廣連高速含砂低液限黏土路基壓實控制標準研究

黃宇， 肖宇鵬

(1.中交四航局 第三工程有限公司， 廣東 湛江 524000；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

在中國南方地區公路工程建設中經常會遇到大量細粒土，其具有天然含水率高、細粒含量大、液塑限高、親水性較強、水穩性差等特點。建設中主要存在3個問題：一是在南方地區濕潤氣候條件下很難通過翻曬將細粒土填料從天然含水率降至最佳含水率附近進行碾壓使其達到壓實控制標準，導致路基填筑工期大大延長；二是采用傳統棄土換填技術會大量占地，造成嚴重水土流失；三是若采用摻灰或摻砂改良技術，會導致環境污染和造價數倍增加。楊世基分別采用干法和濕法制作同一含水率土樣進行擊實試驗，發現2種制樣方法的試驗結果存在明顯差異，表明實際合理的壓實含水率應根據填土類型、需獲得的工程性能及實際操作性來選擇。吳立堅等以確保路基強度與穩定為目標，通過已完工多個工程實例的總結，結合相關科研成果進行分析，認為高塑性土應選取稠度1.0～1.3的含水率作為填筑含水率，其壓實度下限值為87%。JTG D30-2015《公路路基設計規范》規定，對于南方濕潤多雨地區的特殊土壓實，可適當降低其壓實度標準。已有工程實踐也表明，在細粒土滿足路基對填料強度和變形要求的前提下適當降低壓實度控制標準，同樣可確保路基的長期穩定。由于含水率是影響路基壓實的關鍵因素，吸附結合水又是細粒土中水的主要形式，研究結合水對細粒土路用性能的影響和壓實機理，對于促進中國特殊土路基工程問題研究和綠色公路建設具有重要理論和實際意義。

1 廣連高速公路細粒土的物理性質

廣連高速公路TJ02標段(起止樁號為K19+866.958—K48+090)長28.223 km，工程投資23.46 億元。根據勘探結果，路段存在80多萬m3天然含水率偏高的細粒土填料，其中高液限土26.4萬m3，主要分布路段占全線的10%。對較典型的細粒土從現場取樣進行液限和塑限試驗、土顆粒篩分試驗等，分析其基本物理性質與組成，結果見表1。

由表1可知：土樣的液、塑限較高；細粒含量較大，兩土樣均大于60%；粗粒組中的砂粒含量均大于礫粒含量，根據JTG E40-2007《公路土工試驗規程》，兩土樣均為含砂低液限黏土(CLS)；土中大量細粒為其吸附結合水創造了有利條件，天然含水率較大且均大于25%。兩土樣為典型的細粒土。

表1 廣連高速公路細粒土的物理性質

2 吸附結合水測試

已有研究表明：土中含有大量吸附結合水，吸附結合水密度大，約為1.3 g/cm3，在一定條件下仍具有近似固體的性質，不傳遞靜水壓力，具有一定的黏滯性和抗剪強度，不能自行由一個土顆粒旁移到另一個土顆粒上，只有當壓力大于3 MPa時，這部分結合水才能從土中排出。

文獻[6]選取應用較廣、試驗簡單、適合在工程中推廣的容量瓶法和等溫吸附法進行對比研究，發現容量瓶法測試吸附結合水的過程更符合工程中土樣的實際情況，吸附結合水含量測試宜采用容量瓶法。

參照文獻[7]中容量瓶法試驗步驟對土樣進行吸附結合水含量測試。將土樣在105 ℃下烘干取出，待土樣冷卻后，取一定質量土樣與一定體積25 ℃的水，在25 ℃恒溫下分別加入容量瓶中混合，使土顆粒完全分散并充分吸附結合水。吸附結合水的密度由吸附前的1.0 g/cm3增至1.3 g/cm3，總體積減小，通過觀測容量瓶中總體積的變化，并進行蒸發校正，根據文獻[7]中公式計算得到標準溫度下土樣的吸附結合水含量(見表2)。

