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多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 摘要 国内外的工程实践表明，高液限土地区修筑高等级公路常常出现路面 开裂、隆起或沉陷、滑塌等等病害。所以公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 7 7 2 3 条明确规定：高液限土不能直接作为路堤填料；当利用挖方路段高 液限土填筑路堤时，应进行处治。但在我国南方尤其广西地区高液限土广 泛分布，公路建设中如何利用高液限土就显得尤为重要。本文在总结众多 学者研究的基础上，针对南宁地区的非典型高液限土进行了大量的试验研 究。试验内容包括非典型高液限土的物理力学试验：非典型高液限土在改 变不同击实含水量不同击实能作用下的长期浸泡试验，而后与特殊高液限 土一红粘土进行分析比较；对于石灰加固高液限土也进行了改变不同的击 实含水量并对之进行了长期浸泡试验。试验结果表明，土体强度和膨胀性 均在高于最优含水量2 处于最优状态，增加击实能对于高液限土的水稳定 性影响不大；结果也显示红粘土通过改变击实含水量是能满足高速公路下 路床的要求。而加固土含水量是在最优含水量和最优含水量+ 4 之间时c b r 较大，为了使土体减少脆性破坏又有较高强度，施工时含水量应控制在 2 2 - 2 4 之间。 本次试验对于高液限土在水的长期浸泡作用下进行了试验性研究，得 到的有关结论能指导以后高液限土路基的施工，以便更好地保证路基的长 期稳定性。该成果对于高液限土地区公路建设尤其是南方多雨地区的路基 填筑有一定参考价值。 关键词：高液限土路基加固土水稳定性 t e x p e r i m e n t ss t u d yo nc o m p a c t i o nm e t h o d o f h i g hl i q u i ds o i li nr a i n ya r e a s a b s t r a c t i nh o m ea n da b r o a d , m a n ye n g i n e e rp r a c t i c e sh a dm a n i f e s t e dt h eh i g hl i m i tl i q u i ds o i l r o a d b e d si nr a i n ya r e a so f t e nw t 自j ed e s t r o y e d ，t h ep h e n o m e n o nw e l ec r a c k s , b u l g e s ，s e t t l e m e n t ， a n ds oo n s p e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g no fh i g h w a ys u b g r a d e s ( j t gd 3 0 - 2 0 0 4 ) h a v er e g u l a t e d s t r i c t l ya sf o l l o w ：t h eh i g hl i m i tl i q u i ds o i lc a n tu s ef o rt h er o a d b e dd i r e c t l y , i fb eu s e df o r r o a d b e d ，：s o m em e a s u 、g sm u s tb ec a r r i e do u t i ns o u t ho f c h i n a , e s p e c i a l l yi ng u a n x ip r o v i n c e ， p l e n t yo fh i g hl i m i tl i q u i ds o i le x i s t e d , s oh o w t ou t i l i z eh i g hl i m i tl i q u i ds o i lb e c o m eav e r y i m p o r l a n tp r o b l e m t h i sp a p e rs u m m a _ _ f i z 忙dt h er e l a t i v es t u d y ，c a r r yo u tal o to fe x p e r i m e n t s o nt l i g hl i m i t l i q u i d s o i lo fn a n n i n g t h ee x p e r i m e n ti n c l u d ep h y s i c sa n dm e c h a n i c s e x p e r i m e n t s ；h i g hl i m i tl i q u i d s o i ll o n g - t e r ms t a b l ee x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n ti n i t i a l w a t e r - c o n t e n ta n dd i f f e r e n tc o m p a c t e de n