掺砂对于湖区路基黏土工程性质的影响研究

龙滔， 石婧

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

近年来，公路交通运输的快速发展对公路基础设施提出了更高的要求。作为公路结构的重要组成部分，路基质量对公路安全运营有重要的影响，选择合适的路基填料成为路基长期质量保证的必要前提。湖南省洞庭湖区广泛分布有高压缩性黏土，对于公路路基而言属于不良填料范畴，如果简单地把该类土作弃方处理，不仅会带来路基填料不足，还会增加长距离运土带来的工程费用，在当前节能环保要求不断提高和工程建设成本控制的要求下，有必要在改善该类土工程性质的基础上对其进行充分利用。目前，中国国内学者已经开展了一些通过添加不同的替代材料(砂、石等)来改善不良填料工程性质的研究，主要思路为探讨添加量和添加材料类型对强度特征、击实特性、水稳性等的影响，然而受母岩性质、气候条件和风化程度的影响，各种改良方案具有明显的地域差异性，而针对洞庭湖区黏土的改良研究报道较少，因此，该文以该地区两种典型黏土为研究对象，通过分析不同掺砂量和掺砂类型对黏土液塑限、最大干密度、最优含水率、CBR值等的影响规律，结合经济成本，得出不同路基层填料掺砂改良的建议方案。

1 试验材料

试验用Ⅰ号、Ⅱ号黏土取自洞庭湖周边黏土分布地区的公路建设现场(地表硬壳层)，相应的基本物理力学性质见表1，级配曲线如图1所示，根据界限含水率及塑性图，两种黏土分别为低液限黏土(CL)和高液限黏土(CH)，天然含水率分别高出最优含水率5.2%、6.7%，土体难压实。为改善上述黏土的工程性质，参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》对于砂土的分类，分别选取了细砂、中砂、粗砂作为掺入土，这3类砂均可以在当地市场购买，相应的级配曲线见图2，密度分别为2.66、2.58和2.51 g/cm3。

表1 湖区黏土的基本物理力学性质

图1 两种黏土的级配曲线

图2 3种砂土的级配曲线

2 试验方案

研究中，将两种黏土分别与3种砂土进行混合形成改良土，其中3种砂土掺入量分别为0%、5%、10%、15%。随后对改良土开展界限含水率试验、击实试验和承载比(CBR)试验，具体试验过程参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》。其中进行液塑性试验时，先将改良土通过0.5 mm筛孔进行过滤。

3 试验结果分析

3.1 液塑限指标分析

掺砂量对液塑限的影响如图3所示。

图3 掺砂量对黏土液塑限的影响

由图3可以看出：Ⅰ号、Ⅱ号黏土的液、塑限变化规律相似。当掺砂5%时，两类土的液限分别下降至38%和44%左右，而塑限均下降至25%左右，继续增加掺砂量则对液限、塑限的影响不明显。此外，液限、塑限基本不受掺砂种类的影响，这是由于进行液塑限试验前改良土均通过0.5 mm筛孔，因此掺砂类型对改良土的级配影响不明显。塑性指数的变化趋势(表2)与液限变化趋势基本一致。根据JTG D30-2015《公路路基设计规范》可知：在掺砂5%以上的条件下，两种黏土的液限均降至50%以内，且塑性指数小于26，均符合路基填料液塑限指标的要求。

表2 不同掺砂量下的塑性指数

3.2 压实指标分析

不同掺砂量对最大干密度的影响如图4所示。由图4可知：当Ⅰ号土掺细砂量从0%增加至15%时，最大干密度从1.72增加至1.80 g/cm3，添加中砂时，最大干密度增加至1.82 g/cm3，添加粗砂时，最大干密度增加至1.85 g/cm3；对于Ⅱ号土，干密度增加的趋势更加明显。总体来看，掺砂量的影响要大于掺砂种类的影响。

不同掺砂量对最优含水率的影响如图5所示。由图5可以看出：随着掺砂量的增加，最优含水率逐渐减小，其中添加细砂时最优含水率减幅最小。根据路基现场勘查，该地区黏土的天然含水率普遍大于最优含水率5%～6%，因此在路基压实施工前，需要将填料翻晒至最优含水率附近以便于压实。掺砂后改良土的天然含水率和最优含水率均会下降，若忽略粒径影响和砂粒填充孔隙时的排水作用，掺砂5%、10%、15%时，Ⅰ号黏土的天然含水率将下降22.5%、21.5%、20.6%，Ⅱ号黏土的天然含水率将下降23.4%、22.3%、21.4%，而根据图5可知：天然含水率仍高于最优含水率，但最优含水率在掺细砂时降幅最小，与天然含水率最为接近，改良土进行压实所需的翻晒周期更短。

图4 掺砂量对最大干密度的影响

图5 掺砂量对最优含水率的影响

3.3 承载比指标分析

不同掺砂量对加州承载比(最优含水率条件)的影响如图6所示，图6中水平虚线为JTG D30-2015《公路路基设计规范》中对于不同路基层位最小承载比的要求值。由图6可以看出：在未掺砂时，Ⅰ、Ⅱ类土的CBR仅符合上路堤填筑要求，而随着掺砂量的增加，CBR值有了明显的上升。其中掺细砂对于CBR值的提升作用最大，掺细砂5%时两类改良土的CBR值分别为6.04%和7.06%，达到了下路床填料的要求，掺细砂10%时两类改良土的CBR值分别为7.93%和8.15%，接近或达到了上路床填筑的要求。掺中砂和粗砂的改良效果相对较弱，但掺砂量达到15%时改良土的CBR值分别为8.51%和8.08%，达到了上路床填筑的要求。

图6 掺砂量对CBR值的影响

3.4 综合分析

通过对上述两种典型黏土的分析，并结合经济成本，得出该地区黏土的掺砂改良方案如表3所示。

表3 掺砂改良建议方案

4 结论

(1) 掺砂可以有效降低两种典型黏土的液限、塑限和塑性指数，使上述指标达到路基填料的要求范围，但掺砂量(5%～15%)对指标降低的影响不大。

(2) 在压实特性方面，最大干密度随着掺砂量的增大而增加，而掺砂种类对最大干密度增加的影响为粗砂>中砂>细砂；而掺砂后改良土的天然含水率和最优含水率均会下降，在掺砂量相同的条件下，掺细砂时天然含水率与最优含水率的差别最小，因此掺细砂改良土在压实前的翻晒周期相对较短。

(3)CBR值随着掺砂量的增大而明显增加，其中掺细砂对于CBR值的提升作用最大，掺细砂5%时两类改良土的CBR值达到了下路床填料的要求，掺细砂10%时两类改良土的CBR值接近或达到了上路床填筑的要求。

(4) 结合改良土工程性质和经济成本，建议该地区黏土掺砂改良的首选方案为：路堤掺细砂5%、下路床掺细砂5%、上路床掺细砂10%。