表2 各土樣的吸附結合水含量測定結果

由表2可知：各土樣的吸附結合水試驗結果雖然不同，但具有相似的規律，吸附結合水都是從形成較快再減慢最后趨于穩定。GL-1、GL-2試樣的吸附結合水含量均較高，分別為21.2%、22.6%，均小于且接近于塑限，且GL-1的吸附結合水含量小于GL-2，測量結果與文獻[6-8]中黏土吸附結合水和塑限經驗公式接近。

3 吸附結合水對含砂低液限黏土路用性能的影響

對試樣展開重型濕法擊實、濕法浸水CBR和非飽和固結試驗，結合容量瓶法測試結果，分析吸附結合水對含砂低液限黏土擊實特性、強度、水穩性和非飽和固結特性的影響。

參照JTG E40-2007《公路土工試驗規程》，按照濕法制樣進行重型標準擊實試驗，確定填料干濕法的最優含水率與最大干密度。用濕法擊實成型后的試件浸水進行CBR(加州承載比)試驗，確定CBR值和CBR膨脹量。取至少5份天然含水率狀態下的土樣，用手揀除其中大于40 mm的粗石子，把土樣鋪開在室內干燥，每隔1 h翻拌1次，使其含水率比天然含水率依次降低2%～4%，對土樣分別進行重型擊實后測量濕法土樣在相應含水率狀態下的干密度，得到濕法擊實曲線。按CBR試驗要求將濕法土樣在水中浸泡4 d后進行CBR試驗，得到濕法土樣的CBR值及CBR膨脹量(見圖1)。

由圖1可知：1) 土中吸附結合水的含量遠高于最佳含水率，GL-1、GL-2的最佳含水率分別為16.5%和17.5%，均低于其天然含水率10%左右，在廣東濕潤地區很難使天然含水率降低至最佳含水率附近；隨著初始含水率的降低，浸水后雖然黏粒結合水膜增厚，但粉粒和粗粒之間的剛性接觸保證了土體整體強度，CBR增大；隨著初始含水率逐漸減小至吸附結合水含量附近，土中水多具有固體性質且具有一定抗剪強度，這種狀態下含砂低液限黏土的CBR均在強度較理想的范圍內。浸水CBR峰值的初始含水率也靠近吸附結合水含量，大于最佳含水率2%～3%。2) 在同一擊實功作用下，土樣的CBR浸水膨脹量隨制樣含水率的增加而減小，說明偏濕狀態下碾壓的含砂低液限黏土路基的水穩定性更好。初始含水率低于吸附結合水含量時，試樣浸水后的膨脹量顯著增大；試件含水率低于吸附結合水含量時，土顆粒表面吸附結合水還未吸附飽和，土顆粒吸附結合水，使水膜增厚發生體積膨脹，隨著結合水含量的降低，土顆粒吸附結合水的能力越強，能吸附的結合水含量也越多；試件含水率大于吸附含水率時，吸附結合水的含量基本達到飽和，試件基本不發生膨脹。

圖1 濕法擊實及CBR試驗結果

在廣東濕潤地區采用含砂低液限黏土填筑路基，通常壓實含水率較高，壓實度較低，路基工后沉降偏大。為評價含砂低液限黏土在高含水率狀態下填筑的壓縮性，對兩土樣濕法重型擊實曲線的濕側各點(含水率比最佳含水率高的各試驗結果點位)開展非飽和固結試驗，測定其壓縮系數，結果見圖2。

圖2 固結試驗結果

固結過程是土體在應力狀態改變時孔隙水排出、體積壓縮，荷載引起的應力從孔隙水逐漸轉移到土顆粒骨架上，直至變形達到穩定的過程。由圖2可知：土體的壓縮系數隨含水率的增大而增大。含水率小于吸附結合水含量時，壓縮系數隨含水率增加較緩；含水率大于吸附結合水含量時，受力可變形和遷移的弱結合水增加，壓縮系數隨含水率增加而顯著增大。但各含砂低液限黏土在高含水率狀態下的壓縮系數均小于0.5 MPa-1，表明在天然含水率至最佳含水率之間的任何含水率下進行碾壓，只要能達到該含水率下的最大密度，就能滿足規范對填料壓縮系數的要求。盡管廣連高速公路含砂低液限黏土在高含水率下干密度較小，但吸附結合水含量多，這一部分吸附結合水一般不會被壓縮移動，故其壓縮系數能滿足規范要求。