e r g y t h e nc o m p a c t e d 、撕t l lr e dc l a y ；f o rh i g hl i m i t l i q u i ds o i lt h a tc a l m tr e i n f o r c e db yp h y s i c a lm e t h o d ，t h el i m ew a sa d d e d t h el i m er e i n f o r c e d i l i g hl i m i tl i q u i ds o i lw a sc a r r i e do u tl o n g - t e r ms t a b l ee x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n ti n i t i a l w a t e r - c o n t e n t t h em s a l t sf o u n df o rh i g hl i m i tl i q u i ds o i l ，w h e ni n i t i a lw a t e r - c o n t e u tw a s m o r et h a nt h eo p t i m u mw a t e r - c o n t e n tb y2 t h ec b ra n ds w e l l i n gc a p a c i t yw e r ea ta n o p t i m u ms t a g e ；t h ea d d e de n e r g yh a s1 1 0a f f e c to nh i g hl i m i tl i q u i ds o i l ；r e dc l a yc o u l db e e n u s e df o rd o w ne m b a n k m e n t ；f o rt h er e i n f o r c e ds o i l ，t h ec b rw a sa ta h i 【g hs t a g ew h e nw a t e r b e t w e e n2 0 2 4 ，b u tf o rt h eb r i 砌eo fr e i n f o r c e ds o i l ，t h ei n i t i a lw a t e rm u s tc o n t r o li nt h e r a n g eo f 2 2 - 2 4 t h ec o n c l u s i o n so fl o n g t e r ms t a b l ee x p e r i m e n t si n t h i sp a p e rs t u d yw o u l dg u i d et h e c o n s t r u c t i o no f t h eh i g hl i q u i dl i m i ts o i lr o a d b e d ，e s p e c i a l l yi ns o u t ho fc h i n a r a i n ya r e a s k e y w o r d ：h i g hl i m i tl i q u i ds o i l ，r o a d b e d ，r e i n f o r c e ds o i l ，l o n g - t e r ms t a b l e l i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：枷 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年6 月2 4 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 翻即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：枷导师签名：文豸氅2 0 0 7 年6 月2 4 日 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 1 1 问题的提出 第一章绪言 广西处低纬度地区，全年受海洋暖湿气流和北方变性冷气团的交替影响，是国内气 温较高、降水较多的地区，属亚热带季风气候，多年降雨量在9 7 3 2 2 7 7 m m 之间，雨 量季节分配有明显的季风气候特点，3 7 月降雨量一般较多，当年1 2 次年2 月一般 较少。总体而言，夏天时间长，气温高，降水多；冬天时间短，气候干暖，气候变化大。 高液限土的形成与地理环境、气候条件、地质成因、历史过程、物质成分和次生变化等 密切相关，正是由于这样的地理位置决定了高液限土的大量存在。公路路基施工技术 ( j t j0 3 3 - - 9 5 ) 规范规定：o 0 7 4 m m 以下细粒含量超过5 0 的细粒土，塑性指数大于 2 6 ，液限大于5 0 的粘土均称为高液限土。公路路基设计规范( j t gd 3 0 - - 2 0 0 4 ) 规定：液限超过5 0 的细粒土均为高液限土。高液限土主要包括饱和软粘土、膨胀土、 红粘土以及有机质土等等【1 1 。 