近海低液限粉土CBR試驗研究

李 軍，鐘賢勍，胡廷志，梁軍林

(1.廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；3.廣西特殊地質公路安全工程技術研究中心，廣西 南寧 530004)

0 引言

土作為公路建設中一種最為普遍的材料，在路基中扮演著重要角色，其工程性能直接影響著公路施工及使用質量的好壞。不同地區的土由于地理壞境以及形成過程中的差異，導致其物理特性具有很大的差異性，即使按塑性圖進行劃分屬于同一類型的土，也會因為其各自的礦物組成及工程地質壞境的不同而產生極大的工程性質差異。我國海岸線漫長，內地河流分布眾多，因此造就了眾多類型的沿海、沿河的沖積土壤，其中的近海低液限粉土便是沿海地區一大類特殊土，廣西北部灣地區的近海河口地區大范圍分布有該類特殊土。其形成過程中主要受入海河流沖積、洪水沖積以及海相沉積作用，使該類低液限粉土的組成與結構復雜，其物理、水理及力學性質波動很大，土的中間物理狀態復雜[1]，造成其工程應用上難以與現有的工程理論與經驗建立起直接明確的關系。一方面，近海低液限粉土表象均勻，含有一定量膠結物質，天然狀態下的低液限粉土呈現出較強的抗剪強度特性；另一方面，由于近海低液限粉土的顆粒組成變異性大，造成其各向異性明顯，作為路基填料使用時易造成路基沉降不均勻，同時在開挖過程中受擾動后近海低液限粉土水穩程度降低，整體表現出填料強度低的特點。

目前，針對低液限粉質土以及受水流沖積沉積粉質土的特殊物理性質及工程特性已有較多學者對其進行了相關系列研究，但由于不同地區粉土特性差異的限制，尚無法形成統一的低液限粉土的評價方法及應用方法。本文依托廣西貴(港)合(浦)高速公路建設項目，在已有的相關研究成果上[2-7]，通過分析顆粒組成及結構性對近海低液限粉土強度的影響，研究該地區低液限粉土路用強度性能，對低液限粉土的強度影響因素進行了有益的探討。

1 低液限粉土特性

1.1 土樣顆粒分析

廣西北部灣沿海地區的低液限粉土由于在形成過程中經受流水沖刷及海相沉積作用，使得其顆粒組成變異性大。選取貴合高速建設標段內10個土樣對其進行常規顆粒分析試驗，結果如表1所示。部分試驗土樣粗粒土含量大，考慮近海地區土受內陸入海河流及海水沖刷、搬運作用，造成土樣顆粒分布不均勻，但土體組成顆粒總體上仍以細粒土為主。因此，該地區土的工程性質及路用性能取決于細粒土的物理特性。表1所示試驗結果表明，現場土樣界限含水率與塑性指數值均偏高，且波動性質明顯，按塑性圖劃分，各個土樣分布在CL區與ML區的A線附近，總體分析，應定名為低液限粉土。對以細顆粒為主的土樣進行顆粒分析，采用移液管法，其中土樣A7在水中浸泡12 h，土樣A8浸泡24 h，土樣A10浸泡48 h，試驗結果如表2所示。根據顆粒分析試驗，細粒土顆粒組成以粉粒土為主，隨著土樣浸泡時間的增加，其黏粒含量逐步增加，表明天然狀態下的低液限粉土內含有一定的膠結物質，在膠結作用下，土中細小顆粒容易結成較大的土顆粒，因此判斷膠結作用是近海低液限粉土顆粒組成變異性的主要原因之一。

表1 貴合高速土樣試驗結果匯總表

表2 近海低液限土顆粒組成通過百分率匯總表

1.2 膠結物質對土顆粒組成的影響

根據移液管法對土樣顆粒分析的結果，推測北部灣地區的低液限粉土含有較強的膠結物質。對土樣進行差熱分析，得到土樣含有的黏土礦物與非黏土礦物成分如表3所示。土樣中含有的鐵質、硅質礦物，可以形成鐵質膠結物和硅質膠結物使低液限粉土試樣具有較強的結構性。

文獻[8]中給出了去除不同形態鐵后顆粒分布變化的例子，根據這些例子，在對該低液限粉土試樣的顆粒分散試驗中，選取焦磷酸鈉為分散劑，仍采用移液管法，所得結果見圖1。土樣A7、A8、A10為原狀土，A7#、A8#、A10#為加入焦磷酸鈉后得到的試驗結果。通過分散劑處理后，土樣中黏粒含量明顯提高且顆粒組成趨于穩定，說明在天然狀態下，該地區的低液限粉土中的大量黏粒由于膠結作用而形成了粉粒，由于各個土樣的膠結作用的強度不一，這是造成近海低液限粉土顆粒組成變異性大，界限含水率波動的主要原因之一。

