高速公路含沙低液限黏土路基技术研究

邓敏旋

（江西赣东路桥建设集团有限公司,江西 抚州 344000）

0 引言

公路在修筑过程中，路基作为道路的基础，其修筑质量对道路整体性能有显著影响，良好的道路路基应具备较强的强度、稳定性和耐久性。在道路建设中，路基施工是最为重要的部分之一，影响路基施工的主要因素有土质、天气、压实等[1]。目前低液限粉黏土在国内外已有不少的研究，但其完整性尚不够，许多问题仍需深入研究。该文将通过实际工程进行研究，为粉黏土路基施工提供技术指导。

1 工程概况

某高速公路施工区域属于风蚀为主的风沙草滩地貌，全年降水量较少，地质干燥，其土质大部分为含砂低液限黏土。该文试验路段选段为K1537+000～K1537+100，长度为100 m。设计车道为双向四车道，设计车速为80 km/h，路基宽为36 m。该路段为低液限粉黏土，经过现场测试及试验，其压实度、平整度、坡度、厚度均满足施工规范要求。考虑当地天气环境及车辆荷载等外在因素，决定采用改良土施工技术进行路基施工。

1.1 改良措施类型

（1）掺配沙砾改良。低液限粉黏土在路基填料施工时，多采用现场闷料，时间长且不宜控制含水量，导致难以压实[2]。若在填筑路段表面加上砾类土后，水分易溶于填料之中，在经过压实等不同工艺程序之后，可达到施工要求。同时低液限粉黏土与砾类土掺配后易于压实，为施工方带来了方便，同时也可以提高工作效能。

（2）水泥改良。将水泥掺入低液限土内所形成的水泥改良土具有较好的水稳定性，同时水泥改良土可用于我国大部分地区及不同地质地段[3]。水泥改良土施工操作比较简单，可就地拌和或运至施工现场拌和。在施工时可机械化施工，在提高工作效率同时，也保证了施工质量，但仅适用于部分特殊地基处理地区。

1.2 施工工艺

（1）施工前准备。保证前期所需材料满足施工要求。清理施工现场，方便放线以及地界桩的放置。

（2）分层填筑。填筑过程中要求按层次进行施工。首先进行土方装运施工，随后进行平整作业，最后进行压实。在施工过程中要合理控制改良粉黏土的松铺厚度，通常控制在30 cm以内。

（3）碾压夯实。进行碾压夯实前，保证混合料含水量、平整度均符合施工要求方可施工。在进行碾压时按照先两侧后中间、先慢压后快压、先轻压后振动的原则进行。

（4）养护。在施工完成之后，需进行一周以上的养生。在此期间避免改良土的湿度不稳定，同时禁止车辆通行。

2 掺配沙砾改良措施

2.1 改良机理

对低液限素土需要进行改良，通常采用掺配沙砾的方式进行，其改良机理主要有两种，分别为：粒子干涉理论和最大密实理论。

（1）粒子干涉理论。粒子干涉理论认为，为了达到最大密度，前一级颗粒之间产生的空隙由次一级颗粒填充，其余颗粒由再次一级颗粒填充，以此类推。当达到临界干涉状态时，t=d，公式如式（1）所示：

式中，t——前粒径的间隙距离；——次粒级的粒径；——前粒级的粒径；D——次粒级的实用实积率；d——次粒级的理论实积率。

（2）最大密实度理论。最大密实度理论是一种在实验基础上的理想曲线，当矿料颗粒级配愈接近抛物线时，其密实度越大，空隙率最小，表达式如式（2）所示：

式中，Px——粒径为d的集料的通过百分率（%）；D——集料的最大粒径（mm）。

2.2 渗透试验研究

为了研究沙砾改良土的渗透性能，该文采用常水头渗透试验来测试水泥改良土的渗透系数。试验结果见表1及图1，计算公式如式（3）所示：

图1 不同沙砾含量渗透系数试验图

表1 不同沙砾含量渗透系数试验表

式中，K——渗透系数（cm/s）；Q——时间t秒内渗透水量（cm3）；L——两侧压孔中心间的试样长度，L=10 cm；A——试样断面积（cm2）；H——平均水头差（cm）；t——时间（s）。

从表1、图1的试验数据中可得出，当沙砾土含量为0%时，渗透系数为6.626×10-4cm/s；当沙砾土含量为30%时，渗透系数为6.587×10-4cm/s；当沙砾土含量为40%时，渗透系数为6.477×10-4cm/s；当水泥含量为50%时，渗透系数为5.515×10-4cm/s；沙砾土与渗透系数线性关系为y=-0.344 3x+7.162，R² =0.708 8。随着沙砾土含量的增加，改良土的渗透系数从6.626×10-4cm/s减少到5.515×10-4cm/s，减少了15%左右。由此可知，在掺加沙砾土进行改良时，沙砾土含量与渗透系数成反比关系，与抗渗能力为正比关系。水泥含量达到50%时，改良土抗渗能力最佳，可用于低液限黏性土路基施工当中。

