不同無機結合料改良含砂低液限黏土工程特性試驗研究*

徐開華 宋常軍

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司 北京 100089； 2.交通運輸部公路科學研究所道路中心 北京 100088)

含砂低液限黏土在我國各個地區均有分布廣泛,由于其地理環境、氣候條件。地質成因、歷史過程等條件的差異，導致其物理成分和物理性質也有這較大差異。相關研究表明：含砂低液限黏土不僅具有弱膨脹性、吸水易崩解、失水收縮等不良特性[1]，還具有砂粒、粉粒含量大、可壓實性差、水穩定性差等特點。在公路建設中，用含砂低液限黏土作為路基填料使用時會受到一定的限制，其處理措施及填土的來源是一個棘手的問題,若處理不當,既造成資源浪費,又增加了施工成本。國內不少科研學者[2-7]對不良地質土改良進行了一系列研究，大部分的可采用低劑量的石灰、水泥等外摻劑對含砂低液限黏土進行化學改良是較為常見的方法，其主要目的是降低粉砂質土的天然含水率，改善可壓實性、提高土體強度及穩定性。

為了改善含砂低液限黏土的物理性質和力學性能，本文針對福建省內含砂低液限黏土研究資料較少的情況，依托福建省莆永高速公路工程實例,結合工程沿線含砂低液限黏土分布集中的特點，取擾動土樣，采用石灰和水泥對低液限黏土進行化學改良，通過液塑限試驗、無側限抗壓試驗、加州承載比(CBR)試驗、回彈模量試驗等探討不同摻入比下石灰改良土和水泥改良土的工程特性，以期為工程設計及施工中利用含砂低液限黏土作為路基填料提供合理依據。

1 原材料基本物理力學性質

1.1 原材料顆分及級配

本試驗根據福建莆永高速公路沿線土樣情況選取代表性土樣1份，所取試樣總體較均勻，根據JTG E40-2007 《公路土工試驗規程》[8]，對試驗土樣采用篩分法及水洗法對大于0.075 mm的土顆粒進行試驗，對小于0.075 mm的土顆粒則采用激光粒度分析儀(SHIMADZU SALD-2101)進行試驗，土樣試驗結果見表1。根據表1，可以繪制出級配曲線圖見圖1。

表1 路基土的顆粒分析試驗結果

圖1 土樣粒徑級配曲線

從表1和圖1可見，所取試驗土樣的細砂組(0.075～0.25 mm)質量分數為34.11%，粉粒組(0.005～0.075 mm)質量分數為57.85%，黏粒組(0.001～0.005 mm)質量分數為6.45%。由于沙粒含量高，所以所取土樣易出現透水、干燥時松散、難壓實的特性；豐富的粉土和較低的黏土含量使得其黏性小，毛細水上升高度較大較快。

1.2 含砂低液限黏土液塑限

根據JTG E40-2007 《公路土工試驗規程》相關規定進行試驗，同時結合工程土樣檢測報告，得到了原狀土樣的液塑限試驗結果，見表2。結合土樣篩分試驗結果(見表1)和試驗土樣在塑性圖中的位置，該土體可以定名為含砂低液限黏土。

表2 原狀土樣的基本物理指標

1.3 原狀土擊實試驗

對所取土樣(素土)進行擊實試驗，得到相應的擊實曲線，見圖2。

圖2 試驗土樣的標準擊實曲線

由圖2可見，該試驗土樣的擊實曲線為雙峰值。由于試驗土樣細砂組的含量較高，使得其擊實曲線出現了雙峰值，該類土的擊實曲線形狀更接近于砂的擊實曲線形狀，所以會出現雙峰值。

2 試驗土改良方案

根據工程實際條件，分別選取路線范圍內特殊土樣進行試驗，針對所選取的試驗土樣，制件不同含水率和水泥劑量的試件，試驗方案如下。

1) 消石灰按4%，6%，9%，12%質量分數進行設計，水泥按3%，5%，7%質量分數進行設計(下文所提摻量均為質量分數)。水泥采用普通42.5硅酸鹽水泥。

2) 試驗項目包括6 d齡期泡水、不泡水的承載比(CBR)試驗、回彈模量試驗和7，28 d齡期的無側限抗壓強度(UCS)試驗，試驗方法參考JTG E40-2007 《公路土工試驗規程》和JTG E51-2009 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[9]。具體試驗項目及參數見表3。

表3 改良土試驗項目及參數

3 不同摻量下改良土的試驗結果分析

3.1 不同摻量下改良土的擊實試驗

首先，對所取土樣(素土)進行了室內標準重型擊實試驗。其次，為了研究改良含砂低液限黏土的擊實特性，分別對石灰摻量為4%，12%的改良土和水泥摻量為7%的改良土進行了擊實試驗。以含水率作為橫坐標，干密度為縱坐標，通過曲線擬合，繪制了含水率與干密度曲線，改良土的擊實曲線見圖3。

圖3 改良土的擊實曲線

含砂低液限黏土經石灰或水泥改良后，其擊實曲線變成了單峰值曲線，曲線形狀更接近于一般黏土、粉土的曲線形狀。由圖3可得出改良土的最大干密度與最佳含水率，結果見表4。

表4 不同摻量改良土的最大干密度與最佳含水率

由表4可見，經石灰或水泥改良后，含砂低液限黏土的最大干密度略有降低，最佳含水率稍有增加。當采用摻量12%的石灰改良土后，改良土最佳含水率略有增加，但最大干密度將明顯下降。

