，张金团，梁 思，邓芳玲

（贺州学院 建筑工程学院，广西 贺州 542899）

摘要：为了研究碎石对改良高液限红粘土的影响，选用两组不同粒径的碎石，按不同比例掺入试验土样中，并进行击实试验. 实验结果表明不同掺料比的碎石改良高液限红粘土的击实曲线变化规律不同，随着掺料比的增加最优含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大. 由于碎石的粒径大小和高液限红粘土的土团效应对碎石改良此类土均有影响，尽管两种碎石改良土最大干密度均随着掺料比的增加而逐渐增大，但二者的趋势存在差异，可见二者的改良效果有区别.

关键词：改性土；高液限红粘土；击实试验；掺料比

高液限红粘土性质独特，主要表现在具有含水量高、塑性指数和液限高、容易收缩开裂、水的稳定性和压实性差等［1-3］，属于不良路基填料，国家明令禁止高液限红粘土未经处理直接作为路基填料. 但其主要分布在中国长江以南地带且面积广泛［2，3］，所以备受研究人员和工程技术人员的关注. 为解决高液限红粘土不能直接用于路基填料的难题，学者们先后提出多种处理办法，主要为化学改良办法、弃土换填办法和物理改良办法［3-6］等；常见的化学改良办法包括掺水泥［7］、石灰［8-10］、离子土壤固化剂［2， 11］和煤矸石［14］等材料进行改良，物理改良办法包括掺砂［12， 13］、掺风化砂［3］、掺粉碳灰［12］和废弃轮胎橡胶颗粒［15］等材料进行改良. 化学改良办法和弃土换填办法虽然都取得了一定成效，但也同时存在不足，比如化学改良办法使用的材料容易对道路建设所处区域的土壤环境造成污染，弃土换填办法容易破坏弃土场的自然环境，且会增加工程成本［3］，可见这两种办法并不如物理改良办法占优势. 本文拟利用物理改良办法，通过掺不同粒径的碎石进行击实试验.

1　击实试验特点

在道路建设中，路基的压实性能是关系道路工程质量优劣的重要因素之一，因此对路基土体压实性能的勘测是道路建设前期必须完成的一项任务. 路基土体压实性能的评价指标主要由土体的击实曲线表达［16］，曲线中的含水率和干密度指标由击实试验获得，击实试验的主要目的是获取土体的最大干密度和最优含水率，这两个相互影响的指标受某一特殊击实功作用得来［17］. 在击实曲线中含水率的最大值为最优含水率，而最优含水率对应的干密度为最大干密度.

含水率和干密度受击实功与试验方法影响. 击实功越大土体的压实效果越强，击实功越小压实效果越差；试验方法不同，土体表现出的压实效果和工程性质也不同. 土体颗粒大小对击实效果也会产生影响. 由于土体受自由水和结合水的影响，当击实功与试验方法相同时，随着含水率的增加干密度也不断变大，当含水率达到一定程度后干密度开始减小，含水率与干密度成非线性关系. 当击实试验开始时，低含水率的土样，有效击实功比较弱，原因在于土体击实过程中，大部分击实功在克服土体运动的摩阻力上被消耗；随着含水率的增加，颗粒间的摩阻力逐渐减小，有效击实功变强，土体被压实的效果逐渐增强；当含水率达到一定高度时，土中含自由水也增多，土中胶粘物质将自由水封闭导致其不易被排出，击实功被大量消耗于自由水中，有效击实功被消耗，土的体积被空隙占据，其干密度减弱［18］.

2　试验设计

2.1试验材料

2.1.1试验土样

试验用的高液限红粘土取自贺州市某新建公路施工现场，呈棕红色，结构较松散，土质较均匀，天然含水率高. 根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）和《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），取得试验土样的基本物理性质指标如表1.

表1　试验土样的物理性质指标

根据表1可见，试验的液塑比为1.78，界限液塑比为1.82，界限液塑比大于液塑比，依据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）第7.8.1条规定，可确定该试验土样收缩后复浸水膨胀，不能恢复到原位；另外，试验土样的塑性指数为28.2（大于26），液限为64.3%（大于50%），《公路路基设计规范》（JTG D30-2015） 第3.3.3.4条规定：“液限大于50%，塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路基填料”. 因此，此类土样必须改良后才能用于路基施工. 而试验土样的击实曲线见图1，试验土样的最优含水率为27.2%，对应最大干密度为1.53g/cm³.

2.1.2改良材料

试验采用贺州市本土自主加工生产的大理石碎石作为改良材料，碎石粒径分为2.5～5mm和16～19mm两种类型. 贺州市大理石资源丰富，便于就地取材，并降低实际道路建设材料运输成本.

