郭国和

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804）

高液限土通常属于较差的路基填料，在公路工程建设过程中，需提高其稳定性、强度以及耐久性能要求，因此通过采取一定的措施对土壤进行改良才能保证其路用性能［1］。目前用于路基填土的改良方式包括物理和化学方法，物理改良包括掺入砂砾或者其他低液限的土；化学方法有掺入水泥、石灰、粉煤灰或其他外加剂的方法进行改良［2］。笔者针对采用水泥改善高液限土的性能进行研究。通过击实试验确定土的最佳含水率，用无侧限抗压强度和承载比试验分析不同水泥含量、压实度、含水率条件下在浸水前后的抗压强度、水稳定性系数、CBR，以及回弹模量，以此评价水泥改良高液限土的工程特性。

1 原状高液限土物理性能

1.1 颗粒分析试验

土壤颗粒级配一定程度上会影响其比表面积和吸水性能，选取高液限土样进行颗粒分析，采用筛分试验测定各颗粒含量。颗粒分析试验结果见表1。

表1 颗粒分析试验结果

由表1可见，高液限土各级粒径中含量最多的是0.002～0.02 mm，大于0.038 5 mm的颗粒含量很少。由此得出，高液限土的粒径较小，比表面积大，对水的吸附性较强。

1.2 物理性质试验

高液限土的孔隙比大，密度小，小颗粒多，而且分散性较强，加上土中含有少量有机质，因此工程特性比较复杂，根据土工试验要求，对高液限土样进行物理性能试验分析，结果见表2。

表2 高液限粘土物理性能试验结果

由表2可见，土体的塑限在30%左右，液限大于50%，含水率和饱和度高，力学性能复杂。在工程建设过程中，需要对高液限土进行改良后方能用于路基填筑。

1.3 试验方案与分组

根据各种试验基本要求，结合《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》［3］相关要求，建立4组试样进行试验，见表3。

表3 试验分组情况

2 改良土击实试验

2.1 试验方案

采用重型击实试验，根据最大干密度与含水率之间的关系测定土的最佳含水率，通过试验得出未改良土的最佳含水率为17.1%，最大干密度为1.86 g／c m3。

2.2 试验结果分析

选择水泥掺量为4%的改良土进行室内击实试验。试验结果见表4。

表4 试验分组情况

根据试验结果可知，采用水泥改良的土最佳含水率有所下降，最大干密度提高了0.05 g／c m3，水泥在高液限土中和自由水发生反应形成具有较强粘结力的胶凝材料，这样就使其最佳含水率降低，在动荷载作用下，路基土便能保持良好的整体性能。

3 改良土无侧限抗压强度试验

3.1 试验方案

无侧限抗压强度试验是将试样在无侧向压力的条件下进行试验。根据规范［3］试验方法结合表3中的对应分组和设计情况，在最佳含水率、压实度为96%、保持水泥含量为4%时，用不同压实度测试改良土在浸水前后的无侧线抗压强度，并用水稳定系数来评价改良土的强度性能。

3.2 试验结果分析

在最佳含水率状态下，保证压实度为96%、不同水泥含量时，土在浸水前后的无侧限抗压强度分析结果见图1。

图1 不同水泥含量的改良土浸水前后抗压强度与水稳定性系数

由图1可见，改良土在浸水前与浸水后的强度差异很大，差异最大的是未掺水泥时，浸水前的强度为0.785 MPa，浸水后为0 MPa，在水泥含量为8.0%时，水稳定性系数最大为0.493。水泥含量达到10%时，随着水泥含量的增加，浸水前与浸水后的无侧限抗压强度都逐渐增加，水泥改良土的强度增长较快，曲线较陡，浸水前的强度曲线相对较缓。在水泥含量小于8.0%时，随着水泥的增加，水稳定性系数逐渐上升，这是由于水泥水化后形成胶凝物质使之强度得到充分发挥。

不同含水率条件下的无侧限抗压强度试验结果见图2。

图2 不同含水率4.0%水泥改良土浸水前后抗压强度与水稳定性系数

在水泥含量为4.0%时，不同含水率的改良土无侧限抗压强度在浸水前后都是先增加后降低。在最佳含水率附近的15.6%时，浸水前后的无侧限抗压强度最大，浸水前为16.36 MPa，浸水后为0.568 MPa，水稳定性系数为0.347。在含水率较低的情况下，试样在浸水时发生松散破坏，导致其强度较低。另外，由于高液限土的颗粒较小，浸水前的强度会明显高于浸水后土体。

在水泥掺量为4%时，不同压实度条件下的无侧限抗压强度试验结果见图3。

图3 不同压实度4%水泥改良土浸水前后抗压强度与水稳定性系数

由图3可见，水泥含量为4.0%的改良土无论是在浸水前还是浸水后，随着压实度的增加，无侧限抗压强度和水稳定性系数都逐渐增大，在压实度大于96%时，其水稳定性系数趋于稳定，说明工程中通常采用96%的压实度能够保证路基的稳定性能。

