高液限土石灰改良處治技術試驗及工后沉降分析

曹海利， 付麗紅

(1.徐州市交通規劃設計研究院， 江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學， 江蘇 徐州 221116)

高液限土的物理及力學性能均較差，需改良后才能運用。目前，國內重點研究了高液限土處治方法，如楊和平等對瀏醴(瀏陽—醴陵)高速公路路床高液限土摻石灰進行改良試驗，研究不同石灰摻量對改良土壤的影響程度，結果表明石灰摻量為4%～6%的高液限處治土可作為路床用土；段凱對衡邵(衡陽—邵陽)高速公路高液限土進行石灰、水泥、砂礫改良，結果表明3種方法均具有較好的改良效果，改良后高液限土的含水率、壓實度等滿足設計要求。江蘇344省道邳州段是徐州市主要東西向干線公路，所在地區40%以上區域為高液限土，透水性較差，具有較弱的膨脹性，不適合采用翻曬來減水，但可通過改良處治改善其物理及力學性能。為此，采用石灰改良技術對該路段高液限土進行處治，通過試驗分析確定最佳石灰摻量。

1 高液限土強度試驗

江蘇344省道邳州段東起京杭運河，向西止于邳州與銅山區分界，全長約37 km。該路段存在大量高液限土，其化學成分見表1。該路段高液限土樣礦物由鉀長石和石英、高嶺石、白云母構成，其中鉀長石占比高達45.6%，對土樣水穩性影響較大。粒徑低于0.075 mm的顆粒比例為60%左右，低于0.5 mm的顆粒比例超過80%，即細顆粒含量較高，由黏粒的性質可知該土樣的可塑性較強，但透水性較差，很難壓實。

表1 江蘇344省道邳州段高液限土的化學成分

以K2+200、K5+200處高液限土為研究對象，摻入石灰進行試驗，確定該路段高液限土最佳含水率及最大干密度。高液限土路基填料的選取主要由壓實度、承載比CBR控制，故進行高液限土擊實及CBR試驗。

(1) 擊實試驗。以濕土法制作K2+200、K5+200處高液限土樣進行重型擊實試驗，測定所取濕土的含水率，設置合適的含水率梯度，采用風干方法制備6個試樣。

(2) CBR試驗。采用濕土法制作試驗土樣，以重型擊實法對土樣進行擊實，測量其質量，并用百分比記錄初始數據，后置于水槽中浸泡4 d，保持水面高于試件頂部25 mm。先預壓試件，隨后進行貫入試驗，以1 mm/min的速率壓入，并記錄百分表讀數。記錄貫入量為2.5、5 mm時的單位壓力與標準壓力之比，若CBR2.5小于CBR5則重新進行試驗；若結果依然不變，可采用CBR5作為CBR值。計算式為：

CBR2.5=p×100/7 000

(1)

CBR5=p×100/10 500

(2)

式中：CBR2.5為貫入量為2.5 mm時的承載比(%)，精確至0.1；p為單位壓力(kPa)；CBR5為貫入量為5 mm時的承載比(%)，精確至0.1。

2 石灰改良處治技術方案

對該路段高液限土進行摻生石灰(主要成分為CaO，摻量為4%、5%、6%)試驗研究，以高液限土滿足路基填料要求為目標。根據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，經過石灰改良后的高液限土仍具有一定崩解可能性，可采用CBR值來確定石灰改良處治后的強度性能。通過擊實試驗確定改良后高液限土的最佳含水率、最大密實度，再檢驗其CBR值是否滿足規范要求。

(1) 擊實試驗。以干土法制作14%、16%、18%、20%、22%含水率土樣，以5 kg為一份打包，燜至少36 h；將燜好的樣本分別摻入4%、5%、6%生石灰進行擊實試驗，得出不同含水率下最佳含水率及最大干密度。

(2) CBR試驗。采用干土法制作含水率約為最佳含水率的土樣，燜不少于36 h；將燜好的樣本分別摻入4%、5%、6%生石灰，采用路面材料強度試驗儀器對樣本進行承載比試驗，得到不同樣本的CBR強度指標。

摻入石灰后應立即進行壓實試驗，因為石灰會降低高液限土的最大密實度，若間隔一段時間再壓實，土體的塑性會發生很大變化。另外，為節約時間，采用干土法制作不同含水率的樣本。

3 試驗結果與分析

3.1 高液限土的試驗結果與分析

3.1.1 擊實試驗結果與分析

對K2+200、K5+200處高液限土進行擊實試驗，擊實方式為重型Ⅱ法Ⅱ.2，每層擊數為98 次，試驗結果見表2。

表2 高液限土擊實試驗結果

由表2可知：高液限土的干密度隨著含水率的增加而減小，并未出現峰值，即兩路段土樣的最佳含水率處于較低水平。由于該區域降雨較頻繁，土體中細顆粒比例較高，天然含水率與最佳含水率差值較大，無法通過曬干的方式降低含水率，同時施工時土體壓實度難以滿足，需進行改良處治。

