徐开华 宋常军

(1.中国公路工程咨询集团有限公司 北京 100089； 2.交通运输部公路科学研究所道路中心 北京 100088)

含砂低液限黏土在我国各个地区均有分布广泛,由于其地理环境、气候条件。地质成因、历史过程等条件的差异，导致其物理成分和物理性质也有这较大差异。相关研究表明：含砂低液限黏土不仅具有弱膨胀性、吸水易崩解、失水收缩等不良特性[1]，还具有砂粒、粉粒含量大、可压实性差、水稳定性差等特点。在公路建设中，用含砂低液限黏土作为路基填料使用时会受到一定的限制，其处理措施及填土的来源是一个棘手的问题,若处理不当,既造成资源浪费,又增加了施工成本。国内不少科研学者[2-7]对不良地质土改良进行了一系列研究，大部分的可采用低剂量的石灰、水泥等外掺剂对含砂低液限黏土进行化学改良是较为常见的方法，其主要目的是降低粉砂质土的天然含水率，改善可压实性、提高土体强度及稳定性。

为了改善含砂低液限黏土的物理性质和力学性能，本文针对福建省内含砂低液限黏土研究资料较少的情况，依托福建省莆永高速公路工程实例,结合工程沿线含砂低液限黏土分布集中的特点，取扰动土样，采用石灰和水泥对低液限黏土进行化学改良，通过液塑限试验、无侧限抗压试验、加州承载比(CBR)试验、回弹模量试验等探讨不同掺入比下石灰改良土和水泥改良土的工程特性，以期为工程设计及施工中利用含砂低液限黏土作为路基填料提供合理依据。

1 原材料基本物理力学性质

1.1 原材料颗分及级配

本试验根据福建莆永高速公路沿线土样情况选取代表性土样1份，所取试样总体较均匀，根据JTG E40-2007 《公路土工试验规程》[8]，对试验土样采用筛分法及水洗法对大于0.075 mm的土颗粒进行试验，对小于0.075 mm的土颗粒则采用激光粒度分析仪(SHIMADZU SALD-2101)进行试验，土样试验结果见表1。根据表1，可以绘制出级配曲线图见图1。

表1 路基土的颗粒分析试验结果

图1 土样粒径级配曲线

从表1和图1可见，所取试验土样的细砂组(0.075～0.25 mm)质量分数为34.11%，粉粒组(0.005～0.075 mm)质量分数为57.85%，黏粒组(0.001～0.005 mm)质量分数为6.45%。由于沙粒含量高，所以所取土样易出现透水、干燥时松散、难压实的特性；丰富的粉土和较低的黏土含量使得其黏性小，毛细水上升高度较大较快。

1.2 含砂低液限黏土液塑限

根据JTG E40-2007 《公路土工试验规程》相关规定进行试验，同时结合工程土样检测报告，得到了原状土样的液塑限试验结果，见表2。结合土样筛分试验结果(见表1)和试验土样在塑性图中的位置，该土体可以定名为含砂低液限黏土。

表2 原状土样的基本物理指标

1.3 原状土击实试验

对所取土样(素土)进行击实试验，得到相应的击实曲线，见图2。

图2 试验土样的标准击实曲线

由图2可见，该试验土样的击实曲线为双峰值。由于试验土样细砂组的含量较高，使得其击实曲线出现了双峰值，该类土的击实曲线形状更接近于砂的击实曲线形状，所以会出现双峰值。

2 试验土改良方案

根据工程实际条件，分别选取路线范围内特殊土样进行试验，针对所选取的试验土样，制件不同含水率和水泥剂量的试件，试验方案如下。

1) 消石灰按4%，6%，9%，12%质量分数进行设计，水泥按3%，5%，7%质量分数进行设计(下文所提掺量均为质量分数)。水泥采用普通42.5硅酸盐水泥。

2) 试验项目包括6 d龄期泡水、不泡水的承载比(CBR)试验、回弹模量试验和7，28 d龄期的无侧限抗压强度(UCS)试验，试验方法参考JTG E40-2007 《公路土工试验规程》和JTG E51-2009 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[9]。具体试验项目及参数见表3。

表3 改良土试验项目及参数

3 不同掺量下改良土的试验结果分析

3.1 不同掺量下改良土的击实试验

首先，对所取土样(素土)进行了室内标准重型击实试验。其次，为了研究改良含砂低液限黏土的击实特性，分别对石灰掺量为4%，12%的改良土和水泥掺量为7%的改良土进行了击实试验。以含水率作为横坐标，干密度为纵坐标，通过曲线拟合，绘制了含水率与干密度曲线，改良土的击实曲线见图3。

图3 改良土的击实曲线

含砂低液限黏土经石灰或水泥改良后，其击实曲线变成了单峰值曲线，曲线形状更接近于一般黏土、粉土的曲线形状。由图3可得出改良土的最大干密度与最佳含水率，结果见表4。

表4 不同掺量改良土的最大干密度与最佳含水率

由表4可见，经石灰或水泥改良后，含砂低液限黏土的最大干密度略有降低，最佳含水率稍有增加。当采用掺量12%的石灰改良土后，改良土最佳含水率略有增加，但最大干密度将明显下降。

