高液限土物理特性與路基填筑試驗研究

■肖芳芳

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350004）

1 引言

福建省高液限粘土大都屬于花崗巖類殘積土，該土天然含水率大，液限高，塑性指數大，水穩定性差，盡管在低含水量情況下它能達到較高的強度，但由于其顆粒微觀勢能嚴重不平衡，極易受自然降水、地下水或地表水影響，甚至強烈從大氣中吸收水分，吸水后的路基發生膨脹，密度減小，強度急劇下降，在行車荷載和土自重作用下，發生不均勻沉降、開裂、橫向位移等病害。通過試驗發現，高液限土通常存在一種最佳狀態，在該狀態下，其顆粒排列最優（擊實功最佳），含水率最佳，穩定強度（浸水CBR值）較大（可滿足規范的最小強度要求），脹縮量較小[1]。

福州莆炎高速公路某合同段93區路基進行填筑前，試驗發現填料選取區域K98+685～K98+795土的液限為54.6，塑性指數為27.7，為高液限土。根據《公路路基施工技術規范》（JTG F10-2006）規定：液限大于50%、塑性指數大于26、含水率不適宜直接壓實的細粒土，不得直接用于填筑路基，確需使用時，必須采取技術措施進行處理，經檢驗滿足設計要求后方可使用[3]。

《福建省高液限土路基設計與施工技術規范》（DB35/T 1640-2017）規定：用于公路路基填筑的高液限土的CBR值應于大3且其液限宜小于70%[4]。為此，對該段高液限土進行專題試驗研究，通過室內試驗和試驗路鋪筑，獲取該高液限土的合理含水率、擊實功和施工工藝，使其滿足強度和水穩性要求，用于該路段93區路基填筑，從而降低工程造價，并達到節約土地、環保的目的。

2 室內試驗研究

對填筑區高液限土進行基本性能試驗，為尋找該高液限土“最佳狀態”奠定基礎。試驗內容包括：液塑限、塑性指數，顆粒分析，土粒比重，分類、定名，天然含水率，天然稠度，常規重型擊實功下最大干密度、最佳含水率，得到其基本物理性能指標，詳見表1。

隨后，進行濕法標準擊實試驗，求取最大干密度和最佳含水率，在此基礎上調整含水率與擊實功，進行濕法制件，測其泡水96小時后承載比、密實度、膨脹率、吸水量等指標，找到該高液限土滿足浸水CBR≥3.0的“最佳狀態”。

根據本項目土的天然含水率及標準擊實結果，擬定土的可用含水率范圍為24%～30%，結合試驗晾曬結果，實際擬定24.1%、26.0%、28.6%、30.2%四個控制含水率，分別采用 3×28、3×42、3×63 和 3×98 四種擊實功， 按濕法制作試件，測定干密度，泡水4晝夜后CBR值、膨脹量等指標，試驗結果詳見表2。根據試驗結果對土的強度（CBR）、干密度、飽和度、膨脹量、壓實度與含水率、擊實功之間的關系進行分析。

表1 土的基本物理指標

表2 不同含水率、擊實功下土的性能

2.1 土的物理特性

2.1.1 強度（CBR）與含水率、擊實功關系

在合理含水范圍內，相同含水率的土體，強度隨擊實功的減小而減小，同時當土體含水率較高時，土體強度隨擊實功的增大先增加后減小，也即當土體含水率較高時，并非碾壓遍數越多得到的土體強度越高。對不同含水率的試驗土樣采用相同的擊實功進行擊實，在擊實功較大時強度隨含水率的增大先增大后減小；擊實功較小時強度隨含水率的增大而增大，見圖1。

圖1 強度（CBR）與含水率、擊實功關系

2.1.2 干密度與含水率、擊實功關系

在合理含水率范圍內，相同含水率的土樣，干密度隨擊實功的減小而減小；同樣擊實功作用下，大體上土體干密度隨含水率的增加而減小，見圖2。因此為保證干密度滿足要求，土體含水率不能過高。

圖2 干密度與含水率、擊實功關系

2.1.3 飽和度與含水率、擊實功關系

在合理含水率范圍內，相同含水率的土樣，飽和度隨擊實功的減小而減小，這與干密度變化規律一致。同樣擊實功作用下，土體飽和度隨含水率的降低而降低，見圖3。隨著含水率的降低，土體飽和度快速降低，由于土體飽和度過低，將形成較強的吸水勢能，一旦吸水將對土體強度和穩定性產生不利影響，因此在實際填筑過程中，需保證高液限土較高的飽和度，即較大的含水率。該含水率比最佳含水率要高。

2.1.4 膨脹量與含水率、擊實功關系

圖3 飽和度與含水率、擊實功關系

在合理含水率范圍內，相同含水率的土樣，膨脹量隨擊實功的減小而增大，各設計擊實功對應的膨脹量均小于5%。同樣擊實功作用下，土體膨脹量隨含水率的減小而增大，見圖4。因此實際填筑過程中，含水率不能過低，碾壓遍數不能過少，否則因為膨脹量過大，水穩定性不能滿足要求。

圖4 膨脹量與含水率、擊實功關系

2.1.5 壓實度與含水率、擊實功的關系

在合理含水率范圍內，相同含水率的土樣，壓實度隨擊實功的減小而減小；同樣擊實功作用下，大體上土體壓實度隨含水率的增加而減小，見圖5。說明要達到一定的壓實度，擊實功不能過小，含水率不能過高。