试验制备多个时间在最佳含水率和96%压实度下养护7，28，60，90，120，180 d浸水前后无侧限抗压强度和水稳定性系数见图4。

图4 不同养护期4%水泥改良土浸水前后抗压强度与水稳定性系数

由图4可见，4.0%水泥掺量的改良土抗压强度随着养护龄期的增加，其强度逐渐增加，对于浸水前的强度而言，龄期的增长对强度的影响比较缓，养护7 d的强度为1.19 MPa，养护180 d后强度增长了15.13%。对不同龄期的改良土，养护期较短时，由于和水泥水化不充分，浸水之后土体吸收水分后发生松散破坏，使其强度较低。

4 改良土承载比试验

4.1 试验方案

承载比试验根据规范［3］的相关要求，在最佳含水率状态下，水泥含量分别为0.0%，2.0%，4.0%，6.0%，8.0%，10.0%时，保证压实度为96%的改良土在浸水前后的CBR进行测试，并测定其吸水量和膨胀量。除此之外，在水泥含量为4%时的改良土，保证其压实度分别为85.0%，90.0%，93.0%，96%，98.0%，100.0% 情 况 下 对其浸水前后的CBR进行测试。

4.2 试验结果分析

对不同含水率条件下的试样进行承载比CBR及其吸水量和膨胀量试验结果见表5。

表5 不同水泥含量改良土浸水前后承载比试验结果

由表5可见，在保证压实度为96%时，随着水泥含量的增加，改良土在浸水前后的CBR值都逐渐增加，浸水前的承载比最大达到了190.34，浸水后的CBR降低了21.39%，水泥含量10.0%的吸水含量最大为3.36%，而水泥含量为8.0%的膨胀量最小。因此，用水泥含量大于2.0%的改良土作为路基填土是可行的。

在最佳含水率和水泥含量为4.0%时，不同压实度条件下浸水前后的CBR承载比试验结果见表6。

表6 不同压实度改良土浸水前后承载比试验结果

由表6可见，在最佳含水率时，随着压实度的增加，改良土的CBR值逐渐增大，浸水前的CBR明显高于浸水后；从浸水对CBR的影响看，压实度越低，浸水后的承载比CBR值降低幅度越大，在压实度为85%时的降幅为69.67%，对于压实度为100%，浸水后的CBR降幅为49.58%。在合理水泥用量下，通过控制含水率、压实度等能够有效提高改良土的强度性能。

5 改良土的静回弹试验

5.1 试验方案

回弹模量试验参照《公路路基路面现场测试规程》［4］中提及的动载落锤式弯沉仪试验、贝曼梁试验以及承载板试验等方法，结合实际情况采用承载板试验测定改良土的回弹模量。

5.2 试验结果分析

在最佳含水率，压实度为96%时，不同水泥掺量的改良土回弹模量试验结果见图5。

图5 不同水泥含量的改良土浸水前后回弹模量与回弹模量比

由图5可见，水泥改良后的高液限土的回弹模量明显高于未掺水泥土的回弹模量，浸水作用能够很大程度降低土体的强度和路基抵抗变形的能力［5］。随着水泥含量的增加，改良土的回弹模量逐渐增大，对于水泥含量为10%的回弹模量是水泥掺量为2%的5.1倍。这说明水泥改良土填筑路基能够提高其承载和抗变形性能。

不同含水率下，掺水泥为0.0%和4.0%的改良土在浸水前后的回弹模量试验结果见图6。

图6 不同含水率的改良土与非改良土浸水前后回弹模量

由图6可见，在不同含水率状态下，4%水泥含量的改性土回弹模量明显高于非改性土，在最佳含水率附近，土的回弹模量最大，曲线大致呈现凸型，无论是改良土还是非改良土的回弹模量最大值均出现在最佳含水率附近。

水泥掺量为4.0%，不同压实度条件下浸水前后的回弹模量试验结果见图7。

图7 不同压实度的改良土浸水前后回弹模量与回弹模量比

由图7可见，随着压实度的增加，改良土的回弹模量逐渐升高，压实度大于96%的改良土其回弹模量趋于稳定，浸水后试样的回弹模量增长比较缓慢，而且远远小于未浸水回弹模量。因此，在实际工程中，应充分考虑水泥掺量、含水率以及压实度对路基抗剪切能力和抗变形能力的影响。

6 结语

囿于高液限土的特殊物理力学性质，笔者通过室内试验，研究水泥加固剂改善其用作路基填料的工程特性，发现采用水泥改良高液限土的方法是可行的。浸水前后的改良土强度差异大，在一定范围内水泥含量、压实度越大，无侧限抗压强度和水稳定性系数越大；浸水之后土体吸收水分后发生松散破坏，使其强度降低；土在浸水前的CBR明显高于浸水后，压实度越低，浸水后的承载比CBR值降低幅度越大；合理水泥用量下，通过控制含水率、压实度等，能够有效提高改良土的回弹模量，增加抗变形能力，保证路基性能。

［1］ 胡 滔.大跨径预应力重复荷载作用下高液限粘土路基永久变形分析［D］.长沙：中南大学，2011.

［2］ 汪文莉，曾宪伟，索旭方.生石灰改良粘性土的作用机理［J］.山西交通科技，2003（5）：16-17.

［3］ JTG E51－2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［4］ JTG E60－2008公路路基路面现场测试规程［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］ 吴立坚，钟发林，吴昌兴，等.高液限土的路用特性研究［J］.岩土工程学报，2003，25（2）：193-195.