高液限土物理特性与路基填筑试验研究

2018-05-08肖芳芳

福建交通科技 2018年2期

■肖芳芳

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004）

1 引言

福建省高液限粘土大都属于花岗岩类残积土，该土天然含水率大，液限高，塑性指数大，水稳定性差，尽管在低含水量情况下它能达到较高的强度，但由于其颗粒微观势能严重不平衡，极易受自然降水、地下水或地表水影响，甚至强烈从大气中吸收水分，吸水后的路基发生膨胀，密度减小，强度急剧下降，在行车荷载和土自重作用下，发生不均匀沉降、开裂、横向位移等病害。通过试验发现，高液限土通常存在一种最佳状态，在该状态下，其颗粒排列最优（击实功最佳），含水率最佳，稳定强度（浸水CBR值）较大（可满足规范的最小强度要求），胀缩量较小[1]。

福州莆炎高速公路某合同段93区路基进行填筑前，试验发现填料选取区域K98+685～K98+795土的液限为54.6，塑性指数为27.7，为高液限土。根据《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）规定：液限大于50%、塑性指数大于26、含水率不适宜直接压实的细粒土，不得直接用于填筑路基，确需使用时，必须采取技术措施进行处理，经检验满足设计要求后方可使用[3]。

《福建省高液限土路基设计与施工技术规范》（DB35/T 1640-2017）规定：用于公路路基填筑的高液限土的CBR值应于大3且其液限宜小于70%[4]。为此，对该段高液限土进行专题试验研究，通过室内试验和试验路铺筑，获取该高液限土的合理含水率、击实功和施工工艺，使其满足强度和水稳性要求，用于该路段93区路基填筑，从而降低工程造价，并达到节约土地、环保的目的。

2 室内试验研究

对填筑区高液限土进行基本性能试验，为寻找该高液限土“最佳状态”奠定基础。试验内容包括：液塑限、塑性指数，颗粒分析，土粒比重，分类、定名，天然含水率，天然稠度，常规重型击实功下最大干密度、最佳含水率，得到其基本物理性能指标，详见表1。

随后，进行湿法标准击实试验，求取最大干密度和最佳含水率，在此基础上调整含水率与击实功，进行湿法制件，测其泡水96小时后承载比、密实度、膨胀率、吸水量等指标，找到该高液限土满足浸水CBR≥3.0的“最佳状态”。

根据本项目土的天然含水率及标准击实结果，拟定土的可用含水率范围为24%～30%，结合试验晾晒结果，实际拟定24.1%、26.0%、28.6%、30.2%四个控制含水率，分别采用 3×28、3×42、3×63 和 3×98 四种击实功，按湿法制作试件，测定干密度，泡水4昼夜后CBR值、膨胀量等指标，试验结果详见表2。根据试验结果对土的强度（CBR）、干密度、饱和度、膨胀量、压实度与含水率、击实功之间的关系进行分析。

表1 土的基本物理指标

表2 不同含水率、击实功下土的性能

2.1 土的物理特性

2.1.1 强度（CBR）与含水率、击实功关系

在合理含水范围内，相同含水率的土体，强度随击实功的减小而减小，同时当土体含水率较高时，土体强度随击实功的增大先增加后减小，也即当土体含水率较高时，并非碾压遍数越多得到的土体强度越高。对不同含水率的试验土样采用相同的击实功进行击实，在击实功较大时强度随含水率的增大先增大后减小；击实功较小时强度随含水率的增大而增大，见图1。

图1 强度（CBR）与含水率、击实功关系

2.1.2 干密度与含水率、击实功关系

在合理含水率范围内，相同含水率的土样，干密度随击实功的减小而减小；同样击实功作用下，大体上土体干密度随含水率的增加而减小，见图2。因此为保证干密度满足要求，土体含水率不能过高。

图2 干密度与含水率、击实功关系

2.1.3 饱和度与含水率、击实功关系

在合理含水率范围内，相同含水率的土样，饱和度随击实功的减小而减小，这与干密度变化规律一致。同样击实功作用下，土体饱和度随含水率的降低而降低，见图3。随着含水率的降低，土体饱和度快速降低，由于土体饱和度过低，将形成较强的吸水势能，一旦吸水将对土体强度和稳定性产生不利影响，因此在实际填筑过程中，需保证高液限土较高的饱和度，即较大的含水率。该含水率比最佳含水率要高。

2.1.4 膨胀量与含水率、击实功关系

图3 饱和度与含水率、击实功关系

在合理含水率范围内，相同含水率的土样，膨胀量随击实功的减小而增大，各设计击实功对应的膨胀量均小于5%。同样击实功作用下，土体膨胀量随含水率的减小而增大，见图4。因此实际填筑过程中，含水率不能过低，碾压遍数不能过少，否则因为膨胀量过大，水稳定性不能满足要求。

