高液限土掺拌碎石粉或河砂改良试验研究

2023-11-21王永奇刘茂

运输经理世界 2023年23期

王永奇、刘茂

（中交一公局集团有限公司海外分公司，北京 100024）

0 引言

由于高液限土具有区域性明显的不良特性，国内外对高液限土的应用也已经有大量研究。施工项目结合道路沿线广泛分布高液限土的实际情况，对沿线的旧路基、挖弃方和临近施工沿线潜在的借土场进行详细土壤材料的调查，经试验室取代表性样品试验后对材料的塑性指标和适用性进行分析，以此来确定在项目道路经济运输距离内获取合适和充足的路基和选择性路基施工材料来源。

1 项目概况及原因分析

某施工项目为既有的一条砾石路升级改扩建工程，是采用以美国AASHTO 和英国BS 规范标准体系为基础建立的道路工程通用技术规范进行设计施工[1]，确定该项目道路设计等级为Ⅱ。项目施工跨度大，主线长105km。在项目设计前期，根据设计部门资料初步统计，普通挖方23 万m3，普通填方180 万m3，路床顶面选择性材料G15 填方23 万m3，施工填挖方数量巨大。从业主提供的投标文件和相关文献中获知施工道路沿线天然土壤材料的塑性指标普遍偏高，大部分不能满足规范要求。

通过对施工道路沿线土壤材料的实地调查和试验室内一系列的试验数据分析，详细了解该施工区域天然土壤的特性，就如何因地制宜地将高液限土改良后满足施工规定材料特性要求，最终确定切实可行的高液限土适用性解决方案，增加材料的使用效率、降低工程成本，确保项目施工高标准、高质量地完成，为高液限土的路基设计与施工提供一些参考。此外，如果只简单地将普通挖方段高液限土作为弃方进行处理，不仅会给项目增加借用材料的成本，还会给沿线的生态环境造成污染和破坏。

1.1 现场土壤材料调查目的

其一，调查以砂砾铺筑的旧路基土材料的质量和强度特性，为新路基路面设计提供依据；

其二，调查沿线挖弃方的材料用于路基回填的适用性；

其三，调查道路沿线临近区域潜在的借土材料的确切位置以及其估计数量、覆盖层厚度、特性和对环境的影响，通过相关材料技术参数对选择区域进行进一步深入调查，用于为评估材料的质量或塑性指标的风险提供明确的意见。

1.2 材料的调查和鉴别

通过对项目旧路、挖弃方以及潜在借土场代表性土样试验检测其基本物理性指标，包括材料的颗粒组成（湿筛法）、级配模量、塑性指标、标准密度、浸泡4天的CBR 值及膨胀量等。根据试验平均测试结果统计分析：

1.2.1 沿线旧路基和挖弃方土质材料的分类[2]，其中砂黏质土与砂粉质土占总量的73%，如表1 所示。

表1 试样按照土壤统一分类法USCS 方法进行分类

1.2.2 如表2 所示有55%的试样液限值大于50。

表2 旧路基和挖弃土材料液限汇总表

1.2.3 经试验统计多数旧路和挖弃方试样强度等级为G7，其次是G15，而大多数借土场材料强度等级为G15，其次是G7，如表3 所示。

表3 工程道路沿线所有试样材料的强度等级类别

1.2.4 旧路和挖弃方所取土样液限值普遍小于60，塑性指数小于25，其中在旧路基Km35—Km65 路段中有65% 的土样液限大于50，多数样品液限值在55%～65% 之间；95% MDD 的CBR 值大多在11%～28%区间变化。

1.2.5 规范要求的CBR 膨胀量≤2%，试验测试结果CBR 膨胀量值在0.04%～0.86%之间。由于试验研究的材料分类主要强调是界限含水量，其次是CBR强度，以及一些来自挖方段的优质路基材料，按照路基材料的要求应满足G15 的技术性能指标，但大部分选择性路基材料预计来自借土场。

