考虑持水能力的黄泛区高液限黏土路用压实标准

蒋红光　曹让　马晓燕　陈思涵　陈鲁川　姚占勇

摘   要：黄河下游冲淤积在山东省形成了大量特殊的高液限黏土，由于沿线平原区路基填料极度匮乏，若弃之不用将造成极大损失. 本文从施工期和运营期2个阶段对土体的强度和模量进行了試验探讨. 黄泛区高液限黏土主要由高含量的磨圆粉粒及黏粒组成，高于最优含水率压实时，土体表现出空气体积率低、饱和度高的特点. 基于滤纸试验，发现高进气值导致土体具有很强的持水性. 基于不排水、不排气的三轴试验，获得了不同压实状态下土体归一化静强度和抗剪强度指标与饱和度、空气体积率的相关关系. 该类土存在的最优饱和度为79%（相应空气体积率为8%）. 相较于土体的强度特征，黄泛区高液限黏土回弹模量受含水率的影响更敏感，含水率由20%增加至23%时，尽管路基依然保持稳定，但回弹模量的大幅衰减导致路基压缩应变增加近200%. 结合我国和日本的路基压实控制标准，提出黄泛区高液限黏土的填筑含水率不应高于23%，空气体积率不高于8%（即压实度控制在90%及以上），以保证土体强度和模量的长期稳定性.

关键词：黄泛区高液限黏土;持水能力;饱和度;空气体积率;抗剪强度;回弹模量

中图分类号：TU41                    文献标志码：A

Subgrade Compaction Control Standard of High Liquid Limit Clay in Shandong

Yellow River Flood Area Considering Its Water Retaining Characteristics

JIANG Hongguang1，CAO Rang1，MA Xiaoyan2，CHEN Sihan1，CHEN Luchuan3，YAO Zhanyong1

（1. School of Qilu Transportation，Shandong University，Jinan 250061，China;

2. Road Bureau，Shandong Provincial Department of Transport，Jinan 250002，China;

3. Qilu Transportation Development Group，Jinan 250101，China）

Abstract：Large area of special high liquid limit clay was formed due to the depositing in the downstream of Yellow River at Shandong province. Without the use of such clay in those plain areas in lack of filling materials， great resource waste would be caused. This paper experimentally examined the soil strength and modulus in both construction and operation periods. The high liquid limit clay in Yellow River flood area consisted of higher rounded silt particle and clay particle， which presented low volume ratio of air and high saturation degree when compacted above the optimum moisture content. Based on the filter paper tests， it was indicated that high air intake value resulted in strong water retention capacity. Through the unventilated-undrained triaxial test， the relationships between the normalized static strength， shear strength and saturation degree/volume ration of air were obtained at different compaction states. It was found that the soil had an optimum saturation ratio at 79%（volume ratio of air=8%）. The soil resilient modulus was more sensitive to the moisture contents. Although the subgrade remained safe when moisture contents increased from 20% to 23%，the compression strain increased by almost 200% due to the sharp decrease in the resilient modulus. Considering the subgrade compaction standard specified in China and Japan， the high liquid limit clay in Yellow River flood area should be compacted lower than 23% moisture content and 8% volume ratio of air，i.e.，no less than 90% compaction degree，to ensure the long-term stability of soil strength and modulus.

Key words：high liquid limit clay in Yellow River flood area;water retaining characteristics;saturation degree;volume ratio of air;shear strength;resilient modulus

黄河下游冲淤积在山东省鲁西南和鲁西北平原形成了大量特殊的黄泛区高液限黏土[1].与我国南方和西南地区的高液限黏土相比，该类土的粉粒含量高，塑性分类图上位于低液限黏土与高液限黏土过渡区域，土体表现出天然含水率高、保水性强、碾压过程易形成表层硬壳层等特点[2-4]. 我国《公路路基设计规范》规定：液限大于50%、塑性指数大于26的高液限土不能直接用于路基填筑[5]. 但是，在山东省交通量繁重的黄泛平原区，大量分布着这类高液限黏土，且其他土类取土困难，若弃之不用，将造成巨大的经济损失和环境问题.