由于高液限士颗粒粒径较小，因此毛细水上升高度较大，毛细现象也很显著，但速 度较慢；又由于其中含有的矿物成分( 如蒙脱石) 带有较多的负电荷，亲水性较强、造成 土粒结合水膜厚度较大，而渗透系数较低【1 。这些表明高液限土中的水分在正常情况 下不容易逸出，干时坚硬不易挖掘，不易压实，并具有较大的可塑性、粘结性和膨胀性， 浸水后能较长时间保持水分，因而承载力较小，稳定性较差1 4 叫。而现在的路基施工多 采用最优含水量进行击实，用压实度来控制压实的质量。对于高液限土来说，在含水量 较小时土的强度高，而随含水量的增加，土体发生膨胀，强度衰减较快。在广西这样一 个南方多雨地区，路基在运行一段时间后，含水量就会发生改变，会逐渐趋向于附近土 体的含水量，有可能在相对长的一段时间浸泡于水中，路基的表层土含水量趋于饱和， 强度将降低，严重危及路基的稳定性。在过去的公路建设中，由于公路的建设等级低， 深挖高填较少，遇到高液限土的应用问题不是很突出。2 0 世纪9 0 年代后期，中国公路 建设进入了前所未有的高速发展阶段，高液限土的工程建设问题日显突出，由于人们的 研究不够深入。使得在这类土的使用上存在很多误区和争议。一些地区因对这类土的应 l 广西大学硕士学位论丈 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 用心中无数，将数以百万方的可利用的土换填或弃土，造成大量的废方和借方，而在这 些地区弃土处理同样是困难的，周围如果没有好土利用，将阻碍工程进展，大大的增加 工程投资。然而，在土源紧张的情况下，又必须利用这种土填筑路基。过去，由于对高 液限的物理特性认识不足，直接用离液限土填筑上路床和填筑路堤，一方面我们花大 量的代价，按重型击实标准压实到规定的密实度，另一方面没有认识到这类土越密实其 遇水膨胀率越高，变形越大的特性，这种过分强调按重型标准压实，又未采取封闭覆盖 措施或处理措施，当雨季地表水侵入路面基层透进路基使这类土吸水后膨胀变形、雨后 脱水收缩导致路面破坏。加之近年来广西的经济建设步伐越来越快，重交通荷载、超载 现象时有发生，更加剧了路基破坏。修建的道路不久就出现了许多不同程度的病害，导 致公路的使用性能迅速下降，严重地影响了车辆快速、安全行驶，轻则影响公路的通行 能力，重则中断交通，危及行车安全，而且造成很大的经济损失。而且给养护和维修带 来了巨大的压力。据统计，从1 9 9 5 年到1 9 9 7 年，因此而造成的路基破坏达3 4 1 2 6 k m 年嘲；2 0 0 5 年1 月至7 局，广西全区公路累计中断交通4 1 7 条，在建部分高速公路和路 网项目遭受水毁直接经济损失达4 0 4 亿元【7 1 。在这些破坏中很大一部分是由于高液限土 的利用不当和处理不当造成的。 高液限土要成为可以利用的路基填料，首先要提高高液限土路基的强度和稳定性， 而决定强度和稳定性的是土的种类和填筑质量两个因素。填筑质量的好坏与击实含水量 和击实能有关，这实际上就提出一个问题：在什么击实含水量和什么样的击实能情况下， 高液限期土的填筑质量在到最优，这样就可以，同时也可以节约大量的工程资金，并且 可以保护环境。如果无法达到路基要求就要进行土性改良，对于这种改良土同样也存在 在什么击实含水量情况下施工才能更有利于高液限土的长期稳定性的问题。 本文的研究意义在于针对广西区特有的非典型高液限土为主要研究对象，首先通过 物理方法来改善高液限土，主要改变初始击实含水量和增加击实功的方法来得到更合理 的击实参数，确保以后的物理加固方法能够做到经济合理且能保证高液限土路基的长期 稳定性。对于物理方法无法加固的非典型高液限土通过掺加生石灰的加固方法来进一步 研究。通过改变初始含水量和浸泡时间来研究此类最常见的加固土在多雨情况下的强度 变化情况和水稳定性如何，找出其中的规律，为以后的石灰加固土的设计施工提供参考。 从公路路基设计规范7 7 条规定可以看出将红粘土和高液限土按相同的方法处 治。红粘土是由碳酸岩经红土作用而形成的，所以它做为南宁地区一种常见的特殊高液 2 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 限土的，长期水稳定性又是如何呢? 是不是也和一般高液限土有着相同的性质呢? 本文 也对之进行了研究，并和一般高液限进行对比，从而更全面的反映南宁盆地两种常见高 液限土的路用性能的差异，对指导公路路基施工有参考价值。 1 2 国内外研究动态 在对高液限土的稳定性研究国外己积累了大量的经验。a s a l - - - h o m o u d 指出在干 湿循环作用下高液限土土体的强度和膨胀性会发生疲劳效应，其主要的原因就是在干湿 循环作用下土体的结构发生了改变，发现经几个干湿循环后土体稳定有所增加。同时其 它的一些研究人员( c h e n1 9 9 5 ；c h u 和m o u1 9 7 3 ：c h e ne ta 1 1 9 8 5 ：c h e l a 和m a1 9 8 7 ： s u b b a r a o 和s a t y d a s1 9 8 7 ：d i f 和b l u e m e l1 9 9 1 ) 通过大量的试验得到了高液限土在干 湿循环作用下它的膨胀性会产生疲劳，最后达到一个平衡状态，一般3 5 个循环下来 就基本上维持在这个平衡状态。同时他们也各自从各类土的内在特性来解释外在的表现 鹏0 1 。