高液限土石灰改良处治技术试验及工后沉降分析

曹海利， 付丽红

(1.徐州市交通规划设计研究院， 江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学， 江苏 徐州 221116)

高液限土的物理及力学性能均较差，需改良后才能运用。目前，国内重点研究了高液限土处治方法，如杨和平等对浏醴(浏阳—醴陵)高速公路路床高液限土掺石灰进行改良试验，研究不同石灰掺量对改良土壤的影响程度，结果表明石灰掺量为4%～6%的高液限处治土可作为路床用土；段凯对衡邵(衡阳—邵阳)高速公路高液限土进行石灰、水泥、砂砾改良，结果表明3种方法均具有较好的改良效果，改良后高液限土的含水率、压实度等满足设计要求。江苏344省道邳州段是徐州市主要东西向干线公路，所在地区40%以上区域为高液限土，透水性较差，具有较弱的膨胀性，不适合采用翻晒来减水，但可通过改良处治改善其物理及力学性能。为此，采用石灰改良技术对该路段高液限土进行处治，通过试验分析确定最佳石灰掺量。

1 高液限土强度试验

江苏344省道邳州段东起京杭运河，向西止于邳州与铜山区分界，全长约37 km。该路段存在大量高液限土，其化学成分见表1。该路段高液限土样矿物由钾长石和石英、高岭石、白云母构成，其中钾长石占比高达45.6%，对土样水稳性影响较大。粒径低于0.075 mm的颗粒比例为60%左右，低于0.5 mm的颗粒比例超过80%，即细颗粒含量较高，由黏粒的性质可知该土样的可塑性较强，但透水性较差，很难压实。

表1 江苏344省道邳州段高液限土的化学成分

以K2+200、K5+200处高液限土为研究对象，掺入石灰进行试验，确定该路段高液限土最佳含水率及最大干密度。高液限土路基填料的选取主要由压实度、承载比CBR控制，故进行高液限土击实及CBR试验。

(1) 击实试验。以湿土法制作K2+200、K5+200处高液限土样进行重型击实试验，测定所取湿土的含水率，设置合适的含水率梯度，采用风干方法制备6个试样。

(2) CBR试验。采用湿土法制作试验土样，以重型击实法对土样进行击实，测量其质量，并用百分比记录初始数据，后置于水槽中浸泡4 d，保持水面高于试件顶部25 mm。先预压试件，随后进行贯入试验，以1 mm/min的速率压入，并记录百分表读数。记录贯入量为2.5、5 mm时的单位压力与标准压力之比，若CBR2.5小于CBR5则重新进行试验；若结果依然不变，可采用CBR5作为CBR值。计算式为：

CBR2.5=p×100/7 000

(1)

CBR5=p×100/10 500

(2)

式中：CBR2.5为贯入量为2.5 mm时的承载比(%)，精确至0.1；p为单位压力(kPa)；CBR5为贯入量为5 mm时的承载比(%)，精确至0.1。

2 石灰改良处治技术方案

对该路段高液限土进行掺生石灰(主要成分为CaO，掺量为4%、5%、6%)试验研究，以高液限土满足路基填料要求为目标。根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，经过石灰改良后的高液限土仍具有一定崩解可能性，可采用CBR值来确定石灰改良处治后的强度性能。通过击实试验确定改良后高液限土的最佳含水率、最大密实度，再检验其CBR值是否满足规范要求。

(1) 击实试验。以干土法制作14%、16%、18%、20%、22%含水率土样，以5 kg为一份打包，焖至少36 h；将焖好的样本分别掺入4%、5%、6%生石灰进行击实试验，得出不同含水率下最佳含水率及最大干密度。

(2) CBR试验。采用干土法制作含水率约为最佳含水率的土样，焖不少于36 h；将焖好的样本分别掺入4%、5%、6%生石灰，采用路面材料强度试验仪器对样本进行承载比试验，得到不同样本的CBR强度指标。

掺入石灰后应立即进行压实试验，因为石灰会降低高液限土的最大密实度，若间隔一段时间再压实，土体的塑性会发生很大变化。另外，为节约时间，采用干土法制作不同含水率的样本。

3 试验结果与分析

3.1 高液限土的试验结果与分析

3.1.1 击实试验结果与分析

对K2+200、K5+200处高液限土进行击实试验，击实方式为重型Ⅱ法Ⅱ.2，每层击数为98 次，试验结果见表2。

表2 高液限土击实试验结果

由表2可知：高液限土的干密度随着含水率的增加而减小，并未出现峰值，即两路段土样的最佳含水率处于较低水平。由于该区域降雨较频繁，土体中细颗粒比例较高，天然含水率与最佳含水率差值较大，无法通过晒干的方式降低含水率，同时施工时土体压实度难以满足，需进行改良处治。

