福建高液限土填筑路基成套技术研究

1、福建高液限土填筑路基成套技术研究 福建省交通科学技术研究所福建省交通科学技术研究所福建利用高液限土情况1996年泉厦高速公路K10+514K13+000（现K399+800起往厦门）含砂高液限粘土填筑；-高塑性土;20012003年京福高速公路、漳龙高速公路漳州段A2、A3合同段（现K11+000K38+000）高液限土填筑，约80万方；厦门集美大道K2+500K3+100含砂高液限粘土填筑，约24万方；浦南高速公路C1、C2合同段高液限粉土填筑，约20万方。武邵高速公路A1、A4合同段含砂高液限粉土填筑，正在施工中。泉厦高速高液限土路基（1996年施工）泉厦高速高液限土路基对应的路面浦南高速

2、公路C合同段高液限土路基武邵高速A1合同段高液限土填筑现场目的与意义福建省地处东南沿海，各地遍布高液限花岗岩类残积土，该土天然含水量大，液限高，塑性指数大，水稳定性差，属于特殊土质，不得直接用于路基填筑。 弃方换填和改良是传统处理高液限土的两种方法，费用大，不利于环保。 课题研究高液限土路用性能，寻找其最佳状态，满足工程应用。研究主要内容（1）高液限土路用性能研究；（2）高液限土填筑路基试验研究；（3）高液限土填筑路基施工技术指南；（4）社会、经济效益分析。高液限土路用性能研究概论高液限土分类高液限土分类（1）土颗粒组成特征；（2）土的塑性指标：液限（L）、塑限（P）和塑性指数（IP）；（3）

3、土中有机质存在情况。 高液限粗粒土高液限细粒土 粘土质砂（SC）或粉土质砂（SM）高液限土分类高液限土分类液限液限L塑性指数塑性指数IP粗粒组组成粗粒组组成土代号土代号土名称土名称L50Ip0.73（L-20）粗粒组25%CH高液限粘土25%粗粒组50%，且砂粒砾粒CHS含砂高液限粘土25%粗粒组50%，且砂粒砾粒CHG含砾高液限粘土Ip0.73（L-20）粗粒组25%MH高液限粉土25%粗粒组50%，且砂粒砾粒MHS含砂高液限粉土25%粗粒组50%，且砂粒砾粒MHG含砾高液限粉土高液限土分类有机质土有机质土液限液限L塑性指数塑性指数IP土代号土代号土名称土名称若土样烘烤24h后，液限小于烘烤

4、前的3/4L50Ip0.73（L-20）CHO有机质高液限粘土Ip0.73（L-20）MHO有机质高液限粉土高液限土工程危害路堤病害 路基沉降、路肩坍塌及纵裂、边坡失稳路堑病害 剥落、冲蚀、泥流、溜塌、坍滑、滑坡路面土基病害 唧浆破坏、不均匀沉降，路面波浪变形高液限土工程性质高液限土工程性质物理性质（）天然含水率高，一般情况下接近于塑限；（）液限、塑限和塑性指数都很高；（）天然饱和度较大；（）天然孔隙比大，密度小，孔隙比一般大于；（）颗粒细而均匀，粘粒含量（粒径小于的颗粒含量）较高，具有高分散性；（）有机质含量一般较小；（）保水性能好。高液限土工程性质高液限土工程性质力学性质（1）击实特性 相

5、对常规土，高液限土最大干密度较小，最佳含水率较大，这与高液限土细颗粒含量较大有关。随着粗颗粒含量的增大，有效改善高液限土结构，最大干密度增大，最佳含水率相应减小。（）压缩性和膨胀性 中等或中等偏低的压缩性土，相对其收缩性，其膨胀性能更不明显，弱膨胀土。（）CBR值高液限土路用性能研究高液限土路用性能研究CBR值影响因素 母岩性质、含水率、击实功、干密度、饱和度、液塑限、颗粒组成浦南高速公路C2合同段四种土样，根据各高液限土天然含水率和实际粘稠情况，拟定45种含水率，不同击实功（398、370、356、342、328）分别进行击实制样，测其泡水膨胀量、CBR值，并计算其饱和度、相对于重型击实的密

