张燕清，吴立坚，宋常军

(1.三明市交通建设投资有限公司，福建　三明　365000；2.交通运输部公路科学研究所，北京　100088)



高液限土的最大CBR强度与试验方法

张燕清1，吴立坚2，宋常军2

(1.三明市交通建设投资有限公司，福建三明365000；2.交通运输部公路科学研究所，北京100088)

高液限土是我国南方公路建设中经常遇到的一类特殊土。规范规定的CBR试验是在土的最佳含水率时分别采用30、50、98击击实后进行CBR试验。针对福建泉三高速公路高液限土天然含水率高的现状，为与实际施工状况相一致，调整了CBR试验的击实次数与含水率，通过对试验结果的分析，揭示了高液限土的密实度(压实度)曲线与CBR强度曲线呈分离的双驼峰曲线的现象,分析了密实度(压实度)曲线与CBR强度曲线分离的成因机理；提出了高液限土的最大CBR强度与最大CBR含水率的概念，确定了高液限土最大CBR强度与最大CBR含水率的试验方法。

道路工程；高液限土；试验方法；最大CBR强度；最大CBR含水率

0　引言

高液限土是我国福建等南方省份广为分布的一类特殊土。高液限土具有高天然含水率(一般在30%～45%)、高液限(可超过90%，多在55%～65%)、高孔隙比、吸水蓄水能力极强、失水开裂和一定条件下高强度的特点。CBR是我国公路行业对路基填料选择的一个关键指标，我国《公路路基设计规范》[1]和《公路路基施工技术规范》[2]对路基填料的CBR值有明确要求，上、下路床和上、下路堤的CBR值规定分别不得小于8、5和4、3。实际工程中，按照《公路土工试验规程》的规定，在高液限土的最佳含水率时击实所得土样的CBR值常小于3，由此导致许多高液限土因其CBR值不合格而难以应用。因此，许多高速公路建设中对高液限土采取了换填处理，这极大地增加了建设成本，对环境也造成了很大的影响。因此如何科学合理地试验评价高液限土的CBR强度特性进而利用高液限土填筑路基成为需要解决的课题。

我国《公路土工试验规程》[3]规定土的CBR试验在最佳含水率时击实，泡水96 h后进行贯入试验。通过调整击数(击实功)来改变压实度，从而通过插值来确定路基在不同压实度下的CBR值，以便对路基的实际CBR值进行确定。

Gidigasu[4-6]发现高液限残积土的黏粒含量与最大干密度和最优含水率之间存在相关性，黏粒含量越高，最大干密度越小，最优含水率越大。Wallace[7]研究了残积土的结构特性。Lumb[8]研究了全风化花岗岩的工程特性。Williams[9]注意到火山岩黏性土湿法制样和干法制样对击实结果的影响，同一种红黏土初始含水率不同，由此得到的含水率干密度曲线有很大的差异。通过对红黏土自然风干到不同的含水率，然后再加水静置进行系列击实试验，获得的试验曲线随初始脱湿状态不同而不同，类似的规律在其他类别的红黏土中也能得到。水化红黏土每进行一次脱湿时都能对土体形成不可逆的改变。吴立坚[10-12]等通过试验研究认为烘干高液限土试样得到的最大干密度要比自然风干试样的干密度大，但前者得到的最优含水率要比后者小，而风干土体再加水制件与自然风干试样的试验结果差别不大，说明试样脱水方法与程度对压实指标的影响主要表现为对土体结构的损伤。很多学者研究了不同风化程度的原状、重塑、击实红黏土的强度特征，认为强度主要受红黏土的组成成份、试样的制备方法等因素控制。

Osula[13-15]对比研究了石灰和水泥对高液限土CBR值的影响。高液限土掺灰处理后的干湿循环试验，发现一个循环后土体强度有所下降，在以后的循环中又有所增加，4个循环后达到平衡。高液限土击实试样经过浸泡96 h后，其CBR值减少很多，但要高于以该含水率直接击实的试样强度。试验分析压实度和含水率对CBR值的影响十分显著，当试样含水率增大后，压实功越大强度就减少得越多，高液限土CBR值对重塑含水率或浸泡含水率十分敏感。