圖5 壓實度與含水率、擊實功的關系

2.1.6 強度（CBR）與干密度、飽和度的關系

室內試驗結果表明，在合理含水率范圍內，只有采用合理的擊實功，才能獲取較大的干密度、飽和度、較高的強度、較小的膨脹量，從而保證其較佳的水穩定性。根據強度與干密度之間的關系，見圖6，強度與飽和度之間的關系，見圖7，土樣CBR強度與干密度、CBR強度與飽和度之間均存在對應關系，因而采用干密度、飽和度聯合對高液限土填筑質量進行控制，可以確保強度和水穩性滿足要求。

圖6 強度與干密度的關系

圖7 強度與飽和度的關系

2.2 制定室內試驗控制標準

在初步擬定的合理含水率即24%～30%范圍內，通過實測壓實度、含水率和對應的CBR值，綜合評判后，確定現場的壓實度不得小于87%。同時，為了保證其水穩定性，應使飽和度大于80%，初步制定室內試驗標準如表3。待試驗路填筑驗證，根據實際情況與檢測結果調整含水率及其對應的控制指標。

表3 干密度（壓實度）和飽和度室內試驗控制標準

代表性土樣附近山頭高液限土，在顏色等外觀變化不大情況下，應進行必要的液限、塑限、顆粒分析、土粒比重、分類、定名、天然含水率、天然稠度等基本性質指標試驗。在液塑限、顆粒組成基本一致情況下，標準重型擊實下最大干密度與代表性土樣相差在±0.05g/cm3內時可套用代表性土樣控制指標，飽和度控制指標需根據土粒比重進行相應調整。若在實際碾壓中發現控制指標不易達到或過于寬松，以及土樣性質發生變化時，請及時進行驗證。在含水率處于非整數時，可用內插方法計算控制干密度與飽和度。

3 試驗路鋪筑及結果分析

在K98+850～K99+050處進行高液限土填筑試驗，填料來源為K98+685～K98+795（室內試驗區）。根據室內試驗結果，將土晾曬至含水率為30%以下進行碾壓。

3.1 試驗路填筑設備及方法

試驗路填筑主要設備為：壓路機（型號：廈工20T）、平地機（型號：PY160）、推土機（型號：SD16）及旋耕機（型號：KYDS-200）。

試驗土樣進行填筑前先進行堆曬，控制松鋪厚度為20～25cm，待表層土晾曬較干（表面發白）后用推土機大致推平，并用旋耕機及時翻曬，測取含水率在設計范圍內時用20t壓路機進行碾壓，碾壓完畢進行灌砂試驗，測取干密度與含水率，并計算飽和度和壓實度。

3.2 高液限土含水率及碾壓方式控制

根據已有的研究成果及工程經驗，含水率是控制高液限土能否碾壓成功的最關鍵因素。含水率過高時進行碾壓，由于土體透水性差，容易出現表面壓實，而內部土體存在大量空隙的現象，即出現所謂的彈簧土。考慮到含水率過低現場晾曬困難，晾曬時間長影響工期；且土體吸水勢能大，易導致土體吸水后性質變差，因此，試驗路含水率控制在25%～30%之間。

碾壓功是高液限土能否壓實的重要因素。目前壓路機常見的碾壓方式包括靜壓、小振和大振等三種方式。以往的實踐經驗表明，大振的效果差，故本次試驗段不再進行大振碾壓。帶振動的碾壓可使一部分的下層水分泌出到表面，一定程度上讓上下土層均勻。碾壓時堅持先靜壓后弱振、先兩邊后中間的原則，采用靜壓1遍+小振6遍+靜壓1遍對路基進行碾壓，為使土層表面更光滑、密實，充分利用泌出的水分浸潤比較干燥的表層，并將總靜壓2遍分解為初壓平面靜壓1遍與終壓光面靜壓1遍。

試驗路段壓實完后立即測取現場干密度與含水率，并計算飽和度和壓實度，得到的試驗資料詳見表4。

表4 試驗路填筑檢測結果

對比分析試驗路填筑檢測結果與室內試驗控制標準，可見各含水率段與最終成型路基的干密度和飽和度可以滿足室內試驗提出的標準。

4 工程應用

在莆炎高速YK98+870-YK99+050段路基填筑上述高液限土，各層實測含水率及飽和度詳見圖8，可見除個別點，絕大部分填土指標能滿足要求。表明K98+685～K98+795處共計16.3萬方高液限土得到了成功應用。本應用不棄方、不換填、不改良，節約了土地，減少了水土流失，社會、經濟、環保效益顯著。

圖8 含水率與飽和度的對應關系

5 結論

結合工程具體實踐，進行高液限土基本性能試驗，采用濕法制件方式，試驗分析其物理特性，找尋到滿足工程需要的最佳狀態，并在工程實際應用中控制其物理狀態，成功解決了本工程高液限土填筑難題。

[1]陳治伙.高液限土路用性能規律及其工程應用[J].福建交通科技,2011（03）:1-3+35.

[2]劉鑫,洪寶寧.高液限土工程特性與路堤填筑方案[J].河海大學學報（自然科學版）.2011,39（04）:436-443.

[3]JTG F10-2006，公路路基施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[4]DB35/T 1640-2017，福建省高液限土路基設計與施工技術規范[S].

[5]JTG E40-2007，公路土工試驗規程[S].