6、实度等指标CBR值与含水率合理含水率高液限土CBR值存在一个峰值区，其对应的含水率称为“合理含水率”范围大约在22%30%，比其重型击实下最佳含水率大5%8%。与常规土最佳含水率对应下的CBR值为最大不同，高液限土对应于重型击实下最佳含水率的CBR值相对较小，有的甚至达不到要求，而在合理含水量范围内对应CBR值则相当大，与常规土无异。因此，必须控制高液限土含水率在其合理含水率范围内，才可用于路基填筑。最合理含水率R与液限LLRRLCBR值与击实功值与击实功CBR值与击实功值与击实功与常规土类似，只要含水率合适，即只要含水率在合理含水率范围内，高液限土的CBR值随击实功增大而增大，且对应最合理含

7、水率时，该趋势最为明显。若击实功不足或偏小，其CBR值减小趋势明显，甚至达不到要求的强度。因此，填筑高液限土不仅必须控制其含水率在最合理含水率范围内，而且需通过较大的碾压功才能压实路基土，保证其强度要求。若含水率超出合理含水率范围，CBR值与击实功关系不太明显，有可能增大，也有可能减小。CBR值与饱和度值与饱和度饱和度与含水率饱和度与含水率CBR值与饱和度值与饱和度随着饱和度的增加，CBR值增加，饱和度增加至约93%后，CBR值锐减，这说明，高液限土需保持一定的水分，一定的饱和度，其强度值才大。随着含水量增加，接近饱和土样，部分土颗粒处于漂浮状态，颗粒骨架严重受损，强度值骤降。峰值CBR对应饱

8、和度所对应的含水率与合理含水率范围一致。饱和度与压实度饱和度为水占土体中孔隙体积的百分比，有两个因素可促使土体饱和度增大，一则，通过增大含水率，乃至真空抽吸饱水，饱和度达到100%；二者，含水率一定时，通过外力作用，将土孔隙中的空气排出，饱和度增加，直至孔隙中无空气存在，饱和度达到100%。前者一般在试验室内模拟最不利环境时制样使用，后者对路基现场碾压有很强的指导意义饱和度与压实度对于含水率较小的土体，由于土颗粒之间搭接的孔隙多为空气所占领，即使压实到重型击实下的最大干密度，其饱和度也较小，一般在80%以下；而对于含水率较高，如超过32%以上的路基土，由于水为孔隙中的主导者，则很容易通过碾压或

9、击实将不多的空气挤排出，达到很高的饱和度。所以，饱和度在含水率合适的范围内能反映土体被压实的程度。CBR值与干密度值与干密度CBR值与干密度值与干密度合理含水率范围内的土样，随着干密度的增加，其CBR值相应增加。若含水率超出此范围，CBR与干密度之间的关系则反常、扭曲，特别在含水率较大的时候扭曲愈加严重。合理含水率范围内，是需要通过提高密度亦即增加压实度来提高路基土的强度的。干密度与击实功干密度与击实功CBR与干密度、击实功与干密度、击实功在合理含水率范围内，随着击实功的增大，干密度增加较明显，若击实功不足，密度达不到一定的值，相应CBR值则达不到要求。在含水率较大的情况下，增大击实功对提高土

10、样密实度帮助不大。因此，控制好合理含水率对提高高液限土密度，保证其CBR值至关重要。CBR值与液塑限值与液塑限重型击实重型击实CBR值与颗粒组成值与颗粒组成四种土样四种土样CBR值与颗粒组成值与颗粒组成高液限粗粒土对于一些液限大于50%，但其粗粒组含量（）超过50%的土为粗粒土，其细粒组含量虽然较多，占总质量的5%15%，但从土的工程分类和命名来看，已为粗粒土，其重型击实下的最大干密度较大，最佳含水率较小，但CBR值有大有小，其性质居于高液限细粒土和常规粗粒土之间。所以，对这些液限大于50%的粘土质砂SC或粉土质砂SM，也要验证其CBR值在符合要求的情况下，才可按常规土方法进行填筑。福建省高速