针对CBR试验的泡水96 h的要求与实际工程可能有较大的出入，有些干旱地区提出了路基缩短泡水时间甚至不泡水的CBR试验条件。长沙理工大学郑健龙、杨和平[16]针对泡水后膨胀土的CBR值小的状况，考虑到膨胀土路基的渗水主要是坡面侧向渗水的实际状况，提出了膨胀土的改进CBR试验方法。改进CBR试验方法的制件土样含水率按湿法重型击实确定的最佳含水率控制；利用特制的改进CBR筒，改试件上部浸水为侧向浸水，水位需淹没全部筒壁钻孔但不高过试筒；试件4天浸水期顶部施加荷载20 kPa；试件贯入操作同常规试验。用电子天平称浸水前后击实试件的总质量，根据制件含水率，求算浸水后试件的平均含水率。试验结果表明，改进CBR值较常规CBR值都有很大的提高，且CBR膨胀量都小于常规CBR膨胀量值；浸水后的平均含水率，改进法的测试值均高于常规法测试的对应值。这说明改进法的试验条件对膨胀土更为苛刻，也可以说明改进CBR法采用侧向浸水不但符合实际而且浸水效果好，用改进CBR试验法评定膨胀土的承载强度是适合的。在高液限土的物理与化学改良方面，国内外有多位学者对高液限土掺配不同比例的砂砾、石灰、水泥和其他固化剂后的CBR、无侧限抗压强度、压缩特性与抗剪强度等进行了试验，得到了不同掺量下的改良效果。

针对实际工程中，高液限土的天然含水率偏高，路基碾压易出现弹簧的现象，交通运输部公路科学研究所吴立坚在福建高速公路建设中提出了不同击实功下高液限土的CBR试验方法，但在CBR试样击实成型时仍采用在湿法最佳含水率时击实。

综上所述，国内外对于高液限土、红黏土的击实试验方法进行了较多的研究，认为湿法击实试验得到的最大干密度小、最佳含水率高，采用湿法击实试验更符合实际工程。在CBR试验中，同样应采用湿法击实试验结果与湿法击实成型试件。在泡水96 h的试验条件方面，虽有不同的试验方法，但国内外通用的仍是公路土工试验规程规定的方法。在击实功方面，国内虽有不同击实功的试验方法，但其目的是确定路基土在不同压实度时所对应的CBR值。因此，在确定高液限土在不同含水率时的最大CBR强度值方面，国内外的相关研究很少。

1　最大CBR值与最大CBR含水率的定义

路基的CBR越高，路基的质量越好，因此如何确保路基的CBR或者取得较高的CBR值是对工程有很大的实用价值。高液限土在最佳含水率时击实制件得到的CBR值常小于3，不能用于路基填筑。另一方面，高液限土在自然环境下也表现出了较高的强度，室内CBR试验结果与工程实际效果间有较大的出入。

大量的CBR试验表明，对于粗粒土、砂性土或低液限土，在最佳含水率下击实试样，不仅可以达到最高压实度，同时也能得到相对最高的CBR值，即土的密实度(压实度)曲线与CBR曲线基本吻合，土的密实度(或压实度)越高，其CBR值亦越高，因此CBR试验方法是合理的。但在对福建某高速公路的某典型高液限土进行CBR试验时发现，在最佳含水率时击实进行CBR试验，其压实度可以达到峰值点，但泡水96 h后的膨胀量较大，所得的CBR值往往小于含水率比最佳含水率高出5～8个百分点时的CBR值，将高液限土的CBR值绘成曲线与其击实曲线进行对比，发现高液限土并不是密实度越高其CBR值亦越高，其压实度(密实度)曲线与CBR值曲线呈明显分离的双驼峰曲线(见图1)，这点不同于一般的砂性土和低液限土。击实曲线上的极值点的纵、横坐标对应着最大干密度、最佳含水率两个指标，相应地我们将土的CBR值曲线上的极值点的纵、横坐标值分别定义为最大CBR值与最大CBR含水率。

图1　高液限土的密实度曲线与CBR强度曲线Fig.1　Density curve and CBR strength curve of high liquid limit soil

