姜石土工程特性及改良措施試驗研究

李錫波，鄭志超

(1.山東省交通規劃設計院，山東濟南 250031;2.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司，山東 濟南 250101)

姜石土由重黏性土包裹一些砂礫狀的姜石(硅鈣質結核)形成，在我國石灰巖與黃土分布區大量存在。工程實踐證明，姜石土填筑路基壓實后易返潮使其密實度降低，壓實質量難以控制和保證。因此，加強對不同姜石含量土填筑路基的適應性和改良措施的研究，對于正確使用姜石土填筑路基，保護土地資源和生態環境，降低公路工程造價，具有重要的指導意義。

1 試驗材料選取

本文依托山東省棗莊地區某在建公路工程，選取該地區具有代表性的姜石土進行試驗分析研究。試驗分析表明:其姜石含量一般在50%左右，顆粒粒徑一般在0.5～50.0 mm，含水率在25%左右，燒失量8.90，pH值為8.02。其物質組成如表1所示。

表1 姜石土的組成 %

姜石土的礦物成分:非黏土礦物有石英、長石、云母;黏土礦物以蒙脫石為主，伊利石為次，并含有少量高嶺石和綠泥石。土的化學成分以SiO2，Al2O3為主要成分，Fe2O3，CaO次之，屬硅鈣質結核。組成黏土礦物的顆粒極細，多呈片狀，比表面積很大，與水作用具有活躍的物理化學特性。

2 姜石土工程特性的試驗研究

根據姜石土施工過程中出現的不良現象，設計對不同姜石含量的填料進行室內顆粒分析試驗、擊實試驗、CBR試驗、毛細水上升試驗，通過試驗數據分析，確定主要影響因素，為工程改良提供依據［1-3］。

2.1 姜石土的可塑性

姜石土呈黃褐色，濕時極黏，干時堅硬，篩除姜石后進行了可塑性試驗。界限含水率采用液塑限聯合測定儀法測定，結果如表2所示。

表2 篩除姜石后姜石土的液塑性指標

由表2可見，篩除姜石的土屬于高塑性黏土，可塑性很強，有強的吸水性，工程碾壓時的和易性差。

2.2 顆粒組成及擊實特性

姜石土顆粒組成采用篩分與比重計聯合試驗確定，擊實試驗采用標準重型擊實Ⅱ-2法。

根據土的分類標準:姜石含量 ＞50%時為粗粒土，＜50%時為細粒土，＜30%時級配不良。圖1和表3顯示:不同姜石含量土的擊實曲線具有類似的形狀，說明其壓實性狀基本相同;隨姜石含量的增加，駝峰左移，說明姜石含量是影響姜石土最大干密度和最佳含水率的主要因素。

圖1 不同姜石含量土的擊實曲線

表3 不同姜石含量土的最佳含水率和最大干密度

根據姜石土工程特性，用其填筑路基時應取擊實曲線駝峰右側的含水率作為現場控制含水率，這樣壓實后的路基孔隙很小，可吸入水量就大大減少，利于緩解路基返潮密實度降低的問題。

2.3 強度指標試驗

1)CBR試驗:采用重型擊實法制件，擊數分別為30擊、50擊、98擊，飽水4晝夜后，進行CBR貫入試驗，試驗結果見圖2。由圖2可知:①隨壓實度的提高姜石土的承載比(CBR)值隨之提高，但提升效果較小。說明姜石土作為一種懸浮結構，僅通過提高壓實度不能有效提高其強度。②飽水4晝夜后姜石土的CBR值較低，較難滿足公路路基設計規范［1］中對高速公路或一級公路路床填料最小強度的要求(上路堤CBR值≥4%)。僅姜石含量為30% ～40%時，在98擊條件下其CBR值略 ＞4%。因此，對于該地區常見姜石含量為50%的姜石土需要進行土質改良。

圖2 承載比隨姜石含量變化曲線

2)回彈模量試驗:根據試驗規程采用路強儀法對姜石土的回彈模量進行測定，見圖3。表3中有各姜石含量下最佳含水率時的試驗結果。由圖3可知:姜石含量相同時，姜石土的回彈模量隨其含水率的增加而逐漸減小;在最佳含水率下，隨姜石含量的增加，其回彈模量也隨之降低，姜石含量20%時回彈模量最大。

圖3 回彈模量和含水率關系曲線

2.4 毛細水上升高度試驗

選取姜石含量30%的姜石土，按照94%壓實度控制，進行了98 h的毛細水上升高度觀測，見圖4。由圖4可知:該姜石土毛細水在前20 h內上升劇烈，達520 mm，占98 h總觀測量的67.1%。98 h時毛細水總上升高度達775 mm，可見該類姜石土具有強烈的毛細作用，是路基返潮現象出現的重要原因之一。