北部灣近海河口地區的低液限粉土組成較為復雜，天然狀態下的低液限粉土表現出粗細粒土組成波動性、界限含水率大的特點，因此造成其水穩定性難以評價。使用分散劑去除土中含有的膠結物質后，土顆粒得到充分分散，顆粒組成趨于穩定，顯示近海低液限粉土的結構性特點是其復雜性質的重要成因。

表3 洪沖積細粒土樣礦物成分表

圖1 土樣顆粒分析曲線圖

2 低液限粉土承載比試驗

2.1 承載比試驗原理

土作為路基填料的工程性質通常以加州承載比(CBR)作為指標。CBR試驗值能反映土體進行貫入試驗之后，土樣試件中部與土樣整體之間的相對位移，是土體局部抗剪強度的表征，其反映在路基上則可以對路基局部抗剪強度進行表征。

2.2 低液限粉土CBR試驗方法

土的強度理論基于Coulomb強度公式以及Terzaghi有效應力原理認為：決定土體強度的參數為有效應力、粘聚力、內摩擦角。粘聚力表現為土中顆粒間的相互作用力，尤其是土體內孔隙間有水存在時，親水黏土礦物與水結合形成的膠結物質以及顆粒間的液橋力使土體內土顆粒形成穩定的結構。內摩擦力主要依靠于土顆粒間的擠壓與摩擦形成土骨架，李廣信等人通過對土骨架的研究認為，土體抗剪強度主要依靠于土骨架的形成及其強度[9]。由于近海低液限粉土顆粒組成以細粒土為主，根據孫其誠等[10]對顆粒物質密實程度的研究，近海低液限粉土土顆粒粒徑分布較為單一，可視為按等大球體自然堆積，其球體顆粒間通過相互接觸擠壓形成穩定整體，以配位數作為其接觸點個數的衡量指標，當配位數為6時達到理論最大密實度，其理論孔隙率為0.395。對現場低液限粉土原狀孔隙率測定結果為0.552～0.648之間，密實程度低，顆粒排列松散。設計試驗通過摻入適當細粒土，以現有粉土顆粒為主要土骨架，通過擊實成型，使土顆粒間空隙得到充分填充，可以降低孔隙率提高密實度來提高土的CBR值。因此摻配土的選擇以顆粒組成與施工現場的低液限粉土顆粒組成相似為主要原則。

根據規范《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)，近海低液限粉土CBR試驗采用泡水后進行貫入與天然原狀土擊實后直接貫入兩種形式，泡水試驗模擬土樣在最不利環境下，土顆粒間充滿孔隙水時的CBR值。為研究其結構性對低液限粉土CBR值的影響，針對低液限粉土試件采取不同的處理方法及通過與其他土樣摻配，進行顆粒改良后的CBR試驗。

摻配土樣選用臨近北部灣地區的一種高液限黃黏土，其土的基本特性如表4。下頁圖2為用于摻配的高液限黃黏土與近海低液限粉土的顆粒組成對比曲線圖，采用與近海低液限粉土相同的顆粒分析方法，分析結果表明高液限黃黏土顆粒相較于低液限粉土顆粒的平均粒徑更大，黏粒含量極少，符合試驗設計要求。

表4 高液限黃黏土基本特性表

圖2 土樣顆粒分散試驗曲線圖

2.3 試驗結果

針對近海低液限粉土CBR試驗及摻配改良后CBR試驗結果如表5所示。土樣1#、2#、3#、4#為近海低液限粉土結構性對比試驗組，試驗發現經過泡水后的粉土試樣，其CBR值出現大幅衰退，表明該類低液限粉土在孔隙含水量大的情況下，原有膠結物質開始逐漸溶解，膠結作用的逐漸消失導致了低液限粉土原有結構性會被破壞；同時風干作用對低液限粉土的結構性同樣有重要影響，風干重塑土樣成型直接貫入的CBR值低于原狀貫入值，但風干重塑后的土樣水穩定性有一定提高，表征為風干重塑土在泡水后的CBR值較原狀土樣有小幅提高，說明該地區近海低液限粉土的土中孔隙含水量對其結構性有重要影響，同時孔隙含水量的流失對結構性的影響具有不可逆性。

土樣5#、6#為高液限黃黏土在規范下通過承載比試驗所測定的CBR值，發現該土在原狀下具有較高的整體強度，但在水的影響下，其強度衰退幅度很大，說明其水穩定性不佳，土中飽和度對其工程性質影響顯著。對比土樣1#、5#，在非飽和狀態下的黃黏土CBR值要高于低液限粉土CBR值，土樣1#中黏粒含量高于5#，這符合已有的研究發現[11]，即黏粉比越大，CBR值越小。