1.2.6 从借土场材料塑性指标可以看出，借土场的多数样品液限值在50%～60%之间，其平均PI 均小于25%，是G15 材料允许的最大PI 值。然而，同一个借土场每个试坑的PI 值均有所不同，在9 个借土场81个试样中有9 个样品PI 值超过25%，根据借土场材料的物理特性需要对界限含水量进行改善才能符合规范材料的规定要求。

1.3 确定试验方案

1.3.1 由于高液限土具有区域性强的特性，在同一个借土场的不同地点土体性质差异性也很大，结合对材料调查的实际情况，综合分析借土场所有土样的试验结果，在Km43+750 借土场5 个试坑中的样品液限均大于60%，塑性指数均大于30%，并且3 号试坑和1 号试坑中土的液限值分别靠近60%和70%，因此决定将Km43+750 借土场中3 号试坑和1 号试坑中的素土作为此次研究的代表性试样（见表4）。

表4 Km43+750 借土场素土的基本物理性质

由于当地河砂产量丰富，项目沿线取砂容易，且价格便宜；此外，为了就近有效利用挖弃方高液限土，通过添加少量河砂或石粉改良后用于施工，使其符合规范要求（见表5），以减少弃方量，达到合理利用、降本增效的目的。因此，在试验室内选用掺拌0～4mm的机轧碎石粉/河砂（属中砂）两种改良方案对高液限土进行改良掺拌试验。

表5 规范G7 和G15 材料性能技术指标要求

1.3.2 高液限土的室内改良试验

掺拌石粉/河砂改善高液限土的塑性指数的主要目的是通过削弱细颗粒对土的性质的影响，将土体的界限含水量降低到可以接受范围内，同时在符合规范要求下，优化石粉/河砂的掺拌用量，从而达到改良的目的。

1.3.3 掺拌试验

试验内容为∶掺拌石粉/河砂的比例按照0%、10%、15%、20%和25%（内掺法），同时考虑方便现场掺拌施工工艺的需要，试验时选取质量比外掺法进行掺拌，使其掺拌比例尽可能接近内掺法，以供试验结果的对比。因此外掺法比例为（素土∶石粉/河砂）9∶1、5∶1、4∶1、3∶1，相对应的内掺法比例10%、16.7%、20%、25%。将掺拌分成4 组进行试验，分别取3 号坑和1 号坑各一组素土掺拌石粉与3 号坑和1 号坑各一组素土掺拌河砂，通过试验对3 号坑和1 号坑的土样在不同掺量石粉/河砂后塑性指标的变化规律的研究。

表6 试验数据显示，掺拌石粉/河砂对土样液塑限改善呈线性规律，在相同的石粉/河砂掺拌比例下对土样液塑限改善效果无太大的差别。

表6 掺拌石粉/河砂对高液限土改善的试验结果

2 结论

其一，由表6 可以看出，当石粉/河砂掺量为10%时，无论掺拌前素土液限为60%或70%的土样，经掺拌后其液限和塑性指数均有较常大的改善，液限LL普遍能降低到50%左右，塑性指数PI 下降幅度不大，但也能降低至25 左右。其二，由表6 及图1～图4 可以看出，当继续增加石粉/河砂的掺拌比例时，液限和塑性指数的线性虽然有所改善，但改善效果不明显。其三，由表6 看出，随着石粉/河砂掺量的增加，改善后的高液限土CBR 值也逐渐增加，但是增幅不大。其四，经掺拌15%石粉/河砂改善后的高液限土，其液限和塑性指数便能够满足规范要求，从施工成本角度考虑，利用便利的当地河砂改善高液限土会更加经济。其五，根据对天然土壤的实测物理性质，利用合理的掺量改善普通弃方土及旧路临近借土场的高液限土，以满足改良后路基回填材料的适用性能和经济性。其六，由于影响高液限土塑性指标的主要是小于0.425mm 的颗粒，因此改善材料石粉/河砂中小于0.425mm 的颗粒含量的高低也对改善高液限土塑性指标起关键性作用。其七，天然土材料中所含黏土矿物的数量和类型不同，相同的液限值也可能具有非常不同的特征。