a l l a m 和s r i d h a r a n j 早在1 9 8 0 年就通过试验得出含水量的改变将直接影响土体的 特征【l l l 。 在国内，研究高液限土的稳定性的研究相对少一些，杨平介绍了高液限土路基施工 中的具体方法，包括填筑的高度、位置、条件等都做出了相应的说明1 2 】。梁军林、刘银 生等提出了按粘聚力、内摩擦角、c b r 、压实度等分类，找出了可以直接用于路基填筑 的具体指标【1 3 4 】。仇益梅根据高液限土的膨胀量将高液限分为五类，指出了每一类的处 理的方案【i ”。杨和平研究了干湿循环效应对膨胀土抗剪强度的影响，得出了宁明膨胀土 经第一个干湿循环后它的强度衰减最快的结论1 1 6 】。孔令伟等通过对膨胀土的试验研究发 现此类土并非在最优含水量的条件下击实路基的稳定性最好，通过试验得出了此类路基 在不同含水量的条件下击实路基的稳定性有所不刚1 7 1 。从上面的文献大体可以看出国内 学者研究高液限土的路基的稳定性并不多，而对于高液限土在长期水浸泡作用下的稳定 性研究在国内处都是鲜有涉及。 对于无法通过物理方法加固的高液限土，用化学方法对高液限土进行改性就应运而 生。常见的加固添加剂有石灰、水泥、二灰土、n c s ( n e wt y p eo f c o m p o s i t es t a b i l i z e rf o r c o h e s i v es o i l ) 、沥青等。相关的研究现状如下： ( 1 ) 高液限粘土的砂砾改良法 赵昌洲1 8 1 等结合实际工程在高液限土中加入砂砾，砂的掺配比例为1 0 ，砾的比例 广西大学硕士学位论文多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 分别为1 5 、2 0 、2 5 、3 0 。通过人工掺砂砾的办法，可以有效地预防路基开裂， 提高路基的板体性及整体强度。综合试验可知掺加砂砾可提高高液限粘土强度的同时对 其开裂也有抑制作用，故对下路堤施工，建议采用砂：砾：土= 1 0 ：1 5 ：7 5 的掺配方案， 对于上路堤旋工建议采用砂；砾：土= 1 0 ：2 0 ：7 0 的掺配方案。 ( 2 ) 石灰改良加固 使用最为广泛，改良效果被公认的化学改良方法是石灰改良。在国外，汤姆森 ( t h o m p s o n ) 曾在1 9 6 6 年详细地讨论了改善石灰土混合物的工程性质问题。m c e l a l t o n o z 等f 1 9 1 认为，在高液限土中加入4 的石灰时，2 8 天后土的强度最大。y u c e lg u n e y 等 2 0 l 通过天然的干湿循环试验得到了经过一个循环后，土体强度有所减小，在以后的循环又 有所增加，而四个循环后达到平衡。8 0 年代以来，国内很多研究人员结合具体工程的需 要对石灰改良加固机理及加固高液限土作为填料进行了多方面的研究，主要研究内容有 掺灰前后物理性质变化，得出了很多对工程建设有指导意义的结论。柳厚祥等【2 1 1 通过试 验，采用掺入不同剂量生石灰进行高液限土的改良试验，研究其物理力学性质和强度变 化规律。认为高液限土掺入6 的生石灰改良处治后，路用性能良好，可用于高速公路 的路基填料。闫治理等【2 习论述了如何掺加石灰使高液限土固化来提高路堤施工质量，并 总结了施工过程中的要点及注意事项。李小民1 2 3 1 为改善淮江高速公路施工中高液限土的 工程缺陷，研究采用掺石灰闷灰处理的方法。试验表明：采用闷灰工艺可以降低土的塑 性指数。黄厚庆1 2 4 1 结合公路工程研究高液限土的物理和力学特性探讨高液限土路堤填料 的工程处治措施，对实施特定条件下的路基工程具有理论与实际的指导意义。余小年瞄1 等以衡( 阳) 枣( 木铺) 高速公路为例，分析了用包芯法处理高液限粘土的施工原理及局 限性，并通过室内试验、现场变形观测及现场实体填筑，提出了采用此法的适宜条件及旋 工技术。 石灰加固土具有效果好，适用范围广和施工简便等特点。因而，在我国的公路路面 结构中被广泛作为高级和次高级路面的基层、底基层或垫层。一般认为，用石灰改良高 液限土是一种既经济又安全可靠的改良方法。石灰的加入使土的p h 值增高，从而使土 的有效交换阳离子总量降低，使高液限土的胀缩性降低或消除。其他各方面的性质的改 变也都是有利于工程的。 但目前国内研究和应用石灰还存在明显不足，主要表现在石灰土的施工时，一律采 用重型击实试验所得的最佳含水量，没有充分考虑初始击实含水量对不同土质的石灰改 4 广西大学硕士学位论文 多西地区高液限土路基填筑方法试验研究 性后期强度的影响，而经过一定龄期养生的石灰稳定土其微结构和物质组成已与击实初 期有较大差别，尤其是后期的碳酸化作用会使土体的强度有所增加，至于增加多少，对 于土体的改性会产生什么样的影响等实际问题并没有得到很好的研究。 ( 3 ) 二灰土、n c s 、沥青改良加固 一般来说加石灰的高液限土就完全可以满足路基填料的要求，因此二灰( 石灰和粉 煤灰) 加固改良高液限土多用于强度和稳定性要求更高的路面基层底基层。胡俊鹏等 2 6 1 进行过石灰和粉煤灰加固措施。这种加固方法除了石灰和土的反应之外，还有火山灰反 应作用，即石灰与土和粉煤灰中活性的氧化硅和氧化铝起化学反应生成含水的硅酸钙 ( x c a o s i 0 2 n h 2 0 ) 和铝酸钙( x c a o a 1 2 0 3 n h 2 0 ) ，它们是水稳性良好的结合料 结构层，对后期强度增长作用很大。