图4 膨胀量与含水率、击实功关系

2.1.5 压实度与含水率、击实功的关系

在合理含水率范围内，相同含水率的土样，压实度随击实功的减小而减小；同样击实功作用下，大体上土体压实度随含水率的增加而减小，见图5。说明要达到一定的压实度，击实功不能过小，含水率不能过高。

图5 压实度与含水率、击实功的关系

2.1.6 强度（CBR）与干密度、饱和度的关系

室内试验结果表明，在合理含水率范围内，只有采用合理的击实功，才能获取较大的干密度、饱和度、较高的强度、较小的膨胀量，从而保证其较佳的水稳定性。根据强度与干密度之间的关系，见图6，强度与饱和度之间的关系，见图7，土样CBR强度与干密度、CBR强度与饱和度之间均存在对应关系，因而采用干密度、饱和度联合对高液限土填筑质量进行控制，可以确保强度和水稳性满足要求。

图6 强度与干密度的关系

图7 强度与饱和度的关系

2.2 制定室内试验控制标准

在初步拟定的合理含水率即24%～30%范围内，通过实测压实度、含水率和对应的CBR值，综合评判后，确定现场的压实度不得小于87%。同时，为了保证其水稳定性，应使饱和度大于80%，初步制定室内试验标准如表3。待试验路填筑验证，根据实际情况与检测结果调整含水率及其对应的控制指标。

表3 干密度（压实度）和饱和度室内试验控制标准

代表性土样附近山头高液限土，在颜色等外观变化不大情况下，应进行必要的液限、塑限、颗粒分析、土粒比重、分类、定名、天然含水率、天然稠度等基本性质指标试验。在液塑限、颗粒组成基本一致情况下，标准重型击实下最大干密度与代表性土样相差在±0.05g/cm3内时可套用代表性土样控制指标，饱和度控制指标需根据土粒比重进行相应调整。若在实际碾压中发现控制指标不易达到或过于宽松，以及土样性质发生变化时，请及时进行验证。在含水率处于非整数时，可用内插方法计算控制干密度与饱和度。

3 试验路铺筑及结果分析

在K98+850～K99+050处进行高液限土填筑试验，填料来源为K98+685～K98+795（室内试验区）。根据室内试验结果，将土晾晒至含水率为30%以下进行碾压。

3.1 试验路填筑设备及方法

试验路填筑主要设备为：压路机（型号：厦工20T）、平地机（型号：PY160）、推土机（型号：SD16）及旋耕机（型号：KYDS-200）。

试验土样进行填筑前先进行堆晒，控制松铺厚度为20～25cm，待表层土晾晒较干（表面发白）后用推土机大致推平，并用旋耕机及时翻晒，测取含水率在设计范围内时用20t压路机进行碾压，碾压完毕进行灌砂试验，测取干密度与含水率，并计算饱和度和压实度。

3.2 高液限土含水率及碾压方式控制

根据已有的研究成果及工程经验，含水率是控制高液限土能否碾压成功的最关键因素。含水率过高时进行碾压，由于土体透水性差，容易出现表面压实，而内部土体存在大量空隙的现象，即出现所谓的弹簧土。考虑到含水率过低现场晾晒困难，晾晒时间长影响工期；且土体吸水势能大，易导致土体吸水后性质变差，因此，试验路含水率控制在25%～30%之间。

碾压功是高液限土能否压实的重要因素。目前压路机常见的碾压方式包括静压、小振和大振等三种方式。以往的实践经验表明，大振的效果差，故本次试验段不再进行大振碾压。带振动的碾压可使一部分的下层水分泌出到表面，一定程度上让上下土层均匀。碾压时坚持先静压后弱振、先两边后中间的原则，采用静压1遍+小振6遍+静压1遍对路基进行碾压，为使土层表面更光滑、密实，充分利用泌出的水分浸润比较干燥的表层，并将总静压2遍分解为初压平面静压1遍与终压光面静压1遍。

试验路段压实完后立即测取现场干密度与含水率，并计算饱和度和压实度，得到的试验资料详见表4。

表4 试验路填筑检测结果

对比分析试验路填筑检测结果与室内试验控制标准，可见各含水率段与最终成型路基的干密度和饱和度可以满足室内试验提出的标准。

4 工程应用

在莆炎高速YK98+870-YK99+050段路基填筑上述高液限土，各层实测含水率及饱和度详见图8，可见除个别点，绝大部分填土指标能满足要求。表明K98+685～K98+795处共计16.3万方高液限土得到了成功应用。本应用不弃方、不换填、不改良，节约了土地，减少了水土流失，社会、经济、环保效益显著。