2.2试验方法

2.2.1样品制备

虽然湿法制备样品的试验结果更贴近实际，但由于试验土样的含水率高，若选用湿法制备样品，试验周期较长，易受气候因素影响，同时不便于在室内进行大量试验，故本试验选用以下方法制备样品. 试样制备步骤为：

步骤1 在试验样地取土样，烘干（含水率为0%），碾散，过22mm的土工标准筛，将筛下的土样搅拌均匀，用四分法取500kg筛下的土样，将这500kg土样分为10份（每份50kg），分成2组，每组5份，即A组和B组.

步骤2 在A组中，将每份土样分为7小份，向每小份土样中加不同比例的自来水，分别将每份土样的含水率调配为20%、22%、24%、26%、28%、30%和32%等7个等级，因此每种含水率的土样有5小份；向每种含水率的土样中分别按10%、15%、20%、25%和30%比例掺入直径2.5～5mm的碎石；用塑料袋密封，贴上标签，闷料24h.

同A组配料方法一样，在B组中，将每份土样分为7小份，向每小份土样中加不同比例的自来水，分别将每份土样的含水率调配为24%、26%、28%、30%、32%、34%和36%等7等级，因此每种含水率的土样有5小份；向每种含水率的土样中分别按10%、15%、20%、25%和30%比例向每份土中掺入直径16～19mm的碎石；用塑料袋密封，贴上标签，闷料24h.

步骤3 闷料24h后，再次将掺碎石的土样搅拌均匀，从每种掺石土样中随机取不同点的样品进行击实试验.

2.2.2击实试验

试验仪器选用DZY-3型土工电动击实仪，试验方法依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）第10.0.5条规定的步骤进行. 干密度的计算公式依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）第10.0.6条规定进行计算.

图1 土样击实曲线

3 试验结果

3.1掺2.5～5mm碎石的击实结果

图2 不同掺料比改良土样的击实试验曲线

表2　不同掺料比的击实参数

通过重型击实方法，分3层，每层击实98次，土层连接处刨毛，对掺粒径为2.5～5mm碎石的土样进行击实，击实曲线如图2所示.

各曲线的最大值为相应掺料比改良土样的最大干密度，其对应含水率为该改良土样的最优含水率，不同掺料比的最大干密度和最优含水率如表2所示. 随着掺料比的增大，最优含水率逐渐减小，掺料比为10%时最优含水率最大（为24.36%），掺料比为30%时最优含水率最小（为21.62%），详见图3（a）. 随着掺料比的增大，最大干密度逐渐增大，掺料比为30%时最大干密度最大（为1.7 g·cm-3），掺料比为10%时最大干密度最小（为1.56g·cm-3），详见图3（b）. 所以，随着掺料比的增加最优含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大.

图3 掺料比和含水率与干密度的关系

3.2掺16～19mm碎石的击实结果

通过重型击实方法，分3层，每层击实98次，土层连接处刨毛，对掺粒径为16～19mm碎石的土样进行击实. 击实曲线如图4所示.

图4 不同掺料比改良土样的击实试验曲线

表3　不同掺料比的击实参数

各曲线的最大值为相应掺料比改良土的最大干密度，其对应含水率为该改良土样的最优含水率，不同掺料比的最大干密度和最优含水率如表3所示. 随着掺料比的增大，最优含水率逐渐减小，掺料比为10%时最优含水率最大（为33.18%），掺料比为30%时最优含水率最小（为25.83%），如图5（a）所示. 随着掺料比的增大，最大干密度逐渐增大，掺料比为30%时最大干密度最大（为1.67 g·cm-3），掺料比为10%时最大干密度最小（为1.51 g·cm-3），如图4（b）所示. 所以，随着掺料比的增加最优含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大.

图5 掺料比和含水率与干密度的关系

4　结果分析

4.1掺碎石量对最大干密度的影响

由试验结果分析可知，在相同击实功和试验方法的基础上，虽然粒径为2.5～5mm和16～19mm的两种碎石改良土最大干密度均随着掺料比的增加而逐渐增大，但不同粒径的曲线趋势存在差异.

掺料比为10%～20%时，粒径为2.5～5mm碎石改良土的最大干密度增长速度较快；而粒径为16～19mm碎石改良土的最大干密度呈先慢后快趋势增长. 主要原因在于当碎石含量较少时，粒径越小的碎石，在掺料搅拌过程中与土体的搅合机会较大，较容易与土体咬合形成具有一定结构的整体，从而改良土的密度变大，改良效果相对较好；粒径越大的碎石分布较零散，在单位体积内与土体咬合的机会较小，难于与土体结合形成具有一定结构的整体.