但是相对来说这种加固方法的施工工艺比较烦琐。 n c s 固化剂是一种新型复合粘性土固化材料的简称。由石灰、水泥等合成添加剂改 性而成。n c s 加入填料中除具有石灰、水泥对土的改性作用外，它还进一步使土粒和 n c s 发生一系列物理化学反应，使高液限土颗粒间紧密，彼此聚集成土团，形成团粒化 和砂质化结构，增强了土的可压实性，同时，高液限土颗粒在n c s 水化反应中生成新 的水化硅酸钙和水化铝酸钙，加强了土体的强度和稳定性。 a z m s a l - - h o m o u d l 2 7 1 等( 约旦) 进行了沥青加固剂控制约旦土膨胀潜势与湿陷潜 势的研究，得到以下结论：稀释的沥青既可通过把土颗粒粘结在一起增大土的粘聚力， 又可起防水剂作用并在土颗粒问形成沥青薄膜从而保持土的粘聚力。土中稀释沥青含量 的增加使土的最大干密度与对水的敏感性都减小，而使土的总含水量增加。用稀释的沥 青进行处理，土的膨胀潜势与湿陷潜势将明显地减小。稀释沥青含量超过7 时，土的 膨胀潜势与湿陷潜势不会产生明显的减小，这就说明使用百分率含量过多的稀释沥青不 是很有用的。 ( 4 ) 各种新型化学改良剂( 溶液) 改良加固 随着人们对膨胀土膨胀机理的逐步深入认识，用可以产生离子交换反应的各种化学 改良剂( 溶液) 改良加固的措施纷纷浮出水面。早在1 9 4 9 年，美国学者通过对依阿华 州高塑性地基土进行试验研究发现，能提供大量有机阳离子化合物的水溶液可减小塑性 土样的塑性、收缩及膨胀性，并认为将它们作为高塑性土的稳定剂具有极大的前途。7 0 年代，美国科罗拉多州丹佛市土工技术公司采用7 0 5 和7 0 6 专利溶液处理丹佛粘土页 岩重塑土，进行膨胀及渗透试验，结果表明土的膨胀潜势极大地降低了嘲。1 9 9 4 年5 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 月，罗逸【2 9 l 在第三届全国岩石力学与工程学术会议上首次报道了某些有机化合物可改善 高液限土的性质，并就化学改良方法的可能性进行了初步探讨。此后在此基础上研制出 一种名为h 2 4 的膨胀土稳定剂。它是一种含n 有机阳离子化合物为主要成份的水溶液， 对膨胀土的膨胀性具有较强的抑铝4 作用，并可能具备工程应用价值。作者裁它对膨胀土 的物理一力学性质和有效稳定期的影响等问题进行了研究和讨论。之后作者又用微观结 构分析的方法研究了含n 的有机阳离子化合物对改善膨胀土性质的影响。 近年来以磺化油( s u l p h o n a t e do i l ) 作电化学土壤稳定的方法在工程界得到关注， 这种方法始于6 0 年代，美国得克萨斯州建筑物地基，机场、道路，排水渠等工程的膨 胀土普遍采用稀释的磺化油作为稳定剂。 化学改良液处理高液限土的优点在于它的有效性和经济合理性，其作用是持久的， 且方法、原理较为简单，旌工操作易于掌握。并且对环境影响很小，适用面很广，因此 是很有发展前景的改良加固措施。 在进行化学加固的同时，利用土工合成材料加固高液限土路基也逐渐被人们所认 知，并得到广泛的应用。广西、云南公路建设的过程中都有采用过“土工织物+ 排水骨 架植物防护”的形式。主要在开挖边坡上全断面铺设土工织物如土工膜、土工布等，起 到防风化、保湿的作用，然后在其上砌表面排水骨架，削弱雨水对边坡的冲刷作用。并 通过覆土植草进一步起到防护的作用。广西水( 任) 南( 宁) 路膨胀土路堑边坡采用了 “两布一膜+ 拱形排水骨架”设计方案。水南路十标已建成通车，用该方法处理的膨 胀土边坡运营情况良好。这种处治是一项环环相扣的工作，从边坡的开挖，开挖过程排 水措施的设置，到防护措施的跟上，都需要施工上的连贯和一气呵成。这样才能达到良 好的处治效果p o j 。除此之外，人们也将土工布、土工膜，土工网格等多种土工合成材料 在高液限土边坡加固方面进行尝试和探索。但对于此类加固方法加固的高液限土在长期 水作用于下的水稳定性的研究略显不足，公路路基建设埋了许多隐患。 1 3 本文的主要研究工作 本文遵循“解决高液限土路基的水稳定性问题，对既有技术进行探索与创新”的原 则，以解决高液限土路基的长期稳定性为目的。针对南宁地区存在的高液限土为主要研 究对象，剖析南方多雨地区高液限土路基的灾变机理，并提出相应的工程措施。因此本 课题研究的主要内容有： 6 广西大学硕士学位论文多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 通过物理力学试验对高液限土与水稳定性有关的性质进行全面的研究。 研究南方多雨地区的非典型高液限土的路基长期稳定性，并与红粘土进行比较。 研究南方多雨地区石灰加固高液限土的路基长期稳定性。 t 4 研究方法和技术路线 1 4 1 研究方法 通过各种与高液限土的水稳定性有关的物理力学试验来确定南宁最常见的非典 型高液限土的基本性质和路用性能，找出此类土所具有的特性。物理力学试验包括： a 、常规试验：天然含水量，天然密度、界限含水量，渗透试验； b 、物理试验：颗粒分析试验，化学组成分析，矿物组成分析； c 、力学试验：直剪试验，击实试验，c b r 试验。 