最大CBR值与最大CBR含水率对公路工程具有重要的理论与实用价值。公路路基对填料的取舍依据是CBR。图1所示高液限土的最大CBR值远较最佳含水率时的CBR大；最大CBR含水率较最佳含水率高，而高液限土的天然含水率普遍较高，因此在最大CBR含水率时碾压，可大大缩短晾晒时间，加快施工进度，碾压后路基的CBR高，对路基的长期稳定非常有利，由此大大拓宽了高液限土的应用范围。

2　最大CBR强度的试验方法

如何确定高液限土的最大CBR值和最大CBR含水率成为一个需要解决的课题。众所周知，土的最大干密度和最佳含水率与击实功相关，一般而言，增加击实功则土的最大干密度相应增加，最佳含水率降低，反之亦然。公路土工试验规程明确规定了CBR试验时分三层击实，每层击数分别为30击、50击和98击。这个击实功对普通土而言与压路机的压实功基本接近，试验结果与工程实际基本相符。另一方面，土的CBR值除与击实功相关外，尚与含水率密切相关。当土的含水率较高时，过大的击实功将导致CBR值下降，工程上表现为“弹簧”。当土的含水率确定时便存在一个最佳击实功，低于或超过此击实功均不能达到最大CBR值。因此土的CBR值取决于其含水率与击实功两个因素。

高液限土的天然含水率普遍较高，要将其晾晒至最佳含水率非常困难，且在最佳含水率时且性能不稳定，遇水后膨胀软化现象明显。因此，有必要开展在较高含水率时的CBR性能试验以增加工程适用性。高液限土的天然含水率分布范围很宽，一般在30%～50%，最佳含水率一般在18%～26%之间。不同的土在相同含水率时其物理状态差别很大，为了更好地反映土的液塑性等物理指标对CBR的影响，采用稠度指标较含水率能更好地反映土的湿度状态。所谓稠度是土的液限与含水率之差与塑性指数的比值。

当土的含水率较高时，碾压时易出现超压“弹簧”。击实成型过程中，击数过大时高液限土同样会出现橡皮土的特征，因此应合理确定高液限土的击数。以福建泉三高速公路的某典型高液限土为试验对象，对其CBR值进行了系统的试验研究。高液限土的基本物理特性如表1所示。针对其天然含水率远高于最佳含水率的情况，在CBR试验过程中采用了降低击数的方法进行制件，如表2所示。3×50表示土样分3层击实，每层击数50击，其余类推。

将表2中土的压实度、CBR与稠度、击实功的关系绘成如图2～图3所示。

(1)图2表明在相同含水率或稠度时，土的压实度随击实功的增加而增加；当土的稠度小于1.0时，压实度随击实功的增加变化幅度减小。

(2)图3中土的CBR强度在土的含水率超过塑限后，增加击实功不仅不能提高CBR强度，甚至会下降。因此，稠度1.0(或塑限)不仅是一个物理指标，也是CBR的一个临界点，超过塑限则不宜过分碾压，否则容易引起“弹簧”或强度下降。土的稠度大于1.2时则应加大击实功，可大幅提高土的CBR值，以21击与50击相比，其CBR值可提高一倍。

表1　高液限土的基本物理特性Tab.1　Basic physical property of high liquid limit soil

表2　高液限土CBR试验结果Tab.2　Test result of CBR of high liquid limit soil

图2　压实度与稠度、击实功的关系Fig.2　Correlation among compactness,and compaction work

图3　CBR与稠度、击实功的关系Fig.3　Correlation among CBR, Consistency consistency and compaction work

(3)图3中土的最大CBR为10.2，最大CBR含水率为稠度1.23。土的最佳含水率为稠度1.47(对应最佳含水率为21.0%)，最大干密度时的CBR为7.0。两者的稠度相差0.24，CBR相差3.2。工程上若按照最佳含水率状态进行碾压，其CBR值只能在7.0以下；反之，若在最大CBR含水率时碾压，则路基能达到的CBR强度要高得多，对路基的长期性能更为有利，也大大降低了施工的难度。若按照93%的压实度控制，则其CBR值在3.5左右，刚刚满足路基规范对下路堤填料的要求，不满足上路堤及路床对填料CBR值分别大于4和5的要求，此将明显影响高液限土的利用。

