高液限土摻拌碎石粉或河砂改良試驗研究

王永奇、劉茂

（中交一公局集團有限公司海外分公司，北京 100024）

0 引言

由于高液限土具有區域性明顯的不良特性，國內外對高液限土的應用也已經有大量研究。施工項目結合道路沿線廣泛分布高液限土的實際情況，對沿線的舊路基、挖棄方和臨近施工沿線潛在的借土場進行詳細土壤材料的調查，經試驗室取代表性樣品試驗后對材料的塑性指標和適用性進行分析，以此來確定在項目道路經濟運輸距離內獲取合適和充足的路基和選擇性路基施工材料來源。

1 項目概況及原因分析

某施工項目為既有的一條礫石路升級改擴建工程，是采用以美國AASHTO 和英國BS 規范標準體系為基礎建立的道路工程通用技術規范進行設計施工[1]，確定該項目道路設計等級為Ⅱ。項目施工跨度大，主線長105km。在項目設計前期，根據設計部門資料初步統計，普通挖方23 萬m3，普通填方180 萬m3，路床頂面選擇性材料G15 填方23 萬m3，施工填挖方數量巨大。從業主提供的投標文件和相關文獻中獲知施工道路沿線天然土壤材料的塑性指標普遍偏高，大部分不能滿足規范要求。

通過對施工道路沿線土壤材料的實地調查和試驗室內一系列的試驗數據分析，詳細了解該施工區域天然土壤的特性，就如何因地制宜地將高液限土改良后滿足施工規定材料特性要求，最終確定切實可行的高液限土適用性解決方案，增加材料的使用效率、降低工程成本，確保項目施工高標準、高質量地完成，為高液限土的路基設計與施工提供一些參考。此外，如果只簡單地將普通挖方段高液限土作為棄方進行處理，不僅會給項目增加借用材料的成本，還會給沿線的生態環境造成污染和破壞。

1.1 現場土壤材料調查目的

其一，調查以砂礫鋪筑的舊路基土材料的質量和強度特性，為新路基路面設計提供依據；

其二，調查沿線挖棄方的材料用于路基回填的適用性；

其三，調查道路沿線臨近區域潛在的借土材料的確切位置以及其估計數量、覆蓋層厚度、特性和對環境的影響，通過相關材料技術參數對選擇區域進行進一步深入調查，用于為評估材料的質量或塑性指標的風險提供明確的意見。

1.2 材料的調查和鑒別

通過對項目舊路、挖棄方以及潛在借土場代表性土樣試驗檢測其基本物理性指標，包括材料的顆粒組成（濕篩法）、級配模量、塑性指標、標準密度、浸泡4天的CBR 值及膨脹量等。根據試驗平均測試結果統計分析：

1.2.1 沿線舊路基和挖棄方土質材料的分類[2]，其中砂黏質土與砂粉質土占總量的73%，如表1 所示。

表1 試樣按照土壤統一分類法USCS 方法進行分類

1.2.2 如表2 所示有55%的試樣液限值大于50。

表2 舊路基和挖棄土材料液限匯總表

1.2.3 經試驗統計多數舊路和挖棄方試樣強度等級為G7，其次是G15，而大多數借土場材料強度等級為G15，其次是G7，如表3 所示。

表3 工程道路沿線所有試樣材料的強度等級類別

1.2.4 舊路和挖棄方所取土樣液限值普遍小于60，塑性指數小于25，其中在舊路基Km35—Km65 路段中有65% 的土樣液限大于50，多數樣品液限值在55%～65% 之間；95% MDD 的CBR 值大多在11%～28%區間變化。

1.2.5 規范要求的CBR 膨脹量≤2%，試驗測試結果CBR 膨脹量值在0.04%～0.86%之間。由于試驗研究的材料分類主要強調是界限含水量，其次是CBR強度，以及一些來自挖方段的優質路基材料，按照路基材料的要求應滿足G15 的技術性能指標，但大部分選擇性路基材料預計來自借土場。

1.2.6 從借土場材料塑性指標可以看出，借土場的多數樣品液限值在50%～60%之間，其平均PI 均小于25%，是G15 材料允許的最大PI 值。然而，同一個借土場每個試坑的PI 值均有所不同，在9 個借土場81個試樣中有9 個樣品PI 值超過25%，根據借土場材料的物理特性需要對界限含水量進行改善才能符合規范材料的規定要求。