通过对石灰和水泥改良后的含砂低液限黏土进行室内CBR试验，土样分3层击实，每层击数为98次，击实时的含水率控制在最佳含水率±2%。含砂低液限黏土的室内CBR随水泥、石灰掺量的变化曲线见图4。

图4 改良土CBR曲线

由图4可见，掺水泥、石灰改良含砂低液限黏土能明显提高其CBR值，且水泥改良土的CBR值远高于石灰改良土的CBR值，掺入石灰或水泥均可满足作为路基填料的强度要求。掺入不同剂量的水泥后，改良土的CBR值变化范围为180%～290%，掺入不同剂量的石灰后，改良土的CBR值变化范围为110%～130%。因此，可以得出，掺水泥、石灰改良含砂低液限黏土能明显提高其水稳定性。未经改良的含砂低液限黏土泡水后的CBR值急剧下降，不能用作路基填料。采用水泥、石灰改良后，稳定土泡水后的CBR值略高于不泡水时的值。这是由于本次改良试验时将制件含水率控制在最佳含水率附近，使得试件相对偏干，泡水过程中补充的水分促进了水泥土、石灰土的强度完成程度。因此，泡水后的CBR值略高于不泡水时的值。

3.2 不同掺量下改良土的回弹模量试验

根据石灰和水泥改良含砂低液限黏土的配合比进行室内回弹模量试验，含砂低液限黏土的室内回弹模量随水泥、石灰掺量的变化曲线见图5、图6。

图5 水泥改良土的回弹模量-压力关系曲线

图6 石灰改良土的回弹模量-压力关系曲线

由图5可见，素土在最佳含水率附近按照重型标准3×98击击实后的土样，未泡水时其回弹模量范围为46～56 MPa，但经过泡水后其回弹模量范围为6.5～13.2 MPa，因此，在潮湿多雨地区，含砂低液限黏土不宜直接用作路基填料。水泥掺量对含砂低液限黏土的回弹模量有较显著的影响。水泥改良土的回弹模量随水泥掺量的增加而增大。当水泥掺量为3%时，泡水后改良土的回弹模量最小值为46 MPa。因此，当水泥掺量大于3%时，水泥改良土可用作路床及路堤填料。掺入石灰可以显著提高含砂低液限黏土的回弹模量，但石灰剂量对其回弹模量的影响不明显。

由图6可见，石灰改良含砂低液限黏土的水稳定性较差。不同掺量、石灰稳定土不泡水时的回弹模量范围为82～150 MPa，但泡水后的回弹模量范围为39～58 MPa。石灰掺量越高，其回弹模量越大，但不同石灰掺量下的回弹模量差别不太明显，这与水泥形成了鲜明的对比，其原因可能与土中含部分砂有关。

3.3 不同掺量下改良土的无侧限抗压试验

由于本次试验所采用的土样的不均匀性，针对所取土样，消石灰改良土分别采用4%，6%，9%，12%掺量进行设计；水泥改良土分别采用3%，5%，7%掺量进行设计。其中水泥采用普通42.5硅酸盐水泥。根据改良土无侧限抗压强度试验结果，可以绘制出不同掺量、龄期时改良土的无侧限抗压强度(UCS)图，见图7。

图7 改良土的无侧限抗压强度

图7a)显示，石灰掺配剂量对改良土的无侧限抗压强度影响较小。当石灰掺量从4%提高至6%，9%，12%时，改良土的7 d无侧限抗压强度增长率分别为5%，7%，11%，改良土的28 d无侧限抗压强度增长率分别为0%，8%，22%。石灰改良土的无侧限抗压强度增长率为相对于石灰掺量为4%时的计算结果。

此外，从图7b)可见，水泥掺量对改良土的无侧限抗压强度影响较明显。相同龄期条件下，改良土的无侧限抗压强度随着掺量的增加而提高。当水泥掺量从3%提高到7%时，改良土的7 d无侧限抗压强度增长率为87%，28 d无侧限抗压强度增长率为67%。水泥改良土的无侧限抗压强度增长率为相对于水泥掺量为3%时的计算结果。

4 结论

1) 素土在最佳含水率附近按照重型标准3×98击击实后的土样，未泡水时其回弹模量范围为46～56 MPa，但经过泡水后其回弹模量范围为6.5～13.2 MPa，因此，在潮湿多雨地区，含砂低液限黏土不宜直接用作路基填料。

2) 水泥掺量对含砂低液限黏土的回弹模量有较显著的影响。水泥改良土的回弹模量随水泥掺量的增加而增大。当水泥掺量为3%时，泡水后改良土的回弹模量最小值为46 MPa。因此，当水泥掺量大于3%时，水泥改良土可用作路床及路堤填料。

3) 掺入石灰可以显著提高含砂低液限黏土的回弹模量，但石灰剂量对其回弹模量的影响不明显。

4) 当石灰掺量≥9%时，石灰改良含砂低液限黏土可用于高速公路和一级公路的底基层、二级及二级以下公路的基层及以下各层位。当水泥掺量≥5%时，水泥改良含砂低液限黏土可用于高速公路和一级公路的底基层、二级及二级以下公路的基层及以下各层位。