(4)图3中土的CBR曲线与击实曲线具有类似的峰值点，不同击实功下，CBR曲线具有不同的峰值点，在一定意义上这些峰值点均可定义为某一击实功下的最大CBR与相对应的最大CBR含水率。随着击实功的增加，最大CBR增大，最大CBR含水率降低。因此，最大CBR与相对应的最大CBR含水率也是不确定的，与击实功相关。高液限土的天然含水率普遍较高且晾晒困难，采用掺灰处理不多。试验确定天然含水率或含水率较高状态下高液限土的CBR值可确定高液限土可利用的含水率范围。为此，定义高液限土的最大CBR与相对应的最大CBR含水率如下：在击数一定时，当含水率较低时，击实后的CBR值随着含水率的增加而增大；而当含水率达到某一值时，CBR值达到最大值，此时含水率继续增加反而导致CBR值的减小，CBR值的这一最大值称为最大CBR值。

(5)图3可见，在高液限土的最大CBR与相对应的最大CBR含水率附近，CBR曲线较陡，即CBR对含水率的变化较敏感，稠度变化较小时CBR值变化较大。

(6)图3可见，当土的稠度大于0.9时，在相当宽的含水率范围内，高液限土的CBR值大于3%，完全能够满足下路堤对填料最小强度的要求，可用于路基填筑，这大大拓宽了高液限土的适用范围，降低了用于路基填筑的条件，确保了路基工程质量。

(7)不同的击实功对应着不同的最大CBR与相对应的最大CBR含水率。在进行高液限土的CBR试验时不能机械地采用30、50、98击，而应根据土的实际含水率对击数进行调整，否则得不到该状态下的CBR极值点。图3可见，高液限土的CBR试验的适宜击数可参考表3选取。

表3　高液限土CBR试验的击实功范围Tab.3　Compaction work scope of CBR test for high liquid limit soil

3　高液限土最大CBR的机理分析

高液限土的密实度与CBR呈分离的双驼峰曲线，这与一般砂性土或低液限土两者极值点的基本一致形成了鲜明的对比，这也是工程中高液限土的低压实度、较高强度的原因。对于强度与密度分离的原因，认为主要是高液限土的结合水所致。根据农业部门的划分，水在土壤中的存在形式如下。

高液限土的胶凝物质(Fe2O3·nH2O，SiO2·nH2O等)中包含大量结合水，而结合水受土粒分子引力作用，具有与自由水不同的性质，其紧靠土粒表面的水分子受到的吸持力范围从109Pa～3.1×106Pa(10 000～31大气压)，密度1.2～2.4 g/cm3，平均1.5 g/cm3，表现出固态水的性质，冰点低至-7.8 ℃，不能移动，没有溶解能力，相当于强结合水。土粒吸持空气中的水汽达到饱和后，土粒表面还有剩余的分子引力，这时如果土粒表面与液态水接触，土粒能够进一步吸附液态水。土粒靠分子引力吸持的液态水，在土粒吸湿水外围形成薄的水膜，称为膜状水。膜状水被土粒吸持的力为0.625～31 MPa (31～6.25大气压)。所受引力大于常态水，平均密度为1.25 g/cm3，冰点约为-4 ℃，微有溶解能力，为弱(或松散)结合水。因此在高液限土的饱和度试验中，常常出现饱和度超过100%甚至达到110%的情形，除试验误差外，也与计算中将结合水的密度假定为自由水的密度1.0有关。

考虑到目前土的结合水的准确定义与量测均存在一定的难度，难以将土的含水率区分为“自由水含水率”、“结合水含水率”和“总含水率(可指目前一般意义上的含水率概念)。因此，在使用过程中，只能采用含水率的统称概念，同时将含水率与土的其他指标挂钩，分别定义为最佳含水率、最大CBR值含水率或其他指标含水率等。

另一方面，恰恰是高液限土含有一些具“固体”性质的结合水的原因，使得高液限土具有较高的含水率和持水能力，其力学性能却较好。考虑到烘干对高液限土的结合水具有较大的影响，且结合水脱水后的高液限土具有不可逆性，即烘干后再泡水不能恢复至原来的状态，因此采用湿法和干法分别制件对泉三线表1中的土样进行液塑限试验、击实试验及CBR试验,以分析不同方法对试验结果的影响。