圖4 毛細水上升高度與時間關系曲線

3 姜石土改良措施的試驗研究

為了在改善姜石土工程特性的同時，提高改良措施的經濟性，根據工程經驗，擬通過摻加石灰、粉煤灰(兩者質量比取1∶3)對姜石土進行改良處治［4-7］。通過液塑限試驗、擊實試驗、強度指標測試和水穩定性試驗，對不同摻加比例下的試樣進行了效果對比分析。

3.1 改良后姜石土的可塑性

試驗方法與改良前液塑限測定方法相同。由表4可知，通過摻加石灰、粉煤灰，姜石土的塑性指數能夠明顯降低，改善了姜石土的可塑性、黏結性與施工的和易性。

表4 改良后姜石土的液限、塑限指標

3.2 改良后姜石土的擊實特性

由圖5可知:加入石灰、粉煤灰后，擊實曲線較圖1變得平緩，隨二灰含量增加駝峰愈加寬緩，表明石灰、粉煤的加入改變了姜石土的水敏感性，可碾壓的含水率范圍變寬。石灰、粉煤灰的加入，增加了重黏土中粉砂粒級的含量，改變了土的顆粒級配，可有效改變壓實性狀。從降低姜石土的可塑性和水敏感性方面來看，3%的石灰、9%的粉煤灰加上一定時間的悶料(3～4 d)，碾壓是比較合適的。

圖5 不同摻灰劑量姜石土的擊實曲線

3.3 強度指標試驗

試件制備及試驗方法同上。圖6為摻加3%石灰、9%粉煤灰改良后不同姜石含量姜石土的測試結果。圖7為50%姜石含量姜石土不同摻料含量時的測試結果，其中石灰:粉煤灰質量比為1∶3(圖中僅用石灰摻量表示)。由圖6和圖7可知:①摻加二灰改良后材料的CBR值具有顯著的提升，均能夠滿足高速公路路床填筑要求(上路堤CBR值≥4%);②相同灰劑量下，CBR值隨姜石含量的增加而緩慢增加，同一姜石含量下，CBR值隨灰劑量的增加呈減小趨勢;③相同材料配比下CBR值隨擊實次數的增大而明顯提高。因此，從提高路基填筑強度角度考慮，應提高其壓實質量并適當減少石灰、粉煤灰摻量。

圖6 CBR值與姜石含量關系曲線

3.4 水穩定性試驗

按照94%壓實度控制，制備姜石含量30%、石灰劑量3%、粉煤灰劑量9%的試件進行毛細水上升高度試驗，由試驗結果可知:改良后姜石土毛細作用顯著降低，98 h毛細水上升高度為324 mm，僅為改良前的41.8%。因此，摻加石灰、粉煤灰對姜石土進行改良能夠有效改善其水穩定性，減小其毛細水上升高度。這可以從減少水源的角度緩解其返潮壓實度降低的現象。

圖7 CBR值和摻料含量關系曲線

4 結論與建議

1)不含姜石的純土屬于高塑性重黏土，由于姜石含量的影響，不能按塑性土分類，應劃歸特殊土，名為含姜石重黏土。

2)當姜石含量 ＜30%時，屬于重黏土，具有黏性土的壓實性狀，壓實可采用低頻弱振或靜壓;含量30%時，土的級配最好，強度最高;含量30% ～50%時，壓實處于細粒土與粗粒土的過渡狀態，壓實可采用低頻強振;含量 ＞50%時，屬于粗粒土，可采用高頻強振壓實。

3)姜石土擊實后CBR值較低，毛細作用比較強烈，不宜直接用于高速公路及一級公路路床填料。摻加石灰、粉煤灰(質量比1∶3)后姜石土物理、力學性質得到明顯改善，將其作為路基填料具有良好的壓實效果、強度特征和水穩定性，可用作高速公路及一級公路路床填料。考慮經濟因素，石灰劑量宜控制在3%～7%之間。

［1］中華人民共和國交通部.JTG D30—2004 公路路基設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國交通部.JTG E40—2007 公路土工試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］中華人民共和國交通部.JTG E51—2009 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］曹培，王芳，嚴麗雪，等.石灰改良黏性土CBR值的試驗研究［J］.巖土工程學報，2011，33(增刊):298-301.

［5］楊廣慶，管振祥.高速鐵路路基改良填料的試驗研究［J］.巖土工程學報，2001，23(6):659-662.

［6］劉崢嶸.高液限黏土路用填料的改良研究［J］.路基工程，2010(1):131-133.

［7］柳墩利，趙有明.擊實延遲時間對水泥改良土壓實系數影響的研究［J］.鐵道建筑，2008(8):91-94.