高速路高液限粘土性能试验综述

1工程概况

浦南高速公路C2合同段起讫桩号为K177＋200～K185＋700，路基挖方186．2万m3，填方144．2万m3，其中挖方段高液限土设计方量39．5万m3，包括主线K178＋215～K178＋446和建瓯互通K181＋160～K181＋280等16段高液限土挖方区。高液限粘土天然含水量大、液限高、塑性指数大、水稳定性差，尽管在低含水量情况下它能达到较高的强度，但由于其颗粒微观势能严重不平衡，极易受自然降水、地下水或地表水影响，甚至可从大气中吸收水分，吸水后的路基发生膨胀、密度减小、强度急剧下降，在行车荷载和土自重作用下，发生不均匀沉降、开裂、横向位移等病害［1，2］。正是高液限粘土这种极差的水稳定性，《公路路基设计规范》（JTGD30—2004）规定高液限粘土属于特殊土质，不得直接用于路基填筑。探讨研究新的填筑技术与控制指标以使高液限粘土能直接填筑在路基中，意义重大。

2试验目的

常规重型击实条件下，高液限粘土达到最大干密度对应的含水量一般较低（15％左右），饱和度较小，吸水势能较大，存在较强的膨胀趋势，一旦吸水，其强度急剧下降，因而影响了该种土的正常使用。实践证明：高液限粘土（通常液限在50％～70％之间，粗粒料含量大于25％～50％）存在一种最佳状态，在该状态下，其颗粒排列最优（击实功最佳）、含水量最佳、稳定强度（浸水CBR值）最大，可满足规范的最小强度要求，胀缩量较小。通过合理控制含水量，进行一系列的击实和CBR试验，找出高液限粘土满足高速公路路基设计要求的高稳定强度、低胀缩量的最佳状态，并在施工中以合适的施工工艺加以严格控制实施，保证它的最佳状态和长期路用性能［3］。

3土样试验

3．1土样采集

根据现场具体情况，采集了4种代表土样进行全套试验，并考虑高液限土分布情况；采集了3种土样进行基本性质指标测试，用于了解C2标段内高液限土的性能差异，并判断该土方可套用的施工控制指标。另采集5种土样进行比重试验。限于篇幅，只对K178＋300东园大桥南平端土样试验结果进行介绍。

3．2室内试验及数据分析

3．2．1土的基本物理力学指标K178＋300（东园大桥南平端）土的基本物理力学指标详见表1。

3．2．2试验数据分析

根据土的天然含水量及标准击实结果，拟定土的可用含水量范围为30％～22％，结合试验晾晒结果，实际拟定30．0％、28．0％、26．1％和23．9％四个控制含水量，分别采用3×70、3×56、3×42和3×28击实功（其中26．1％为标准击实数据，击实功为3×98、3×50和3×30），按湿法制作试件，测定干密度，泡水4昼夜后测其CBR、膨胀量等指标，K178＋300土试验结果见表2。绘制土的强度、干密度、饱和度、膨胀量与含水量、击实功的关系曲线，如图1～图4。从表2及图1～图4可以看出：

（1）标准重型击实状态下的干密度最大，但强度不是最大，膨胀量不是最小，说明该高液限土的最佳状态与常规土的最佳状态有区别，其最佳状态应是含水量较大（30％）时的状态，该状态下CBR达到顶峰，膨胀量几乎为零。

（2）含水量在26．1％～32．8％之间几种击实功下CBR都大于3．0，当含水量小于26．1％时，尽管有些情况也能达到CBR大于3．0要求，干密度也较大，但强度已明显下降，膨胀量也较大。尽管含水量为32．8时CBR值较大，但击实功小强度反而大，根据经验判断，应已近极限，现场超过该含水量将易造成弹簧现象，因此，初步确定该土的合理含水量范围为26．0％～30．0％。

（3）同一种含水量下，随着击实功的减小，干密度、强度和饱和度均减小，但膨胀量却增大，详见表2，说明在合理含水量范围内击实功太小将不利于高液限土的压实，强度会较小，因此，对应某种含水量也应象常规土控制一样，需要有一定的击实功，才能获取较大的干密度、饱和度，从而保证高液限土有较高的强度。另外，从饱和度的概念可知，较大的饱和度意味着土中孔隙较多为水所占，可以被压缩的空隙较小［4，5］。这就是现场施工采用干密度与饱和度双重指标控制施工质量的意义所在。