1.3 確定試驗方案

1.3.1 由于高液限土具有區域性強的特性，在同一個借土場的不同地點土體性質差異性也很大，結合對材料調查的實際情況，綜合分析借土場所有土樣的試驗結果，在Km43+750 借土場5 個試坑中的樣品液限均大于60%，塑性指數均大于30%，并且3 號試坑和1 號試坑中土的液限值分別靠近60%和70%，因此決定將Km43+750 借土場中3 號試坑和1 號試坑中的素土作為此次研究的代表性試樣（見表4）。

表4 Km43+750 借土場素土的基本物理性質

由于當地河砂產量豐富，項目沿線取砂容易，且價格便宜；此外，為了就近有效利用挖棄方高液限土，通過添加少量河砂或石粉改良后用于施工，使其符合規范要求（見表5），以減少棄方量，達到合理利用、降本增效的目的。因此，在試驗室內選用摻拌0～4mm的機軋碎石粉/河砂（屬中砂）兩種改良方案對高液限土進行改良摻拌試驗。

表5 規范G7 和G15 材料性能技術指標要求

1.3.2 高液限土的室內改良試驗

摻拌石粉/河砂改善高液限土的塑性指數的主要目的是通過削弱細顆粒對土的性質的影響，將土體的界限含水量降低到可以接受范圍內，同時在符合規范要求下，優化石粉/河砂的摻拌用量，從而達到改良的目的。

1.3.3 摻拌試驗

試驗內容為∶摻拌石粉/河砂的比例按照0%、10%、15%、20%和25%（內摻法），同時考慮方便現場摻拌施工工藝的需要，試驗時選取質量比外摻法進行摻拌，使其摻拌比例盡可能接近內摻法，以供試驗結果的對比。因此外摻法比例為（素土∶石粉/河砂）9∶1、5∶1、4∶1、3∶1，相對應的內摻法比例10%、16.7%、20%、25%。將摻拌分成4 組進行試驗，分別取3 號坑和1 號坑各一組素土摻拌石粉與3 號坑和1 號坑各一組素土摻拌河砂，通過試驗對3 號坑和1 號坑的土樣在不同摻量石粉/河砂后塑性指標的變化規律的研究。

表6 試驗數據顯示，摻拌石粉/河砂對土樣液塑限改善呈線性規律，在相同的石粉/河砂摻拌比例下對土樣液塑限改善效果無太大的差別。

表6 摻拌石粉/河砂對高液限土改善的試驗結果

2 結論

其一，由表6 可以看出，當石粉/河砂摻量為10%時，無論摻拌前素土液限為60%或70%的土樣，經摻拌后其液限和塑性指數均有較常大的改善，液限LL普遍能降低到50%左右，塑性指數PI 下降幅度不大，但也能降低至25 左右。其二，由表6 及圖1～圖4 可以看出，當繼續增加石粉/河砂的摻拌比例時，液限和塑性指數的線性雖然有所改善，但改善效果不明顯。其三，由表6 看出，隨著石粉/河砂摻量的增加，改善后的高液限土CBR 值也逐漸增加，但是增幅不大。其四，經摻拌15%石粉/河砂改善后的高液限土，其液限和塑性指數便能夠滿足規范要求，從施工成本角度考慮，利用便利的當地河砂改善高液限土會更加經濟。其五，根據對天然土壤的實測物理性質，利用合理的摻量改善普通棄方土及舊路臨近借土場的高液限土，以滿足改良后路基回填材料的適用性能和經濟性。其六，由于影響高液限土塑性指標的主要是小于0.425mm 的顆粒，因此改善材料石粉/河砂中小于0.425mm 的顆粒含量的高低也對改善高液限土塑性指標起關鍵性作用。其七，天然土材料中所含黏土礦物的數量和類型不同，相同的液限值也可能具有非常不同的特征。

圖1 3 號試坑試樣摻拌不同比例石粉的液限和塑性指數變化線性圖

圖2 3 號試坑試樣摻拌不同比例河砂的液限和塑性指數變化線性圖

圖3 1 號試坑試樣摻拌不同比例石粉的液限和塑性指數變化線性圖

圖4 1 號試坑試樣摻拌不同比例河砂的液限和塑性指數變化線性圖