道路施工中軟土的CBR和滲透性研究

王繼榮

（貴州順康檢測股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

目前，隨著城市化進程及建筑行業的發展，軟黏土給建筑業，尤其是在道路建設方面帶來了巨大的挑戰[1]。軟土的特性是高壓縮性、低抗剪強度和低滲透性。軟土區道路施工存在的問題是地基承載力不足，施工后沉降過多以及開挖和路堤形成失穩，在這種地層中，通常硬層和基巖都很深，導致地基造價較高[2]。

為了解決這些問題，必須了解軟黏土的工程特性。傳統的地面處理方法，如軟土置換；通過插入預制垂直排水溝（PVD）和堆填來加快孔隙水消散和平臺沉降；通過安裝石柱等來改變地下土壤的承載力。這些方法的應用受到技術可行性、空間、時間和施工成本的限制。盡早選擇和應用最合適的地面改善技術不僅可以大大改善基礎和土方結構的設計和性能，而且可以提高其成本效益。化學穩定方法具有提高土體強度、減少總沉降和差異沉降、縮短施工周期、降低施工成本等特點，這些特點可能影響其在軟土地基上具體工程中的應用。該研究通過使用貴州省烏當至長順高速公路PPP 項目施工過程中的軟黏土創建納米黏土并在軟土研究中心使用軟黏土創建的納米黏土作為混合物進行實驗室固化土壤測試，來解決這些不足。

此開發項目是在軟黏土上建造的。該項目的土木工程組成部分包括全線房建工程、綠化環保境保護工程、機電工程的土建部分、交安等附屬工程。由于缺乏適合基礎設施和其他開發的土地，部分工程需要在軟土上建設。該研究是在貴州省烏當至長順地區進行的，該地區已知有豐富的軟黏土。這種類型的軟黏土可延伸到地下40m 的深度。研究表明，軟土地區的道路經歷了例如裂縫，較大的表面變形以及路面層和路基的結構變形等多種類型的破壞。為了避免和減少這些破壞，需要利用該種軟黏土，以減少從其他地方運輸土壤，并降低土壤運輸對環境造成的破壞。軟土的可塑性指數PI 越高，出現問題的可能性就越大。尤其是高塑性的黏土，當其水分含量增加時會膨脹。水分控制是收縮和膨脹黏土地基成功的最重要的單一因素。可以通過塑性指數定性地反映了土壤中黏土的百分含量和黏土礦物的活性。黏土礦物的含量越大，活性越高，其膨脹、蠕變和行為變化的潛力就越大。建筑研究機構表明，塑性指數超過35%的土體發生體積變化的潛力非常高。這些體積變化會引起地面運動，從而可能損壞建筑物。因此，為了防止這些問題，工程師必須在開始施工活動之前固化現有土壤，使土壤更適合作為道路路基和任何道路建設。

納米顆粒作為一種新型添加劑，可有效地改善土體巖土性質，其在土壤改良方面的應用得到廣泛的研究，但其在軟黏土加固方面的研究卻相對較少。因此本文從工程實際問題出發，研究納米黏土對加州承載比（CBR）和軟黏土滲透率的影響，研究結果以期為軟黏土地基的工程建設提供指導。

1 材料與方法

1.1 土壤性質

土壤學家通過土壤中砂粒、粉粒和黏粒的含量來描述土壤類型，這被稱為土壤質地。可以通過添加不同的物質來改變土壤質地。改變土壤質地有助于為植物提供生長所需的適宜條件。砂粒是土壤中最大的顆粒。粉土是粒徑介于砂土和黏土之間的土顆粒。粉土質地光滑，呈粉末狀，潮濕時，感覺光滑但不黏稠。黏粒是顆粒中最小的。黏土干燥時光滑，潮濕時黏稠。黏粒含量高的土壤稱為重壤。黏土也含有大量的營養物質，但不能讓空氣和水很好地通過。粒徑大小與土壤排水和養分固持能力有很大關系。

在軟土地基上修建公路是世界許多地區公路建設中最常見的問題之一。通常的軟土地基加固方法是將軟土去除，換成強度更高的碎石材料。高昂的換填費用使得公路部門不得不對軟土地基上公路建設的替代方法進行評估。

1.2 納米黏土

納米黏土的重要原料是蒙脫石，一種具有片狀結構的二至一層狀蒙脫石黏土礦物。每層厚度約為1nm，直徑從10nm 到幾微米，根據改性方法的不同，層間距在1nm 左右。由于其高長徑比和良好的物理與熱學性能，納米黏土在阻隔性、阻燃性、熱學和力學性能方面具有優異的改善潛力。

1.3 穩定性

穩定化是通過與土壤進行混合攪拌，改善土壤某些性質的過程。該過程可能包括將土壤混合以達到所需的級配或混合市售添加劑來改變級配、質地和可塑性，或作為黏結劑來固結土壤。

1.4 土壤分類

土的分類是根據土的可能工程特性對土進行系統分類的一種方法。土壤的分類是基于其顆粒分布，如果土壤是細粒的，則基于其可塑性（LL 和PL）。道路工程中應用最廣泛的分類系統是統一土分類系統、AASHTO 分類和英國標準分類。土壤分類只應被視為獲得土壤行為總體概念的一種手段，而絕不能替代土壤性質的詳細調查。