对于典型南方高液限黏土的路用性能，我国很多学者开展了大量的室内外试验研究. 高液限土的力学性能受含水率的影响非常显著.刘顺青等[6]对广梧高速沿线的高液限土和红黏土开展了不同含水率下的土体强度试验，发现对于高液限土，其内摩擦角在含水率低于塑限时衰减缓慢，而含水率高于塑限后，内摩擦角快速减小;对于红黏土，粘聚力随含水率的变化同样呈现分段性;同时，由于高液限土表层失水速率比内部快，表层易出现硬壳层. 吴立坚等[7]对福建地区的高液限黏土进行了室内基本物性试验和现场填筑试验，认为当控制合理的含水率范围25%～32%（最优含水率为25%）、并重型碾压8～10遍时，可以保证压实后路堤的CRB值满足规范要求. 由于高液限土的天然含水率普遍比最优含水率高10%以上，通过晾晒的办法很难在短时间内将高液限土的含水率降至最优含水率的±2%范围以内. 因此，在较高含水率下降低压实标准，通过控制压实工艺同样可以使路基性能满足规范要求. 刘鑫等[8]通过对广梧高速公路河口至平台段高液限黏土的CBR值及沉降研究，提出了高液限黏土和含砂高液限黏土的压实标准可降至88%. 程涛等[9]对广东云罗高速沿线高液限土路基进行了大量的室内试验和现场碾压试验，发现对于该高液限土采用包盖法处理及降低压实度标准至88%后填筑路基的沉降满足规范要求. 除了压实度指标，杨晶等[10]提出将空气体积率控制在6.5%以下作为黄土压实的附加标准. 洪宝宁等[11]参考日本压实度控制标准，对南方高液限土提出了空气体积率不超过8%的附加标准. 张军辉等[12]进一步对南方红黏土开展了不同含水率和压实度下的动三轴试验，并提出了相应的临界动应力水平.

可见，对高液限黏土路基填筑含水率、压实度甚至是空气体积率的控制标准仍然是工程实践中的难点. 我国规范中以击实试验确定的最佳含水率及压实度为控制标准，但黏性土路基的现场碾压难以达到. 对于该类型的高液限黏土，实际工程中经常存在含水率偏高、压实度偏低状态下碾压的路基却处于稳定工作状态的情况. 对此日本规范提出采用控制施工含水率及空气体积率来满足细粒土路基沉降量的要求[13-14]. 因此，针对山东黄河下游具有特殊成因的冲淤积高液限黏土，通过室内试验研究其基本物理力学特性，揭示其压实机理和强度变形特性，进而提出压实控制标准，对黄泛区高液限黏土路基现场碾压质量控制具有重要的工程实用价值.

1   高液限黏土的物理力学特性

试验所用的黄泛区高液限黏土取自济（宁）徐（州）高速公路沿线，典型的颗粒级配曲线如图1所示，颗粒组成统计结果如表1所示. 该类土主要由粉粒和黏粒组成，基本不存在粗粒土，粉粒含量最高，占65.5%～72.2%;黏粒含量次之，占22%～36.3%. 粉粒含量介于黄泛区粉土和南方高液限黏土之间，尽管该类土的粉粒占绝大部分，但土体的塑性表现出黏土的特性：液限47.7%～54.9%，塑限23.4%～30.1%. 按照细粒土分类的塑性图，土体属于高液限黏土的范围. 但是，与一般高液限黏土相比，该类土的粉粒含量明显偏高，导致其液塑限均偏低;而且，经电镜微观结构扫描发现山东黄泛区的粉粒颗粒不具备粉土常见的片状或针状结构，未见明显的棱角，颗粒的磨圆度更高，这主要是由于经黄河水流的长时间浸泡、颗粒撞击和水流冲刷作用，颗粒表层破碎、剥落严重，粉粒颗粒之间未形成互嵌結构，如图2所示. 由于粉粒含量较高，毛细孔隙发达，土体具有易吸湿性，遇水敏感;同时，小于0.002 mm的黏粒含量高于22%，与水作用的界面效应强，表现出较高的粘聚力和保水性. 因此，较高含量的磨圆粉粒及黏粒组成，决定了山东黄泛区高液限黏土特有的强度和变形特性.