3.1.2 CBR試驗結果與分析

兩路段高液限土的CBR試驗結果見圖1、圖2。

圖1 K2+200處土樣不同含水率和壓實度下CBR值

圖2 K5+200處土樣不同含水率和壓實度下CBR值

由圖1、圖2可知：1) 同一含水率時，高液限土的CBR值隨著密實度的降低而降低，這是由于擊實功減小，吸水量、膨脹量增加，濕密度與干密度降低。2) 同一壓實度時，高液限土的CBR值隨著含水率的降低而增大，但K2+200處高液限土樣在含水率降至22.8%、K5+200處高液限土樣在含水率降至19.7%后，CBR值增大幅度明顯減小。3) K2+200、K5+200處土樣的天然含水率較高，分別為22.8%、23.2%，在該狀態下即使密實度達到100%，其CBR值也無法滿足規范要求，需進行改良處治。

3.2 石灰改良處治試驗結果與分析

3.2.1 擊實試驗結果與分析

分別摻入4%、5%、6%生石灰對該路段高液限土進行改良。以改良后K2+200處高液限土為樣本進行擊實試驗，擊實方法為重型Ⅱ法Ⅱ.2，每層擊數98次，筒容積為2 150 cm3，試驗結果見圖3～5。根據不同石灰摻量下含水率與干密度的關系，得到不同石灰摻量下改良土的最佳含水率和最大干密度(見表3)。

圖3 摻4%石灰改良土的含水率與干密度

圖4 摻5%石灰改良土的含水率與干密度

圖5 摻6%石灰改良土的含水率與干密度

由表3可知：摻入4%、5%、6%石灰后，土樣最佳含水率均在14.7%左右，最大干密度分別為1.64、1.69、1.71 g/cm3，可為CBR試驗提供土樣壓實度制備依據。

表3 不同石灰摻量下改良土的最佳含水率和最大干密度

3.2.2 CBR試驗結果與分析

以改良后K2+200處高液限土為樣本進行CBR試驗，含水率為28%，試驗結果見圖6～8。根據不同石灰摻量下CBR值與干密度的關系，得到不同石灰摻量、不同壓實度下CBR值(見表4)。

圖6 摻4%石灰改良土的CBR值與干密度

圖7 摻5%石灰改良土的CBR值與干密度

圖8 摻6%石灰改良土的CBR值與干密度

由表4可知：93、94區路基填筑可采用摻4%石灰改良的高液限土；96區下路床及以下各區路基填筑可采用摻5%石灰改良的高液限土；96區下路床及以下各區路基填筑可采用摻6%石灰改良的高液限土(見表5)。

表4 不同石灰摻量和壓實度下改良土的CBR值

表5 不同石灰摻量下改良土的最佳含水率、最大干密度及適用范圍

4 試驗段工后沉降分析

選擇K6+400—K7+600段路床進行石灰改良處治試驗，石灰摻量分別為4%、5%、6%，比較不同摻量的改良效果。試驗路段厚80 cm，寬12 m。 設置沉降觀測點，選取路線中點、邊點進行處治后試驗段工后沉降分析。圖9為不同石灰摻量下路線中點的平均沉降。

圖9 不同石灰摻量改良土的累計沉降

由圖9可知：相對于正常土質路基，石灰改良處治后路基沉降值明顯偏小，且60 d后趨于穩定；隨著石灰摻量的增大，改良土體趨于穩定的累計沉降值逐漸變小，顯著小于未改良高液限土的累計沉降值，采用石灰處治技術獲得的效果較理想；3種石灰摻量改良土體工后沉降均具有適應性，結合試驗段的其他檢測參數，確定6%為最佳石灰摻量。

5 結論

(1) 高液限土的擊實試驗干密度隨著含水率的增加而減小，并未出現峰值，土的最佳含水率處于較低水平；同一含水率下CBR值隨著密實度的降低而降低，同一壓實度下CBR值隨著含水率的降低而增大，但K2+200處高液限土樣在含水率降低至22.8%、K5+200處高液限土樣在含水率降低至19.7%后CBR值增大幅度明顯減小，土樣的天然含水率較高，其CBR值無法滿足規范要求。

(2) 摻4%石灰，以最佳含水率14.89%、最大干密度1.64 g/cm3作為控制指標，改良高液限土可用于93、94區路基填筑；摻5%石灰，以最佳含水率14.88%、最大干密度1.69 g/cm3作為控制指標，改良高液限土可用于96區下路床及以下各區路基填筑；摻6%石灰，以最佳含水率14.69%、最大干密度1.71 g/cm3作為控制指標，改良高液限土可用于96區下路床及以下各區路基填筑。

(3) 隨著石灰摻量的增大，改良土體趨于穩定的累計沉降值逐漸變小，顯著小于未改良高液限土的累計沉降值。石灰最佳摻量為6%。