4 濕潤氣候條件下含砂低液限黏土路基壓實度控制標準

在南方氣候條件下，路面以下路堤填料的溫度一般為20～25 ℃，文中吸附結合水含量標準測試溫度為25 ℃。根據南方地區膨脹土路基不同土體位置長期溫度監測結果，南方地區除表層土體在極少出現的極端氣候時其溫度能達到30 ℃外，其余路基內部大多數時間的土體溫度平均在25 ℃或以下。同一土樣的吸附結合水含量會隨溫度升高而降低，故絕大多數時間路基中的吸附結合水含量大于文中試驗結果，即使極端升至30 ℃，吸附結合水含量的減少也不會超過1%。因此，在濕潤多雨的廣東地區，路基內部大多數時間的土體溫度平均在25 ℃或以下，上述容量瓶法測試結果基本符合路基實際情況且相對穩定。多個現場調查結果也表明，在南方氣候條件下，細粒土路基含水率會從初始壓實控制含水率逐年升至平衡含水率，約為塑限。

規范針對土質路基壓實度標準，提出“路堤采用特殊填料或處于特殊氣候地區時，壓實度標準根據試驗路在保證路基強度要求的前提下可適當降低”。針對這一空白點，文獻[12]對南方地區高液限土展開研究，根據吸附結合水具有近似固體的特性和在路基中長期穩定，將其視為土中固相一部分，基于規范對高速公路下路堤壓實度的要求，提出以吸附結合水含量和最佳含水率為參數的壓實度控制下限值Kmin計算公式：

(1)

式中：wopt為土樣的最佳含水率。

按照式(1)，根據濕法擊實和吸附結合水測試結果計算廣東濕潤地區含砂低液限黏土路基壓實度控制標準，并對廣連高速公路兩土樣就近開展試驗路試驗，試驗結果見表3。根據現場檢測結果，壓實含水率略低于天然含水率1.2%～2.4%，但大于最佳含水率7%～8.4%，兩試驗路現場檢測壓實度基本上能達到文獻[12]中方法確定的壓實度下限值。

表3 各土樣的試驗路段壓實度檢測結果

不論填筑含水率高低，含砂低液限黏土路基含水率會從初始壓實控制含水率逐年升至平衡含水率，在南方濕潤地區花大量時間翻曬含砂低液限黏土降低含水率進行填筑不僅耗時耗力且效果不好。由于平衡含水率大于吸附結合水含量，在含砂低液限黏土路基濕度平衡后的運營期直至設計使用年限末期，含砂低液限黏土中的吸附結合水含量都相對穩定，吸附結合水具有一定的強度又難以排出，濕潤地區路基工程中吸附結合水可看作含砂低液限黏土中穩定的一部分。第3節的試驗結果也說明試驗初始含水率在吸附結合水含量附近時水穩定性好、CBR強度能滿足規范要求。因此，廣連高速公路含砂低液限黏土宜在偏濕條件下進行施工。按文中壓實度標準填筑廣連高速公路路基，既可充分利用天然含水率過高的含砂低液限黏土，又可保證含砂低液限黏土路基的施工效率。

5 結論

(1) 含砂低液限黏土中含有大量吸附結合水，且其含量略低于塑限。

(2) 廣東廣連高速公路典型含砂低液限黏土的CBR峰值含水率比最佳含水率高2%～3%；其CBR膨脹量均隨初始含水率的降低而增大，初始含水率低于吸附結合水含量時試樣浸水后的膨脹量顯著增大；初始含水率在吸附結合水含量附近時CBR強度較好，且水穩性好；其壓縮性較好，在高含水率狀態下也能滿足規范對填料壓縮性的要求。

(3) 在南方濕潤地區，含砂低液限黏土宜在偏濕條件下施工，可采用文獻[12]中適用于南方濕潤地區的含砂低液限黏土壓實度控制標準。吸附結合水含量越大于最佳含水率，含砂低液限黏土路基壓實度控制的下限值越低。