图3所示为黄泛区高液限黏土重型击实结果. 该类土的击实曲线驼峰较宽，在最佳含水率左侧，击实曲线较宽缓，表现出粉性土的性状;在最佳含水率右侧，击实曲线趋于直线下降. 当击实含水率超过20%后，随含水率增高，击实曲线趋近甚至重合于饱和线，干密度迅速下降，击实过程出现弹簧现象，但没有水分渗出，保水性强. 与普通粉土和黏土的压实曲线相比，该黄泛区高液限黏土在含水率较高时，压实曲线非常接近饱和线，表明土体三相介质中的气相成分容易被压缩和排出，土体压实后的空气体积率要较普通粉土和黏土低. 因此，高含水率压实下空气体积率低，是黄泛区高液限黏土区别于其他粉土和黏土的显著特点.

2   持水能力

黄泛区高液限黏土的天然含水率普遍在26%以上，现场需要机械翻耕和6～7 d的充分晾晒才能将含水率降至最优含水率. 现场取天然含水率状态的土样，室内根据湿法制备土样. 采用滤纸试验对土体的持水特性进行研究，通过静压成型法制备直径5 cm×高度5 cm的试样，试样含水率分别为26%、23%、20%、17%、15%和13%，目标压实度依次为88%、90%、92%和94%. 采用双圈牌No.203型滤纸，两个土样中间放置3层滤纸，上、下层滤纸起保护作用，而后用绝缘胶带黏贴接缝处，并将制备完成的试件放置在密封罐中，最后置于恒温恒湿箱中（温度25 ℃，湿度95%）. 根据美国ASTM D5298-10滤纸法试验规程[15]，测试得到密封10 d后吸湿滤纸的含水率，按照王钊等[16]得到的率定方程式计算相应的基质吸力，如图4所示. Fredlund & Xing[17]提出了体积含水率与基质吸力的4参数关系模型：

式中：a、b和c为拟合系数;θs为饱和状态下的体积含水率;C（hm）为调整系数;hr为与残留体积含水率对应的基质吸力，它使曲线的干燥段转为水平向，可参考Zapata[18]提出的经验公式计算：

式中：PI为土的塑性指数. 基于最小二乘法可以拟合得到上述系数为：a = 596.8，b = 1.0，c = 1.3，拟合得到的土水特征曲线如图4（a）所示. 同时，根据饱和度与体积含水率的关系式（4），可进一步得到饱和度与基质吸力的关系曲线如图4（b）所示.