1.5 土壤工程性質

土的工程性質分類是根據土作為基礎材料或建筑材料的適宜性而發展起來的。土的工程性質作為土的工程行為的初步指導是非常重要的。因此，在任何重要的工程中，應結合土壤的用途進行工程土壤分類，因為不同的性質決定了在不同的情況下土壤的行為。許多學者對固化土的基本工程性質進行了試驗研究，研究了低成本建造房屋和道路基礎設施中，水泥窯灰和火山灰對混合水泥摻和土強度的影響。

1.6 道路施工

道路是由路基、底基層、基層和面層組成的多層結構。路基是土體的最上層，由天然或進口土組成，以支撐上覆土層傳遞的荷載。因此，底基層在將荷載傳遞到路基之前，起到了分散底基層荷載的作用。覆蓋于底基層之上的基層對交通荷載的支撐和分散作用突出。面層由黏結層和磨耗層組成。黏結層起支撐、分散交通荷載和抵抗剪切的作用，而最上層(磨耗層)起抗磨損和防止打滑的作用。道路施工中的軟土路基是世界上許多地區公路建設中經常遇到的問題之一。這些問題土無論是在施工中還是在路面使用壽命期間，都不具備足夠的強度來支撐其承受上部荷載。通常的軟土地基加固方法是將軟土去除，用碎石等強度較高的材料代替。高昂的換填成本使得公路承包商不得不探索軟基上公路建設的替代方法。因此，必須對這種土進行處理，為路面的施工提供穩定的路基或工作平臺。實現這一目標的策略之一是土壤穩定化。土壤穩定化包括物理穩定化（如強夯法）和化學穩定化（如與水泥、粉煤灰、石灰混合等）。道路最重要的一層就是路基，當路基建立在固有的弱土中時，這種材料通常被移除，代之以更強的顆粒材料。

2 實驗室測試

2.1 阿特伯格極限

阿特伯格極限是測定土的塑限和液限的室內試驗。采用圓錐貫入儀試驗測定納米黏土的塑限和液限。得到納米黏土的塑性和液限值，即可得到納米黏土的塑性指數（PI）。

2.2 滲透性

滲透試驗是測定滲透系數k 或水流通過土樣的速率的室內試驗。所采用的滲透試驗類型為落頭試驗，因其適用于細粒土。本文采取了該方法，試驗方法如圖1所示。

2.3 加州承載比CBR

CBR 是評價道路路基和基層力學強度的滲透試驗。試驗采用如圖1所示的設備，用標準面積的柱塞測量土樣貫入所需的壓力。CBR 等級是為衡量道路用土的承載能力而制定的。表面越硬，CBR 等級越高。

圖1 滲透性和CBR 測試設備巖心切割機

3 結果分析

本章對完成的試驗測試得到的數據進行了分析和討論。試驗過程中，記錄了土體的最大干密度、塑性指數、滲透系數k、CBR 值等原始數據。然后對它們的數據進行處理和分析，以確定使用膨潤土和納米黏土作為摻和料的土壤是否獲得了更大的強度。

3.1 納米黏土的最佳水分含量

由圖2可知，納米黏土（BPSC）的最優含水率（OMC）為16%，最大干密度為1.774Mg/m3。圖中所示的擊實曲線給出了納米黏土在特定壓實作用下，干密度與含水率的關系。

圖2 納米黏土的最佳水分含量圖

3.2 不同外加劑摻量的滲透系數k

圖3為不同比例的外加劑通過納米黏土的滲透系數或滲透速率。由圖3可知，滲透系數由外加劑比例的0%減小到外加劑比例的15%。表明隨著外加劑比例的增加納米黏土的水通過土樣的滲透速率幾乎呈線性減小。表1為0%、5%、10%和15%外加劑比例的滲透系數值。

圖3 外加劑百分比與滲透系數的關系

表1 不同外加劑比例下的平均滲透系數值

3.3 不同外加劑比例對CBR 值的影響

通過加州承載比（CBR）試驗評價納米黏土的強度是否適用于道路路基的施工。試驗通過用標準面積的柱塞測量穿透土樣所需的壓力來進行。CBR 等級是為了衡量道路用土的承載能力而制定的。圖4為不同外加劑比例下納米黏土的最大干密度對應的加州承載比。

表2給出了由圖4解釋的CBR 值。基于該值，表明CBR 值隨著納米黏土中外加劑比例的增加而增加。然后將這一結果與CBR 的總體評分表3進行比較。

圖4 不同外加劑比例下納米黏土的最大干密度對應的加州承載比

表2 不同外加劑比例下CBR 占95%干密度的百分比

表3 CBR 總體評分表

4 結論

其一，膨潤土和納米黏土的增加減少了土壤混合物中的空隙。當土壤混合物中的空隙減少時，流經土壤的滲透系數也會降低，從而改善了土壤，適合用于道路路基。其二，當膨潤土和納米黏土的百分比增加時，土壤混合物的加州承載比值增加，從而增加了土壤混合物的強度。加州承載比的越高表明土壤的強度越好。其三，所采用的膨潤土和納米黏土是一種適宜的強化添加劑，可用于改善軟土道路路基的質量。