(1)液塑限试验

采用湿法和干法制件进行液塑限试验，干法采用《公路土工试验规程》的试验方法，即将土样在风干后过筛加水保湿进行试验；湿法则将天然含水率状态下的高液限土水洗过筛去掉粒径大于0.5 mm的粗颗粒，然后分别加水或晾晒至液限、塑限和中间含水率，以此来分析结构性对土的液塑性的影响。试验结果见表4。土的液塑性是反映土颗粒与自由水相互作用的物理指标，反映了土颗粒对自由水的敏感性。从表4中可见，高液限土的液限湿法与干法相差约5个百分点，塑限差别较小，塑性指数相差约4个点。

表4　不同试验方法下的液塑限Tab.4　Liquid and plastic limits in different test methods

(2)击实试验

湿法与干法的击实试验结果列于表5。从表5可见，结合水的影响可使试验结果相差10%以上，对路基压实度指标有着不可忽视的影响。采用湿土法得出的最佳含水率包括了矿物的结合水含量，能更准确地反映高液限土的矿物成份与结合水的特性，即结合水在某种程度上应作为固体土颗粒的组成部分，而不是自由水。

表5　不同试验方法的击实试验结果Tab.5　Compaction test results by different test methods

(3)CBR试验

CBR试验结果列于表6。湿土法的CBR值较干土法大约20%，而膨胀率较干土法小约10%。

综合上述试验结果，可以得到一个明确的结论，湿法与干法对高液限土的试验结果具有明显的影响，这其中主要是结合水在起作用。结合水一旦失水后具有不可恢复性，为了与实际工程相一致，对于高液限土的相关试验均应采用湿法。

5　结论

(1)基于高液限土的密实度与CBR强度曲线呈分离的双驼峰曲线的现象，与土的最大干密度与最佳含水率相对应，提出了高液限土的“最大CBR值”与相对应的“最大CBR含水率”的概念。

(2)分析了高液限土密度与CBR强度分离的成因机理，即高液限土中含有较多的结合水是导致两者相分离的主要原因。为真实地反映高液限土的工程特性，高液限土的CBR试验应采用湿法击实。

(3)高液限土的CBR强度受击实含水率与击实功的影响，考虑高液限土含水率分布范围宽的特点，基于工程实用，提出了高液限土最大CBR与最大CBR含水率的定义,即：高液限土在击数一定时，当含水率较低时，击实后的CBR值随着含水率的增加而增大；而当含水率达到某一值时，CBR值达到最大值，此时含水率继续增加反而导致CBR值的减小。CBR值的这一最大值称为最大CBR值，与之相对应的含水率为最大CBR含水率。本研究给出了最大CBR的试验方法，为工程应用奠定了基础。

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Maximum CBR Strength of High Liquid Limit Soil and Test Method

ZHANG Yan-qing1，WU Li-jian2, SONG Chang-jun2

(1.Sanming Traffic Construction Investment Co., Ltd., Sanming Fujian 365000，China;2.Research Institute of Highway,Ministry of Transport,Beijing 100088,China)

High liquid limit soil is a frequently met special soil during highway construction in southern China. According to the testing specification, CBR will be tested using the soil samples compacted with 30, 50 and 98 compaction times under the most optical water content. The water content of high liquid limit soil in Quanzhou-Sanming expressway in Fujian province is very high. For in line with the actual construction condition, during the CBR experiment, we changed the compaction times and the water content of soil. By analysing the testing result, we revealed the phenomenon that the density (compactness) curve and the CBR strength curve of the high liquid limit soil are separated, which presents the double hump curves. The formation mechanism of the separation of the density (compactness) curve and the CBR strength curve is analyzed. The concept and the test method of the maximum CBR strength and the maximum CBR water content are proposed.

road engineering; high liquid limit soil; test method；maximum CBR strength; maximum CBR water content

2016-03-22

张燕清(1964-)，男，福建莆田人，高级工程师.(138069192@sina.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.009

U416.1

A

1002-0268(2016)10-0053-09