基质吸力/kPa

（a）体积含水率-基质吸力

黄泛区高液限黏土的田间持水率高达40.4%（A点，对应基质吸力33 kPa），相应的饱和度为98.6%，土体基本处于饱和状态. 由斜率恒定部分的延长线与饱和时的基质吸力水平线相交于B点，可以得到对应的进气值为125 kPa，当黄泛区高液限黏土路基的基质吸力高于该进气值时，土中孔隙开始进气（即减饱和），土体的含水率随之大幅度下降. 但是，对于实际运营多年的填筑路基，在大气降雨入渗[19]、蒸发作用和地下水毛细作用下其内部基质吸力多稳定在0～100 kPa以内. Smethurst等[20]对英国Newbury已运营6年的黏土路基（填高8 m）开展了为期5年的持续监测，发现路基内部的持水状态与土层深度和季节变动密切相关. 对于路基浅层，当水分超过田间持水率时，重力水对吸力影响更大[21]，路基浅层0.3 m处土体的体积含水率和基质吸力随季节在12%～45%和0～100 kPa范围内规律性波动;距路表0.6 m处土体的体积含水率和基质吸力在前3年随季节在25%～45%和0～80 kPa范围内波动，但3年后其体积含水率稳定在40%附近，基质吸力稳定在0～30 kPa;距路表0.9 m处土体的体积含水率和基质吸力在2年后基本稳定在45%和0～10 kPa. 即使在蒸发作用强烈的地区，由于受路面覆盖效应的影响，路基的平衡湿度仍然远高于竣工时期. 冉武平等[22]对通车近10年的G315新疆南疆路段进行了现场路基湿度调研，发现路基顶面以下0.4～0.8 m土体的含水率远高于裸露地面，并实测了路基内部的基质吸力：对于粉土和砂土路基，其基质吸力偏低，介于0～50 kPa;黏土路基的基质吸力偏高，介于30～80 kPa. 而且，当路基存在夹砂层时，会进一步阻隔水分的迁移[23]. 黄泛区高液限黏土多分布在河流湖泊周围，地下水位距离地表2 m左右，由该类土填筑而成的路基，其湿度主要由地下水控制. 尽管路基施工时按照最优含水率填筑且压实度不低于93%，相应的饱和度为73%，如图4（b）中的D点，此时的基质吸力约为550 kPa，远高于进气值和现有路基的基质吸力实测值. 通过对运营多年的高液限黏土路基取样结果看，土体的含水率增大至22%～24%，饱和度达到98%，如图4（b）中的E点，此时的基质吸力约50 kPa，介于田间持水值和进气值之间. 因此，高液限黏土的高进气值导致了土体具有很强的持水性，在常年的降雨入渗和毛细水作用下，路基土体逐渐由施工阶段的低饱和度发展到高饱和度，且从路基的实际运营环境看，该过程一旦完成便很难逆转.

3   不同压实状态下的土体强度与回弹模量

3.1   三轴试验

根据现场土体含水率的变化范围，湿法制备含水率分别为17%、20%、23%、26%和29%的土样，大筒重型击实成型，压实度分别为85%、90%、93%和96%，如表2所示. 由于该土的渗透系数很小，施工期和交通荷载的短时作用过程中，土体多处于固水固气状态，因此进行三轴不固结不排水试验.

3.1.1   应力-应变曲线

图5为高液限黏土在含水率w = 23%，压实度k = 90%时不同围压下的偏应力、孔隙水压力与轴向应变关系曲线. 对于非饱和的黄泛区高液限黏土，

围压的增加对偏应力与轴向应变的影响并不显著. 在低围压条件下（100 kPa），孔隙水压力随轴压的增长并未出现较大幅度的发展，轴向施加的荷载大部分由土骨架承担，有效应力增大，土体强度提高;随着围压的增大，孔隙水逐渐承担较大的荷载，当增加的围压完全由孔压承担时，土体有效应力不再增加，土体接近于饱和土的工作模式，土体强度不随围压的增加而增大;而对于三相体承担荷载的非饱和土而言，会出现孔压的增加量超过围压的增幅的情况，如围压由200 kPa增加至300 kPa时，孔压增量超过100 kPa，此时土骨架的有效应力反而降低，导致土体强度降低. 这也是非饱和土强度发展过程中所特有的现象，即当荷载由土骨架和气相承担时，有利于土体强度的提高;而当荷载由气相承担变为孔隙水承担时，土体强度将降低.

图6为高液限黏土在压实度90%、围压100 kPa时不同含水率下的偏应力-应变关系. 含水率的提高将显著降低土体的偏应力水平，峰值偏应力由17%含水率下的560 kPa降低至23%含水率下的254 kPa. 而且，高含水率下的土体更快由线性发展阶段转变为塑性屈服阶段，对应的临界轴向应变和偏应力分别由17%含水率下的1.7%和326 kPa降低至23%含水率下的0.6%和72 kPa. 然而，压实度的提高对土体偏应力与轴向应变的关系几乎没有影响，如图7所示，表明在不排水、不排气条件下，土体的强度主要受含水率的影响，与压实度和围压的关系较小. 类似的规律也出现在非饱和残坡积土[24]和砂性土中[25].