以试验的手段得到高液限土路基的长期稳定性规律，试验方法为：在不同的击实 含水量和击实能条件下，浸泡不同时间，记录强度变化的过程，以确定最合理的击实含 水量和击实能。与红粘土进行比较试验研究。 对于无法通过机械作用满足规范的非典型高液限土，通过加入一定量的化学添加 剂一石灰进行加固，以试验的手段得到石灰加固高液眼土的长期稳定性规律。试验方法： 在不同的击实含水量条件下，浸泡不同时间，记录强度变化的过程，以确定最合理的击 实含水量，从中也得到了不同浸泡时间下的强度变化规律。 1 4 2 技术路线 本论文技术路线和预期目标框架图如图1 1 ： 7 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 一， 丝与黪研鳓盏生j 图1 - 1 全文研究总体框架 晦l 一1g e n e r a lf r a m eo f t h ep a p e rc o n t e n t 8 广西大学硕士学位论文多爵地区高液限土路基填筑方法试验研究 第二章高液限土的物理力学性质 2 1 高液限土的取样及常规试验 研究对象取土点为友爱路新改造段，具体位置是友爱路与民乐路交叉处抗滑桩附 近，距地面约为3 m ，开挖时为较均匀的深黄色，但其中有一定量的灰白色的粘块，未 经扰动，呈硬塑状态，为河相沉积形成的粘土。上层为杂填土，下层赋圆砾层，反映了 南宁盆地高液限土的成因类型，共取土大约4 0 0 k g 。由于部分特殊土( 如膨胀土、红粘 土、软土等) 也属于高液限土，为了避免和以后做对比试验所采用的红粘土混淆，在此 将取土定名为非典型高液限土。常规试验相关参数如表2 1 ： 表2 - i 非典型高液限土物理性质指标 t a b2 - 1p h y s i c a lp r o p e r t i e si n d i c e so f h i g hl i m i tl i q u i ds o i l 由表2 - 1 数据看出，吼 5 0 ，1 1 ) 2 6 ，该土样是高液限土。 2 2 高液限土的物理性质试验 2 2 1 鬏粒分析试验 土体的骨架是由固体颗粒构成，因此固体颗粒对物理力学性质起决定性的作用。对 所取土按规范采用比重计法进行颗粒分析试验，试验后绘出颗粒分析曲线如图2 - 1 所示。 表2 - 2 非典型高液限土的颗粒组成 t a b l e2 - 2p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no f h i g hl i m i tl i q u i ds o i l 9 广西大学硕士学位论文多两地区高液限土路基填筑方法试验研究 芒 繇 奄 1 缸 喀 叫 村 蟪i 巢 谍 竹 | |j i j i 、 8 划 | | f i 丰l一弋f -m 洚4 u ! i + 一 彬 丰一 l f j r - 1 j _ | 什 ! i j j _ 卜 i j | | l 丰| i i l u 盆 髹 奄 l 皿 籼 峰 q 州 瑷! 巢 谋 巾 “ 土粒直径( m ) 图2 - 1 非典型高液限土的粒径级配曲线 f i g2 - 1t h ec u r v eo f p a r t i c l es i z ed h t h b u f i o n 从图2 - i 可以看出粒径大( 粒径 o 0 7 4 唧d 的粗颗粒占的比率很小，仅占8 5 4 ，主 要的成分是粘粒和胶粒( 粒径 o 0 0 5 m m ) ，占5 1 ，根据粘粒和胶粒的性质可知该土应该 具有较强的粘性和可塑性，透水性较差，其性质随含水量的变化有较大变化。 2 2 2 化学组成分析 土中元素的全量化学分析的粘土矿物鉴定主要是借助某些元素的氧化物含量和比 例来判别粘土矿物，或验证其它试验鉴定结果。采用公路土工试验规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 的相关规定方法对土样进行化学分析，试验结果如表2 3 所示。 表2 - 3 矿物组成化学分析 t a b2 - 3t h em i n e r a lc o m p o s i t i o na n a | y s i so fh i g hl i m i tl i q u i ds o i l( 单位：) 从表2 3 可以看出，s i 0 2 含量占全部化学成分的一半以上，a 1 2 0 3 含量也特别高， 占了3 3 9 8 。由于高岭土、埃洛石中含a 1 2 0 3 较多，所以矿物中必定存在大量的高岭土、 埃洛石。在粘土中典型的矿物均对应一定范围的硅铝分子比率，内容如表2 - 4 。 表2 4 典型矿物硅铝分子比率 t a b2 - 4t h ep r o p o r t i o no f s it o a io f s p e c i a lm i n e r a lc o m p o s i t i o n 1 0 o 。加如帅如仰如如如 广西大学硕士学位论文多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 对于研艽的非典型两液限土的硅铝分子比率计算如f ： s i o ：分子比= s i 0 2 o ，分子量= 5 7 j = o 0 0 9 5 3 灿2 0 3 分子比= a 1 2 0 3 。