（4）从标准击实的压实度与含水量、击实功关系来看（图5和图6），在合理含水量范围内，击实功越大，压实度越大。对同样击实功而言，压实度和含水量的关系则比较复杂，如对应3×70击实功，含水量增加，压实度减小，对应其它击实功，则有峰值压实度出现。一般而言，击实功越大，压实度越大，但随着含水量的增加，增加击实功提高压实度的作用减小，至某一含水量，不管如何提高击实功，压实度基本不变，甚至出现弹簧现象。

（5）综合而言，在合理含水量范围内，大于3×42击实功作用下的该种高液限土饱和度大都大于85％，压实度大于90％，CBR大于9．0％，膨胀量小于3．0％（26．0％时较困难，可相应提高击实功）。CBR大于3．0％各含水量对应的干密度与饱和度要求如表3，其中，含水量在26．0％～30．0％时，CBR大于9．0％。

（6）根据以上数据，推定可用含水量对应的干密度、压实度和饱和度要求值，即室内试验制定标准如表4。待试验路填筑、现场试验后，根据实际情况与表3CBR大于3．0％干密度（压实度）与饱和度要求值含水量／％干密度／（g?cm－3）压实度／％饱和度／％32．8　1．422　91．8　95．830．0　1．437　92．8　89．628．0　1．447　93．4　84．826．1　1．440　93．0　78．323．9　1．422　91．8　69．8表4干密度（压实度）与饱和度室内试验控制标准含水量／％

控制指标

干密度／（g?cm－3）压实度／％饱和度／％理论密度／（g?cm－3）相对理论密度的压实度／％24　1．423　91．9　70．2　1．664　85．525　1．434　92．6　74．4　1．637　87．626　1．441　93．0　78．1　1．610　89．527　1．444　93．3　81．5　1．585　91．128　1．445　93．3　84．5　1．560　92．629　1．442　93．1　87．3　1．536　93．930　1．438　92．9　89．8　1．513　95．131　1．433　92．5　92．0　1．490　96．232　1．427　92．1　94．2　1．468　97．233　1．421　91．7　96．2　1．447　98．2检测结果调整含水量及其对应的控制指标。关于压实度，常规土在最佳含水量时用重型击实获取最大干密度，从而达到最大强度，规范要求压实度就是指在最佳含水量情况下土被压实的程度。实际上，土为三相体，土被压实的过程就是空气排出、孔隙减小的过程，在这个过程中，孔隙中空气所占的体积越来越小，水所占的比例越来越大，即饱和度逐渐变大，直至完全饱和，达到理想压实状态，该状态对应的密度可称之“理论密度”，用此密度计算控制密度的压实度如表4。从中可以看出，尽管相对最大干密度而言，控制密度的相对压实度不大，处于91．7％～93．3％之间；但当含水量超过28％，相对“理论密度”的压实度却相当大，超过92．6％。这时的高液限土具有较好的水稳性能。当然，含水量较大，尽管相对“理论密度”的压实度较大，具有较高的饱和度，孔隙中空气所占的比例较小，再难缩小，但因为水体占土体的体积过大而使土体的整体强度下降。

4试验路段填筑

根据室内试验结果，在K178＋716～K178＋761（宽80m）进行K178＋300高液限土填筑试验。将土晾晒至含水量为24％～33％时进行碾压，根据其它高液限土试验路段取得的经验，设计2种碾压方式进行比较，以获取满足室内试验结果的最佳碾压工艺。碾压时用石灰线将试验路段大致分成25m×80m南北两块，按以下两种方式进行：①静压2遍＋小振2遍＋大振2遍＋静压2遍；②静压2遍＋小振4遍＋静压2遍。控制松铺厚度25cm左右土进行堆晒，待表层土晾晒较干后用推土机大致推平，利用旋耕机进行松翻晾晒，测取含水量在设计范围内时用压路机进行碾压。碾压完毕进行灌砂试验，测取干密度与含水量，并计算饱和度。对碾压达不到要求的试验地按能达到要求的工艺进行补压，直至满足要求。

5结束语

根据本工程开展的室内和室外研究，获得了高液限粘土的合理含水量、击实功和施工工艺，可以满足公路路基稳定和强度要求，达到了降低工程造价目的。本文的研究对于促进高液限粘土在路基填筑中的应用具有重要参考价值。