摻砂高液限土加州承載比影響因素試驗

盧自立,曹亮宏,程 濤

(1.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州 510620; 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 3.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098)

摻砂高液限土加州承載比影響因素試驗

盧自立1,曹亮宏1,程 濤2,3

(1.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州 510620; 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 3.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098)

為確定云羅高速公路沿線的高液限土改良方案,通過不同摻砂比例的顆粒分析試驗、相對密度試驗、液塑限試驗、擊實試驗和室內加州承載比(CBR)試驗,對摻砂前后高液限土的顆粒級配分布,摻砂高液限粉土和高液限黏土的承載比影響因素,如摻砂量、浸水時間對CBR值的影響規律等進行了試驗研究。結果表明:粗顆粒質量分數越高,摩擦力越大,黏聚力越小,水敏感性越差;影響土體CBR值的主要因素是粗顆粒質量分數,其次為浸水時間。

高液限土;摻砂改良;加州承載比;摻砂量;浸水時間

廣東地區已建、在建、擬建的高速公路在路基工程中或多或少地遇到了高液限土的處理問題。這些高液限土除具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等共性外,還由于工程性質的特殊性,導致其作為高速公路路堤填料具有透水性差,不易壓實,干時堅硬不易挖掘,毛細現象顯著,承載力較小,穩定性差等工程特性。JTGF10—2006《公路路基施工技術規范》[1]規定液限大于50％、塑性指數大于26、含水率不滿足直接壓實要求的細粒土不得直接作為路堤填料。

云羅(云浮—羅定)高速公路地處廣東省西部山地丘陵地區,沿線分布著大量的高液限土,若不加改良直接用于路基填筑,將會誘發諸多質量隱患和病害,如沉降不均勻、開裂、局部滑塌、水穩定性差、壓實困難等問題[2];若將其全部作為棄方處理顯然不經濟,而且對環境影響較大。在對各種改良方案進行技術經濟比較后,將摻砂改良方案作為首先方案,該方案經濟性較好,技術上可行,對環境影響較小[3]。在方案實施前,有必要對衡量路用性能的指標加州承載比(CBR)的影響因素進行深入分析,找出影響規律,以確定最佳的摻砂量和具體的施工工藝。

評價高液限土改良效果的指標有液限、塑限、細顆粒質量分數、CBR、壓縮系數等[4],其中CBR是能否用作路基填料的重要評判指標之一。CBR試驗是1928年美國加州公路局在進行瀝青路面破壞調查時為比較材料強度而提出[5],其指標現已用于評定路基土和路面材料的強度。影響高液限土CBR的因素有摻砂量、含水率等,因此本文依托在建的廣東省云羅高速公路工程,通過試驗得出不同摻砂量高液限土在不同浸水時間的CBR值,并分析其影響因素。

1 試驗材料

1.1 試驗土樣

根據云羅高速公路沿線土的工程地質特性,選取多組土樣進行室內液塑限試驗,根據細顆粒質量分數及塑性指數是否大于0.73(wl-20)將土樣分類(w1為液限),取其中有代表性的高液限粉土和高液限黏土各1組。

在摻砂比例分別為0％、15％、20％、25％時,進行了一系列的顆粒分析試驗、相對密度試驗、液塑限試驗、擊實試驗和室內CBR試驗。各土樣物理性質試驗結果見表1。從試驗結果看,高液限土具有細顆粒質量分數高、天然含水量大、液限較大的特點。摻砂改良后,其粗粒質量分數增大,含水率減小,液限降低,最優含水量減小,最大干密度增大。

1.2 試驗用砂

廣東地區水系較發達,根據施工現場就近取材原則,本試驗所用砂均采自珠江流域。優質的改良材料是保證改良試驗成功的重要因素之一。圖1為試驗用砂顆粒分布曲線[6],試驗數據為3組平行顆粒分析試驗的平均值。從試驗結果來看,珠江流域河砂屬于中粗砂,級配合理,不均勻系數Cu=7.8＞5,Cc= 2.1,在1～3之間,結果表明,試驗用砂的級配良好。

圖1 試驗用砂顆粒分布曲線

2 試驗原理及內容

2.1 顆粒級配對CBR值的影響試驗

CBR值反映了土體局部抵抗剪切破壞的能力,而土體的抗剪強度主要由黏聚力和摩擦力組成。對于細顆粒質量分數較高的高液限土,抗剪強度主要由黏聚力承擔;而摻砂改良后土體粗顆粒含量增大,抗剪強度逐漸轉變為由黏聚力和摩擦力共同承擔。因此,摻砂量對高液限土的CBR值影響較大。黏土與粉土質量比較大的高液限黏土的抗剪強度主要由黏聚力組成,其CBR值一般較小;對于粗顆粒質量分數較低的高液限粉土,由于比表面積減小,造成黏聚力下降。同時由于粉土顆粒質量分數的增加,粉土顆粒周圍結合水膜厚度減小,摩擦力增大。因此高液限粉土的抗剪強度以黏聚力為主,摩擦力為輔, 其CBR值較高液限黏土有所增強;摻砂改良后,其顆粒級配得到明顯改良,因膠結作用形成的黏性團粒數量較少,不足以包裹粗顆粒,土體的摩擦力進一步增大,故摻砂后的高液限土的抗剪強度主要以摩擦力為主、黏聚力為輔。因此高液限土的CBR值受土體顆粒級配影響:粗顆粒質量分數越高,摩擦力越大,黏聚力越小;粗顆粒質量分數越低,摩擦力越小,黏聚力越大。