3.1.2   归一化静强度

取偏应力-应变曲线中的应力峰值点作为土体的静强度，对于应变硬化型的土样，静强度取值为軸向应变15%所对应的偏应力值. 定义归一化静强度为静强度与相应围压比值的一半，近似表征路基某深度处附加应力与自重应力的比值. 图8为不同含水率和压实度下土体归一化静强度与饱和度、空气体积率的相关关系，包括3条含水率等值线（w=17%、20%和23%）和4条压实度等值线（k=85%、90%、93%和96%）. 含水率和压实度的提高均会导致土体饱和度的增加和空气体积率的减小，但饱和度或空气体积率的变化路径决定了归一化静强度的演化趋势. 从路基长期运营的角度，在压实度恒定时，由土体吸湿引起的饱和度增加（或空气体积率减小）将导致归一化静强度大幅衰减，如归一化静强度由施工饱和度（相应Va = 10.7%）时的3.0降至运营饱和度（相应Va = 0.7%）时的1.4，此时的含水率稳定在23%，土体仍具有较高的静强度. 从路基施工压实的角度，在含水率恒定时，由土体压实引起的饱和度增加会导致归一化静强度的提高，但增长幅度受土体含水率状态的影响. 当土体以最优含水率w = 17%压实时，归一化静强度随饱和度的增加而显著提高;当土体以含水率w = 20%和23%压实时，归一化静强度的增幅放缓，尤其是饱和度超过79%后，归一化静强度基本不再提高，分别稳定在2.1和1.4;当含水率提高至26%及以上时，土体的静强度已经非常小. 可见，对于土体压实而言，存在一个最优饱和度Sr = 79%（相应Va = 8%），低于该值时，土体强度随压实功的增加而增大;高于该饱和度后，继续提高压实功，土体的强度不再有显著提高. Heitor等[26]在研究压实粉砂土的强度时，同样发现存在一个最优饱和度范围（Sr = 67%～80%）使得土体强度最大，称之为Moderate aggregation region. Heitor等对此解释为：尽管低饱和度下土体的基质吸力较高，但土颗粒的接触程度低、骨架结构不够密实，导致土体整体强度并不高，称之为Extensive aggregation region;而在高饱和度下，尽管土骨架已足够密实，但此时基质吸力很低，同样导致土体强度不高，称之为Insignificant aggregation region，因而存在一个最优的饱和度. 但是，对于黄泛区高液限黏土而言，当饱和度高于此最优饱和度后，土体静强度并未出现显著降低，这是由于土体的进气值很高，在高饱和度下仍具有较高的基质吸力，如图4所示. 另外，日本土质路基压实控制标准中，对于0.075 mm过筛量在20%以上的土按照空气体积率Va ≤ 8%作为压实标准，这也与本试验的结论一致. 而且，当土体含水率控制在20%～23%、压实度90%～93%时，土体归一化静强度不会因运营期饱和度的增加或空气体积率的降低而衰减，具有良好的水稳定性.

2）该类土的进气值高达125 kPa，远高于目前路基内部的基质吸力实测值. 高进气值导致了土体具有很强的持水性，土体达到平衡湿度后，路基将保持高饱和状态而很难降低.

3）该类土存在最优饱和度Sr = 79%（相应空气

体积率为8%），低于该饱和度时，土体强度随压实功的增加而增大;高于该饱和度后，继续提高压实功，土体的强度不再有显著提高.

4）相较于土体的强度特征，黄泛区高液限黏土回弹模量受含水率的影响更敏感. 因此，建议填筑含水率不高于23%，压实度可控制在90%及以上，此时的空气体积率在8%以下，以保证土体强度和模量的长期稳定性. 在该压实标准下，开展了现场试验路填筑工作，路基总体沉降稳定.

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