，o ，分子量= 3 3 9 8 1 0 2 = o 0 0 3 3 3 雕2 0 ，分子比率= s i 0 2 分子1 2 0 3 分子比= 0 0 0 9 5 3 0 0 0 3 3 3 = 2 8 6 从上面计算和表2 4 可以看出硅铝分子比率在高岭石和伊利石之间，高岭石和伊利 石均有吸水膨胀的特性，所以该土的水稳定性差且有一定的吸水后膨胀。由于化学组成 分析只能从侧面判断矿物组成，真实的矿物不能直接反映出来，如果要知道具体的矿物 组成就耍进行x 射线进行分析。 2 2 3 矿物组成分析 粘土矿物相对百分含量，可用鉴定粘土矿物的x 射线衍射图谱来测定。粘土矿物相 对百分含量常随地区而变化，这取决于它在沉积过程中的周围环境。用仪器d m a x r a 型x 射线仪对非典型高液限土进行分析，结果如图2 - 2 。 ，j 。 一一止l jj 1 一l 一 图2 - 2 高液限土的x 射线衍射图 f 豫2 - 2a n a l y s i so f x - r a y sd i f f r a c t i o n 从图2 - 2 中可以看出该土的主要成份是石英( s i 0 9 、高岭石( a i s i 2 0 5 ( o h ) 4 ) 、埃洛石 ( 多水高岭石) 和带云母( k l i m 9 2 s i 4 0 1 0 f 2 ) 。 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 2 3 高液限土的力学性质试验 2 3 1 击实试验 对于一般的土来说，公路路基的填筑要求变形越小越好，这样才能保证路面不至于 过早的破坏，保证路面的平整，因而同一种土来说，填筑的干密度越大越好。击实试验 就是模拟施工现场压实条件采用锤击方法使土体的密度增加、强度提高，沉i 绛变小的一 种试验方法。土在一定的击实效应下，如果击实含水量不同，则所得到的密度也不同， 击实的目的就是测定试样在一定击实次数下或某种压实功能下的含水量与干密度之间 的关系，从而确定土的最大干密度和最优含水量，为施工控制填筑提供设计依据。按公 路土工试验规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 的具体要求进行试验，具体的步骤如下：先将土风干 然后测定含水量，按公式计算制备五个不同含水量的试样，含水量依次相差2 。然后 进行重型击实，分三层，每层9 8 击。试验结果见图2 3 所示。 由图2 - 3 可以看出，该土样的最优含水量是1 9 7 ，最大干密度是1 6 7 9 c m 3 。 萼l 6 6 鍪。6 4 2 3 2 直剪试验 1 41 61 82 02 22 4 含水量( ) 图2 - 3 含水量与于密度的关系曲线 f i 9 2 - 3 t h e e a r v e o f t h e d r y d e n s i y u n d e r t h e d i f f e r e n t w a t e r c o n t e n t 分别先按1 8 、2 0 0 、2 2 、2 4 配制含水量，焖料让土体含水量均匀后制样进行 直剪试验。直剪所得的数据如下表2 - 5 和图2 4 ： 表2 - 5 不同含水量情况抗剪强度指标 t a b2 - 5t h ed i r e c ts h e a rs t r e n g t hu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t 广西大学硕士学住论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 勺 生 一 r 舔 粲 题 一 摆 爨 撞 1 6 1 8 2 0 2 2 9 62 4 2 6 含水量 图2 4 抗剪强度随含水量的变化衄线 f i g2 - 3t h ec u l eo f t h ed i r e c ts h e a rs t r e n g t hu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t 从图2 - 3 中可以看出含水量与粘聚力的关系并非线性关系，总体来说，粘聚力随含 水量的增大而减小。当粘土的含水量大于2 0 时，粘聚力和内摩擦角随含水量变化而变 化的值相对比较平稳；当粘土的含水量小于2 0 时，粘聚力和摩擦角随含水量变化而变 化的值相差比较明显。土体的稳定性是土的强度所决定的，土的强度又随含水量有关切 的关系，所以在进行高液限的路基稳定性分析含水量的影响是必须考虑的。 2 3 3 承载比试验 美国材料试验协会( a s t m ) 标准 c b r 标准试验方法( d 1 9 3 - 9 3 ) 指出承载比 ( c b r ) 试验的目的是用于评估公路基层、底基层及垫层材料的潜在强度，它是路面设 计方法的一个重要组成部分。近年来，随着高速公路的蓬勃发展，对路基填料提出了 更为严格的要求，交通部门已将c b r 作为路基填料强度指标控制参数和路基填料选择 的依据，并与压实度一起作为路基施工质量控制的指标咖。 