本試驗將高液限黏土、高液限粉土分別摻0％、15％、20％、25％砂,經配料、養護24 h,擊實、浸水4 d后測定土體的CBR值[7]。

2.2 浸水天數對CBR值的影響試驗

土體的黏聚力受顆粒間的水膜聯結和膠結作用所控制。隨著含水量的增加,顆粒間結合水膜逐漸變厚,距離逐漸增大,固水膜聯結作用逐漸減小,直到土體飽和水膜聯結作用完全喪失;同時顆粒間的膠結物因含水量的增加逐漸溶解,膠結作用逐漸減弱,因此黏聚力隨含水量的增加而逐漸減小;土體的摩擦力通過起潤滑作用的水膜間摩擦力承擔,含水量越高,結合水膜厚度越大,顆粒間摩擦力越小。因此含水率對高液限土CBR值的影響較大[8]。廣東地區雨水較多,地下水位較高,土體中的含水率在地表水的滲透和地下水的毛細管作用下變化幅度較大,填筑后的高液限土隨含水率的增加,結合水膜厚度增厚,土體之間的摩擦力和黏聚力均逐漸變小。

試驗將烘干后的高液限土按不同摻砂量制樣,加入不同質量的水,水量按不同摻砂量所對應的最優含水率計算得到,拌和均勻并悶料24 h后擊實,分別在浸水0d、1d、2d、3d、4d、5d后測得它們的CBR值。

表1 不同摻砂量下的高液限土物理性質試驗結果

3 試驗結果及分析

3.1 摻砂量對CBR值的影響

圖2和圖3分別為不同摻砂量下高液限黏土和高液限粉土的顆粒級配曲線,CBR值隨摻砂量的變化見圖4。從圖2～4可以看出,摻砂改良后,粗顆粒質量分數明顯增大。摻砂20％后,高液限黏土的細顆粒(粒徑小于0.074 mm的顆粒)質量分數由94.4％降低到79.0％,高液限粉土細顆粒質量分數由86.3％降低到72.3％;而高液限黏土的CBR值由3.1％增大到3.8％,高液限粉土的CBR值由3.2％增大到5.7％。由此可知,高液限土的CBR值隨摻砂量的增加而逐漸增大。

圖2 不同摻砂比例高液限黏土顆粒級配曲線

圖3 不同摻砂比例高液限粉土顆粒級配曲線

圖4 CBR值隨摻砂量的變化

由試驗結果分析可知:摻砂25％的高液限黏土和摻砂15％的高液限粉土的粗顆粒(粒徑大于0.074 mm的顆粒)質量分數相差不大,分別為24.1％和24.7％,而兩者的CBR值相差較大,分別為4.9％和4.5％。分析原因為:摻砂15％的高液限粉土中的粉粒質量分數較大,細顆粒通過膠結作用聯結成團粒結構,包裹在粉顆粒周圍,其潤滑作用得到發揮,而黏粒本身的膠結作用又不足以使粗顆粒膠結在一起,故摻砂使摩擦力增大較小;同時,因粗顆粒質量分數增加,顆粒間距離增大,膠結力逐漸減小,造成黏聚力減小[9]。摻砂15％的高液限黏土和不摻砂的高液限粉土的粗顆粒質量分數分別為17.6％和14.7％,相差較大,但兩者的CBR值均為3.2％?；谝陨显聿荒芎侠斫忉孋BR值相等的原因。由于影響CBR值的因素較多,在其他條件相同的情況下,可能與浸水天數等試驗條件有關。

3.2 浸水天數對CBR值的影響

圖5和圖6分別為不同摻砂比例的高液限粉土和高液限黏土在不同浸水天數后的CBR值。表2為高液限土在未浸水時的CBR值。由表2、圖5和圖6可以看出,①高液限粉土在未浸水時CBR值很大,隨著摻砂量的增加,CBR值增加幅度較大。當摻砂量為25％時,相對于未摻砂時的CBR值增加了222％。②浸水后CBR值減小幅度較大,一般為未浸水時CBR值的10％左右。③隨著浸水天數的增加,CBR值先逐漸減小,而后小量增加。當摻砂量為0％時,CBR值一般在浸水4 d后趨于穩定;當摻砂量為15％時,CBR值一般在浸水3 d后趨于穩定;當摻砂量為20％、25％時,CBR值一般在浸水2 d后就趨于穩定。④浸水1 d和2 d時,雖然摻砂15％的高液限土粗顆粒質量分數明顯高于未摻砂的高液限土,但未摻砂高液限土CBR值高于摻砂15％的高液限土。在浸水第3天,兩值趨于相等,第4天后,摻砂15％的CBR值明顯大于未摻砂改良時的CBR值。