3.1.2 CBR试验结果与分析

两路段高液限土的CBR试验结果见图1、图2。

图1 K2+200处土样不同含水率和压实度下CBR值

图2 K5+200处土样不同含水率和压实度下CBR值

由图1、图2可知：1) 同一含水率时，高液限土的CBR值随着密实度的降低而降低，这是由于击实功减小，吸水量、膨胀量增加，湿密度与干密度降低。2) 同一压实度时，高液限土的CBR值随着含水率的降低而增大，但K2+200处高液限土样在含水率降至22.8%、K5+200处高液限土样在含水率降至19.7%后，CBR值增大幅度明显减小。3) K2+200、K5+200处土样的天然含水率较高，分别为22.8%、23.2%，在该状态下即使密实度达到100%，其CBR值也无法满足规范要求，需进行改良处治。

3.2 石灰改良处治试验结果与分析

3.2.1 击实试验结果与分析

分别掺入4%、5%、6%生石灰对该路段高液限土进行改良。以改良后K2+200处高液限土为样本进行击实试验，击实方法为重型Ⅱ法Ⅱ.2，每层击数98次，筒容积为2 150 cm3，试验结果见图3～5。根据不同石灰掺量下含水率与干密度的关系，得到不同石灰掺量下改良土的最佳含水率和最大干密度(见表3)。

图3 掺4%石灰改良土的含水率与干密度

图4 掺5%石灰改良土的含水率与干密度

图5 掺6%石灰改良土的含水率与干密度

由表3可知：掺入4%、5%、6%石灰后，土样最佳含水率均在14.7%左右，最大干密度分别为1.64、1.69、1.71 g/cm3，可为CBR试验提供土样压实度制备依据。

表3 不同石灰掺量下改良土的最佳含水率和最大干密度

3.2.2 CBR试验结果与分析

以改良后K2+200处高液限土为样本进行CBR试验，含水率为28%，试验结果见图6～8。根据不同石灰掺量下CBR值与干密度的关系，得到不同石灰掺量、不同压实度下CBR值(见表4)。

图6 掺4%石灰改良土的CBR值与干密度

图7 掺5%石灰改良土的CBR值与干密度

图8 掺6%石灰改良土的CBR值与干密度

由表4可知：93、94区路基填筑可采用掺4%石灰改良的高液限土；96区下路床及以下各区路基填筑可采用掺5%石灰改良的高液限土；96区下路床及以下各区路基填筑可采用掺6%石灰改良的高液限土(见表5)。

表4 不同石灰掺量和压实度下改良土的CBR值

表5 不同石灰掺量下改良土的最佳含水率、最大干密度及适用范围

4 试验段工后沉降分析

选择K6+400—K7+600段路床进行石灰改良处治试验，石灰掺量分别为4%、5%、6%，比较不同掺量的改良效果。试验路段厚80 cm，宽12 m。 设置沉降观测点，选取路线中点、边点进行处治后试验段工后沉降分析。图9为不同石灰掺量下路线中点的平均沉降。

图9 不同石灰掺量改良土的累计沉降

由图9可知：相对于正常土质路基，石灰改良处治后路基沉降值明显偏小，且60 d后趋于稳定；随着石灰掺量的增大，改良土体趋于稳定的累计沉降值逐渐变小，显著小于未改良高液限土的累计沉降值，采用石灰处治技术获得的效果较理想；3种石灰掺量改良土体工后沉降均具有适应性，结合试验段的其他检测参数，确定6%为最佳石灰掺量。

5 结论

(1) 高液限土的击实试验干密度随着含水率的增加而减小，并未出现峰值，土的最佳含水率处于较低水平；同一含水率下CBR值随着密实度的降低而降低，同一压实度下CBR值随着含水率的降低而增大，但K2+200处高液限土样在含水率降低至22.8%、K5+200处高液限土样在含水率降低至19.7%后CBR值增大幅度明显减小，土样的天然含水率较高，其CBR值无法满足规范要求。

(2) 掺4%石灰，以最佳含水率14.89%、最大干密度1.64 g/cm3作为控制指标，改良高液限土可用于93、94区路基填筑；掺5%石灰，以最佳含水率14.88%、最大干密度1.69 g/cm3作为控制指标，改良高液限土可用于96区下路床及以下各区路基填筑；掺6%石灰，以最佳含水率14.69%、最大干密度1.71 g/cm3作为控制指标，改良高液限土可用于96区下路床及以下各区路基填筑。

(3) 随着石灰掺量的增大，改良土体趋于稳定的累计沉降值逐渐变小，显著小于未改良高液限土的累计沉降值。石灰最佳掺量为6%。