通過對石灰和水泥改良后的含砂低液限黏土進行室內CBR試驗，土樣分3層擊實，每層擊數為98次，擊實時的含水率控制在最佳含水率±2%。含砂低液限黏土的室內CBR隨水泥、石灰摻量的變化曲線見圖4。

圖4 改良土CBR曲線

由圖4可見，摻水泥、石灰改良含砂低液限黏土能明顯提高其CBR值，且水泥改良土的CBR值遠高于石灰改良土的CBR值，摻入石灰或水泥均可滿足作為路基填料的強度要求。摻入不同劑量的水泥后，改良土的CBR值變化范圍為180%～290%，摻入不同劑量的石灰后，改良土的CBR值變化范圍為110%～130%。因此，可以得出，摻水泥、石灰改良含砂低液限黏土能明顯提高其水穩定性。未經改良的含砂低液限黏土泡水后的CBR值急劇下降，不能用作路基填料。采用水泥、石灰改良后，穩定土泡水后的CBR值略高于不泡水時的值。這是由于本次改良試驗時將制件含水率控制在最佳含水率附近，使得試件相對偏干，泡水過程中補充的水分促進了水泥土、石灰土的強度完成程度。因此，泡水后的CBR值略高于不泡水時的值。

3.2 不同摻量下改良土的回彈模量試驗

根據石灰和水泥改良含砂低液限黏土的配合比進行室內回彈模量試驗，含砂低液限黏土的室內回彈模量隨水泥、石灰摻量的變化曲線見圖5、圖6。

圖5 水泥改良土的回彈模量-壓力關系曲線

圖6 石灰改良土的回彈模量-壓力關系曲線

由圖5可見，素土在最佳含水率附近按照重型標準3×98擊擊實后的土樣，未泡水時其回彈模量范圍為46～56 MPa，但經過泡水后其回彈模量范圍為6.5～13.2 MPa，因此，在潮濕多雨地區，含砂低液限黏土不宜直接用作路基填料。水泥摻量對含砂低液限黏土的回彈模量有較顯著的影響。水泥改良土的回彈模量隨水泥摻量的增加而增大。當水泥摻量為3%時，泡水后改良土的回彈模量最小值為46 MPa。因此，當水泥摻量大于3%時，水泥改良土可用作路床及路堤填料。摻入石灰可以顯著提高含砂低液限黏土的回彈模量，但石灰劑量對其回彈模量的影響不明顯。

由圖6可見，石灰改良含砂低液限黏土的水穩定性較差。不同摻量、石灰穩定土不泡水時的回彈模量范圍為82～150 MPa，但泡水后的回彈模量范圍為39～58 MPa。石灰摻量越高，其回彈模量越大，但不同石灰摻量下的回彈模量差別不太明顯，這與水泥形成了鮮明的對比，其原因可能與土中含部分砂有關。

3.3 不同摻量下改良土的無側限抗壓試驗

由于本次試驗所采用的土樣的不均勻性，針對所取土樣，消石灰改良土分別采用4%，6%，9%，12%摻量進行設計；水泥改良土分別采用3%，5%，7%摻量進行設計。其中水泥采用普通42.5硅酸鹽水泥。根據改良土無側限抗壓強度試驗結果，可以繪制出不同摻量、齡期時改良土的無側限抗壓強度(UCS)圖，見圖7。

圖7 改良土的無側限抗壓強度

圖7a)顯示，石灰摻配劑量對改良土的無側限抗壓強度影響較小。當石灰摻量從4%提高至6%，9%，12%時，改良土的7 d無側限抗壓強度增長率分別為5%，7%，11%，改良土的28 d無側限抗壓強度增長率分別為0%，8%，22%。石灰改良土的無側限抗壓強度增長率為相對于石灰摻量為4%時的計算結果。

此外，從圖7b)可見，水泥摻量對改良土的無側限抗壓強度影響較明顯。相同齡期條件下，改良土的無側限抗壓強度隨著摻量的增加而提高。當水泥摻量從3%提高到7%時，改良土的7 d無側限抗壓強度增長率為87%，28 d無側限抗壓強度增長率為67%。水泥改良土的無側限抗壓強度增長率為相對于水泥摻量為3%時的計算結果。

4 結論

1) 素土在最佳含水率附近按照重型標準3×98擊擊實后的土樣，未泡水時其回彈模量范圍為46～56 MPa，但經過泡水后其回彈模量范圍為6.5～13.2 MPa，因此，在潮濕多雨地區，含砂低液限黏土不宜直接用作路基填料。

2) 水泥摻量對含砂低液限黏土的回彈模量有較顯著的影響。水泥改良土的回彈模量隨水泥摻量的增加而增大。當水泥摻量為3%時，泡水后改良土的回彈模量最小值為46 MPa。因此，當水泥摻量大于3%時，水泥改良土可用作路床及路堤填料。

3) 摻入石灰可以顯著提高含砂低液限黏土的回彈模量，但石灰劑量對其回彈模量的影響不明顯。

4) 當石灰摻量≥9%時，石灰改良含砂低液限黏土可用于高速公路和一級公路的底基層、二級及二級以下公路的基層及以下各層位。當水泥摻量≥5%時，水泥改良含砂低液限黏土可用于高速公路和一級公路的底基層、二級及二級以下公路的基層及以下各層位。