掺料比为20%～30%时，两种改良土的最大干密度都呈先慢后快的增长趋势. 此时碎石改良土在单位体积内碎石的含量明显增多，碎石与土样的接触面变大，颗粒级配变好，大粒径碎石开始发挥其作用，碎石与土体镶嵌咬合，形成具有一定架构的整体，密实度加大.

4.2掺碎石量对最优含水率的影响

尽管粒径为2.5～5mm和16～19mm的两种碎石改良土最优含水率均随着掺料比的增加而逐渐减小，但不同粒径的曲线趋势也存在差异. 由于试验用碎石含水率较低，碎石与高液限红粘土拌合，碎石吸收了部分土体内部的水分，导致原有土体中含水率降低. 当掺料比较低时，在单位体积中小粒径的碎石与土体咬合的机会较大，而大粒径的碎石分布较零散，与土体均匀咬合的机会较小，所以粒径为2.5～5mm改良土的最优含水率下降速度快，而粒径为16～19mm改良土的最优含水降低较慢. 当大粒径碎石的含量达到20%时，大粒径碎石改良土的最优含水率下降速度明显变快，主要在于此时大粒径碎石在单位体积内的分布均匀度增加.

4.3碎石粒径对土体改良效果的影响

由于高液限红粘土具有土团效应［10］，在试验搅拌土样的过程中难于将成团的土团打散［15］，从而导致改性材料很难与土体均匀接触，碎石分布不均严重影响改良土的改良效果.

另外，由于碎石的形状不规则，在掺碎石改良土样的试验过程中产生误差难于避免. 粒径小的碎石在拌合过程中，容易被土体包裹，而粒径大的碎石难于融入已成团的土内. 在掺料比较少时，大粒径碎石在拌合和击实过程中由于受重力和击实力作用，容易处在土体下部，而粒径小的碎石则容易粘在土体表面.

5　结语

本文通过掺不同粒径的碎石对试验用土样进行改良，并从掺碎石量和不同碎石粒径对击实土样的最大干密度、最优含水率影响分析改良效果，结果表明：

1）掺料比不同，碎石改良高液限红粘土的击实曲线变化规律不同，随着掺料比的增加最优含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大.

2）尽管粒径为2.5～5mm和16～19mm的两种碎石改良土最大干密度均随着掺料比的增加而逐渐增大，但二者的趋势存在差异，在掺料比较小时，粒径为16～19mm的碎石改良土表现出的改良效果不明显，而粒径为2.5～5mm的碎石改良土增长效果较显著.

3）碎石的粒径大小和高液限红粘土的土团效应对碎石改良此类土均有影响，如何解决此问题是提高改良土工程性质的关键技术之一.

但是由于本试验侧重点为研究碎石改良高液限红粘土的击实性能，而对于此类改良土的其他工程性质研究还不够深入，比如此类改良土的液限、塑性指数、收缩性、水稳定性、压实性、抗剪强度、抗压强度和承载力等问题. 此试验为室内模拟试验，若能将室内试验与实际工程检测试验结合开展研究，试验结果将会更有参考价值.

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（责任编辑：饶 超）

Experimental Study on Densification Performance of High Liquid Limit Red Clay Modified with Crushed Stone

WANG Haixiang， YU Dongsheng， ZHANG Jintuan， LIANG Si， DENG Fangling
（Institute of Architectural Engineering， Hezhou University， Hezhou 542899， China）

Abstract:In order to study the effect of crushed stone on the improved high liquid limit red clay， two groups of crushed stone with different diameters were selected and mixed into the test soil sample with different proportion. Then a compaction test is implemented on improved test soil sample. The high liquid limit red clay that improved by different admixture ratio of rubble have different change rules of compaction curve ，which indicates that the optimum moisture decreases and the maximum dry density increases while its admixture increases. Both the clayey gathering effect of the high liquid limit red clay and the diameter of crushed stone have influences on the effect of soil improving. Although the maximum dry density of two groups is increasing with the rise of admixture， the trends of both are different， and the improved effects of both are different.

Key words:Modified soil； High liquid limit red clay； Compaction test； Additive proportion

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：2095-4476（2016）05-0021-05

收稿日期：2016-04-13；

修订日期：2016-04-25

基金项目：广西壮族自治区科学研究与技术开发计划资助项目（桂科能15122001-3-18）； 广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目（KY2016LX376）； 贺州学院自然科学基金资助项目（2015ZZZK08）

作者简介：王海湘（1989— ）， 男， 海南文昌人， 贺州学院建筑工程学院助教.