土樣7#～14#為低液限粉土與高液限黃黏土的摻配混合CBR試驗，試驗通過調整兩種土樣的摻配比例進行對比試驗。通過試驗數據發現，隨著低液限粉土中摻配的高液限黃黏土比例的增加，混合土樣的原狀CBR值與泡水后的CBR值并未出現明顯的單調升降關系；土樣12#、14#對比發現，當混合土樣中兩種土的摻配比例接近1∶1時，其飽和狀態下的CBR值趨于穩定，且與高液限黃黏土飽和狀態下的CBR值相近。對于原狀擊實成型后直接貫入的各組土樣的CBR值，同樣出現與飽和狀態類似的CBR值的波動情況，分析數據發現各個混合比例下的原狀土CBR值趨近于低液限粉土的原狀未經泡水處理的CBR值，表明近海低液限粉土的結構性對土體抗剪強度影響較大，進行摻配混合后的土在抵抗外力作用及變形的主體仍然是近海低液限粉土。

表5 CBR試驗結果匯總表

3 CBR影響因素分析

Terzaghi有效應力原理認為：有效應力是作用于單位土骨架面積上的力，是影響土體強度和變形的重要因素。結合文獻[11]中對巖土顆粒力學強度作出的系統研究分析，總結出土作為一種典型的顆粒性質材料，其力學性能由顆粒間的接觸力決定，土顆粒間的接觸擠壓形成土中的顆粒力鏈來承擔外部作用在土體上的力，力鏈的力學效應即所謂的“土骨架效應”[12]。同時土顆粒間的接觸作用力大小與孔隙率e及顆粒平均粒徑d有關：

(1)

對于北部灣地區的近海低液限粉土，其土體主要由細粒土組成且土中顆粒粒徑分布較為單一，以粒徑分布在0.002～0.075 mm的粉粒為主，根據式(1)，在外部應力作用下，由于其主要顆粒粒徑細小，土顆粒間接觸力較小，因而由此產生的內摩擦力較小，難以形成穩定高強度的力鏈體系，因此近海低液限粉土以及其混合土樣CBR值均較小，表明以加入細顆粒為主的物理改良對提高其土體強度的效果十分有限。

對于由細粒土構成的土體，其抗剪切強度主要由黏聚力構成，大小取決于細顆粒間的相互作用力。對現場低液限粉土土樣進行差熱分析，其含有硅質膠結、鐵質膠結以及一定量的黏土礦物。當土中含有一定量的水分時，黏土礦物顆粒的親水性使黏土顆粒間形成水膜，此時土體在抵抗變形時，土顆粒間的摩擦擠壓由于水膜的潤滑作用而使其摩擦力減小。細顆粒含量的提高也相應增多了顆粒間水膜存在的數量，因此試驗土樣在經過泡水處理后的CBR值出現大幅降低。隨著黏土顆粒的增加，可以使細粒土中粉粒上附著的黏粒數量增加，起到部分潤滑作用，對于經過泡水之后的近海低液限粉土，土中原有膠結物質開始溶解流失，黏粒含量提高，其試驗結果的CBR值出現減小的情況。對于土中原有黏粒少的高液限黃黏土，通過摻配混合的方法增加黏粒含量對提高土體CBR有一定效果，試驗土樣8#、10#、12#、14#對此得以表征，但由于高液限黃黏土土樣中以粉粒土為絕大多數，摻配進入的黏粒容易集中堆積在部分粉土顆粒間的空隙中，且黏粒本身與水接觸后形成的膠結作用不足以使土中顆粒形成穩定的連接，因此對提高CBR值效果有限，說明具有不同結構性、水理特性的土在相似的顆粒級配下，其強度大小差異很大。

4 結語

(1)北部灣地區的低液限粉土由于流水沖積及海相沉積的影響，使得其具有復雜的組成及結構性，物理力學特性和水理特性波動性大，造成工程應用的困難。

(2)近海低液限粉土含有膠結物質，通過泡水能消除部分膠結，使用分散劑能使土顆粒充分分散；膠結物質的存在使土內黏粒容易聚攏形成粉粒，這是造成該地區低液限粉土組成顆粒波動性的重要原因之一。

(3)細粒土的結構性、含有的礦物類型及膠結物質是影響其CBR的重要因素之一。不同結構性的土通過相互摻配改變顆粒級配的方法對提高土體強度的效果有限，表現為具有相似顆粒組成或液塑限的土樣，由于各自的結構性與成因的差異，其土體強度也會有很大差異。近海低液限粉土的結構性具有不可逆性，擾動重塑后的土體強度與重塑前存在差異，因此該類土在用于路基填料時，應關注其開挖擾動、翻曬等外力影響后工程性質變化的問題。