对所取的土按公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) 的要求在最优含水量2 0 进行 c b r 试验，据试验记录绘制图2 6 ： 踮沥加巧m 0 o 加加o 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 善 棚 一 孵 0 1 0 02 0 03 0 0 单位压力( k p n ) 4 0 05 0 0 图2 - 5 单位压力与贯入量的关系曲线 f i g2 - 5r e l a t i o nb e t w e e np e n e t r a t i o nd i s t a n c ea n dr e s i s t a n c ep e ru n i t e 从图2 - 5 可以看出，随贯入杆贯入量的增加作用在贯入杆上的单位压力线性增加， 根据c b r 的计算公式可以分别计算出c b r 2 5 = 1 3 2 、c b r 5 o = 1 8 1 ，浸泡4 天后 的膨胀量为9 7 1 m m ，线膨胀率为8 1 ，吸水量为4 5 0 9 。 根据公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 路床土最小强度应满足表2 - 6 的要求。 表2 - 6 路床土最小强度( c b r ) 要求 t a b2 - 6t h em i n i m u mc b ro fr o a d b e d 显而易见，该土样不满足路床土强度的要求，同时该土的线膨胀率也很大，很难保 证路基的稳定性。 在本章中，我们将南宁市友爱路的高液限土进行了一系列的室内试验，对高液限土 的工程性质进行了研究。试验表明南宁市友爱路的高液限土的天然含水量高，渗透性小， 且土体遇水有一定的膨胀量。这些均与土体的矿物组成和胶粒占的比例有密切的关系。 矿物组成可以看出土中主要是高岭石，从颗粒分析试验可以看出胶粒占的比例比较大， 1 4 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 一般胶粒所占比例越大塑性指数也就越大，渗透性也就越小，遇水强度也就变化越大， 直剪试验、承载比试验也就证明了这一点。c b r 值对于我国南方多雨地区路基水稳定性 是一个非常重要的设计指标。试验证明c b r 值均小于3 o ，该土的长期水稳定性极差， 不能得直接用于路基填筑。 广西大学硕士学位论文多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 3 1 概述 第三章高液限土路基填筑方法试验研究 影响南方多雨地区路基质量有两个因素：强度和水稳定性。加州承载比c b r 是国 际上普遍认同在公路工程中广泛使用的一个性能指标，它是评价路基土强度和稳定性的 主要依据之一【3 2 】。c b r 值是反映在贯入试验之后，试件中部分土体与整体之间产生相 对位移时，在滑动面上所产生的抗剪切特性的表征，它反映的是土壤材料潜在强度。所 谓的“潜在强度”就是指土壤的抗局部剪切力强度，反映到公路路基上则是指路基的抗 剪切的能力1 3 3 1 。在c b r 试验的同时还能计算出土的膨胀量，可以从另一方面来反映路 基的稳定性。所以本文对高液限土的长期水稳定试验研究均围绕c b r 试验进行的。 想提高高液限土的长期水稳定性，就必须提高c b r 的值。那研究的c b r 值和那些 因素有关系呢? 具体分析如下： 与击实能有关 公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) 的条文说明1 8 0 7 可以看出c b r 的值随击实 次数的增加而增加，也就是说当击实能在一定范围内增加c b r 的值随击实能的增加而 增加的。对于高液限土，可以试图在常规击实能的基础上增加击实能从而提高高液限土 路基的水稳定性。 与含水量有关 从前面的直剪试验可知，高液限土在水浸泡前的抗剪强度随土体含水量的增加而减 小；另一方面击实含水量和压实度有一定的关系，击实含水量太小或太大时，压实度均 不能达到最大，只有击实含水量处于最优含水量时土体的压实度才能达到最大；而压实 度与c b r 也存在一定的相关性，已有试验证实，粘土的c b r 强度随压实度的增大而显 著增大，基本呈指数关系田1 例。所以可以说在被水浸泡前土样的击实含水量对于c b r 有一定的影响。施工时为了压实路基肯定采用最优含水量对之进行压实，而这样压实的 土体最终还是处于某一特定的环境，它的含水量是由周围的环境所决定的。也就是说路 基的运行时的含水量和压实最优含水量是不同的。试验表明，该土样的最优含水量是 1 6 广西大学硕士学位论文 多雨地区高液限土路基填筑方法试验研究 1 9 7 ，而天然含水量是2 8 ，明显大于最优含水量。而对于和大气接触的表层土体来 说受大气影响含水量变化就更大了，又由于这类土具有遇水膨胀，脱水收缩的特征，所 以这样花费大量资金和时间修筑的路基虽说压实度满足了规范的要求但同样很容易破 坏。由公路土工试验规程( j t j0 5 1 固3 ) 的条文说明1 8 0 4 可以看出土体处于长期浸 泡的作用下时将使土体处于最不利状态。由此可以看出含水量对土的稳定性影响很大， 而对于击实含水量对于长期水作用下的高液限水稳定性的研究基本没有涉及。 与土料的颗粒尺寸、颗粒组成、矿物组成有关 土料的尺寸越大，c b r 的变化幅度就越大。颗粒组成的粘粒越多，粘聚力愈大而内 摩擦角就愈小，颗粒组成的粘粒越少，粘聚力愈小而内摩擦角就愈大。矿物组成中含水 稳定差的矿物( 如蒙脱石) 越多，水稳定性越差