2.3 抗压回弹模量试验

回弹模量是指路基、路面或筑路材料在荷载作用下产生的应力与其回弹应变的比值，是采用弹性半空间基础模型进行研究，在瞬时力作用下可恢复变形能力的体现。弹性模量在路面设计中被用作抗压强度的指标。 当竖向载荷为恒定值时，回弹模量越大，竖向位移越小。

该文通过室内试验，分别对砾类土掺量为30%、40%、50%的改良粉黏土进行抗压回弹模量试验，每一个掺量都进行了三组平行试验，其试验结果见表2及图2。

表2 砾类土不同含量的抗压回弹模量

图2 砾类土含量与抗压回弹模量关系

由表2、图2可知，当砾类土含量为30%时，抗压回弹模量为6.8 MPa；当砾类土含量为40%时，抗压回弹模量为17.2 MPa；当砾类土含量为50%时，抗压回弹模量为78.7 MPa；随着砾类土含量的上升，抗压回弹模量也逐渐上升，其线性方程为y=36.3x-37.733，R²=0.855 8。可得出砾类土掺量从30%到40%时抗压回弹模量值的增长速度明显低于40%到50%，可以看出在砾类土含量达到40%时，砾类土其骨架作用，在50%时抗压回弹模量最大，其变化趋势和CBR值一样。

由上可知，在采用砾类土改良粉黏土时，砾类土的最佳掺量应为50%，此时改良粉黏土CBR最大，抗压回弹模量最大。

3 水泥改良措施

3.1 水泥改良机理

水泥与水混合后，经过物理和化学反应，水泥可由塑性泥浆变为坚硬的岩石。水泥是一种水硬性胶凝材料，不仅可以在空气中硬化，还可以在水中更好地硬化并保持较好的强度。在低液限粉黏土中，混入适量的水泥，然后通过洒水、搅拌、摊铺、压实和最终养护获得的混合物称为水泥改性土。这种水泥改性土可以很好地改善土壤的物理力学性能，并且比粉黏土具有更强的水稳定性和抗冻性。

3.2 水泥改良土CBR试验

为了研究不同含量水泥改良土的承载能力，该文在室内分别对水泥含量为2%、3%、4%、5%的改良粉黏土CBR值进行测试，试验结果见表3及图3。

表3 不同水泥含量改性黏土CBR值

图3 不同水泥含量改良粉黏土CBR值关系图

通过表3、图3可知，当水泥含量为2%时，试件1 CBR值为42.5，试件2 CBR值为41.7，试件3 CBR值为42.3，其均值为42.2；当水泥含量为3%时，试件1 CBR值为51.4，试件2 CBR值为50.9，试件3 CBR值为51.7，其均值为51.3；当水泥含量为4%时，试件1 CBR值为59.8，试件2 CBR值为60.3，试件3 CBR值为60.7，其均值为60.3；当水泥含量为5%时，试件1 CBR值为71.7，试件2 CBR值为71.3，试件3 CBR值为72.2，其均值为71.7。

由以上数据可得出，随着水泥含量的增加，CBR值呈线性增加关系，在水泥含量在5%时，水泥改良粉黏土承载能力最强，故在施工时水泥含量为5%时用量最佳。

3.3 无侧限抗压试验

为了研究不同含量水泥改良土的抗压能力，该文在室内对不同龄期的水泥含量分别为2%、3%、4%、5%的改良粉黏土进行无侧限抗压试验值测试，试验结果见表4及图4所示。

由表4及图4数据可知，在相同水泥含量情况下，随着龄期增加无侧向抗压强度随之增加，呈现线性上升关系。不同龄期水泥无侧限抗压强度均增加2倍以上。当水泥含量在4%～5%之间，7 d和28 d无侧限抗压强度处于平缓状态，其增长可忽略不计。当水泥含量在2%～4%时，各龄期水泥掺加所改良土无侧限抗压强度均线性增加。由此可得，在进行改良土施工时，可选用龄期较大的水泥且水泥含量控制在3%～4%最佳。

表4 水泥强度与抗压强度关系表

图4 水泥含量与无侧限抗压强度图

4 结语

路基施工在道路建设中是重要环节，路基施工质量影响道路使用性能。在我国不少地区影响路基施工的主要因素为低液限粉黏土，为了解决这类问题，该文依据实际工程，将沙砾掺入低液限粉黏土中转化为沙砾改良土，对改良土形成机理进行分析，并对沙砾改良土进行抗渗性能和抗压回弹模量试验研究，得出在沙砾含量为50%时，改良土抗渗效果最佳，CBR最大，抗压回弹模量最大；将水泥掺入低液限粉黏土中转化为水泥改良土，对该改良土土壤承载力及抗压强度分别进行CBR试验及无侧限抗压试验，得出水泥含量在5%时，CBR值最大，土承载能力最佳；水泥含量在2%～4%时，随着水泥龄期增加，其抗压强度越好，可为公路路基施工提供一定的技术指导。