圖5 不同摻砂比例的高液限粉土在不同浸水天數后的CBR值

圖6 不同摻砂比例的高液限黏土在不同浸水天數后的CBR值

表2 高液限土在未浸水時的CBR值

分析原因:當高液限土未浸水時,顆粒之間土的抗剪強度主要由黏聚力和摩擦力共同承擔,此時土體含水量較小,土顆粒周圍的吸著水膜較薄,顆粒之間的距離較小,水膜的水膠聯結作用較強,而在較小的含水量下,有機物質的膠結作用使得細顆粒膠結在一起,因此土體的黏聚力較大[10],從而CBR值較大。隨著摻砂量的增加,土體粗顆粒質量分數逐漸增加,比表面積減小,顆粒之間距離增大,顆粒之間的水膠結作用減小,黏聚力減小。但由于粗顆粒質量分數的增加,造成摩擦力增加的幅度大于黏聚力減小的幅度,因此土體抗剪強度的增加幅度明顯。

浸水后,由于土體含水量顯著增加,土體間的膠結水膜厚度增厚,顆粒之間距離增大,顆粒間的聯結力減小;同時,由于含水量增大,土中有機物進一步溶解,膠結作用減小,從而造成土體黏聚力減小;而因水膜厚度增加,顆粒之間的摩擦力減小,從而造成CBR值減小幅度較大。由于高液限土細顆粒質量分數較小,顆粒間的空隙較小,隨著浸水天數的增加,水逐漸進入顆粒之間。而摻砂量增加造成細顆粒質量分數減小,顆粒之間的空隙增大,較未摻砂改良時水體浸入摻砂改良后土體的速度明顯增大,因此,在浸水天數較小時,CBR值的減小幅度隨摻砂量的增大而增大。雖然未摻砂的高液限土粗顆粒質量分數較少,但在浸水1d時因含水量增加,黏聚力減小造成的CBR值減小值還是小于因摻砂量的小幅增加而造成的CBR值增大值,故未改良的高液限土CBR值還是高于摻砂15％時的CBR值;CBR值穩定所需要的時間隨著摻砂量的增加逐漸減小。一般在浸水一定天數后,土體的空隙之間已經完全充滿水,此時土中的CBR值最小,隨著浸水天數的增加,土體CBR值略有提高,分析認為土體擊實時結構遭到破壞,擊實后擾動停止,土的結構逐步恢復,強度也有所恢復。

4 結 論

a.粗顆粒質量分數越高,摩擦力越大,黏聚力越小,水敏感性越差;細顆粒質量分數越高,黏聚力越大,摩擦力越小,水敏感性越強。

b.隨著浸水天數的增加,CBR值先逐漸減小,然后趨于穩定,最后小量增加。CBR值趨于穩定所需的天數隨著摻砂量的增加而逐漸減小。

c.在試驗條件相同的情況下,影響土體CBR值的主要因素是粗顆粒質量分數,其次為浸水天數。

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Influence factors of California bearing ratio test for high liquid limit soil mixed with sand

//LU Zili1,CAO Lianghong1,CHENG Tao2,3(1.Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co.Ltd.,Guangzhou510620,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education of Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing210098,China)

In order to determine the improvement scheme of high liquid limit soil along the Yunluo expressway,the particle size distributions of the high liquid limit soil with or without sand were analyzed based on the grain size analysis tests, relative density tests,liquid and plastic limits tests,compaction and indoor California bearing ratio(CBR)tests for different sand proportions.The impact factors with obvious regional features for the bearing ratios of high liquid limit silt mixed with sand and high liquid limit clay were investigated.The influences of sand content and immersion time on the CBR values were summarized and some useful conclusions were drawn in the study.With a greater mass fraction of coarse particles,the friction force and the cohesion force were found to be increased and decreased respectively,and the water sensitivity became poor. The mass fraction of coarse particles is the main impact factor on CBR values,and the immersion time is the secondary.

high liquid limit soil;soil improvement with sand;California bearing ratio;sand content;immersion time

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.015

TU431

A

10067647(2013)05006504

20120929 編輯:駱超)

國家自然科學基金(51079052);廣東省交通廳基金(200903005)

盧自立(1974—),男,廣東英德人,高級工程師,主要從事道路工程與邊坡穩定研究。E-mail:gdluzili@163.com