11、公路路基施工标准化指南对此有明确规定规定：对液限大于50，塑性指数大于26的土，不得作为94、96区填料，当其粗颗粒含量大于50%，且CBR指标大于3时，可直接作为路基93区填料。土水特征=(a-)+基质吸力指通过量测与土中水处于平衡的部分蒸汽压而确定的等值吸力，而渗透吸力则通过量测与溶液处于平衡的部分蒸汽压而确定的等值吸力。非饱和土的初始含水率同基质吸力有直接的关系，而渗透吸力对含水率的变化则不太敏感，因此，总吸力的变化主要反映了基质吸力的变化。当外界环境与荷载发生变化时，土中的含水率发生变化，其总吸力（主要是基质吸力）也发生变化。绘制含水率与基质吸力的变化曲线就是非饱和土的土水特征曲线。基

12、质吸力试验高液限土土水特征曲线高液限土土水特征曲线组别组别土样编号土样编号湿密度湿密度（g/cm3 3）含水率含水率（%）比重比重Gs s干密度干密度d d(g/cm(g/cm3 3) )孔隙比孔隙比e孔隙率孔隙率n（%）饱和度饱和度Sr r（%）第1组0619-3-1#1.934 15.82.809 1.670.68240.5 65.1 0619-3-2#1.871 23.12.809 1.520.84845.9 76.5 0619-3-3#1.873 33.82.809 1.401.00650.2 94.3 第2组0927#即AY(2007)-0082.066 13.52.690 1.82

13、0.47832.3 76.0 0619-3#1.873 29.22.8091.450.93748.4 87.5 0620-3#1.856 28.92.766 1.440.92147.9 86.8 含水率与基质吸力关系曲线体积含水率与基质吸力关系曲线饱和度与基质吸力关系曲线成果分析同种土样、不同状态试样的土水特征曲线形状基本相同，饱和度与基质吸力关系曲线基本重合，说明高液限土强度与含水率直接相关，与干密度关系不大。但在含水率一样的情况下，干密度越小的土样，其孔隙比越大，初始含水率越高，其曲线的位置也越靠上，说明干密度越大，其持水能力越弱，强度则越大。成果分析 不同种类土样，其土水特征曲线的形状存

14、在明显差异，相同吸力控制条件下的实际排水量也各不相同，反映出不同土样类型，由于矿物组成、颗粒大小、颗粒级配不同，其对水分的吸持能力也不相同。试验后土样成果分析0620-3#土样出现明显的失水干缩开裂特征，而0619-3、0927#土样在800kPa基质吸力控制条件下，未发生明显干缩变形。基质吸力与含水率关系成果分析高液限土基质吸力与含水率关系密切，随着含水率的增加，基质吸力减小，直至消失。从大到小变化过程中存在一个拐点，小于拐点含水率其基质吸力大，对含水率的变化变现得非常敏感；大于则很小，且变化的幅度减缓许多。比拐点含水率高的状态，其基质吸力很小，一般小于100kPa，土的强度很小，工程上应避

15、免出现这种状态。拐点含水率与初始含水率相关，初始含水率高，其拐点含水率高。对同种高液限土，随着密度增大（压实度增加），孔隙比减小，其拐点含水率减小。低液限土基质吸力与含水率关系成果分析与低液限土土水特征曲线相比，高液限土持水能力要大，不易失水，但其大于拐点含水率到基质吸力消失对应的含水率范围要小得多，可利用的含水率范围也要小得多，意味着其水稳性不好，遇水强度消失很快。粘土质砂0927#由于颗粒粗，其性质介于高液限土与常规土之间。可充分利用高液限土持水能力强特点，将多余的土用于中间分隔带和边坡的绿化工程，提高植物的成活度。体变研究体变研究CBR膨胀量试验膨胀量试验膨胀规律随着含水率增加，膨胀量减

16、小。以最佳含水率制件的试件，其膨胀量相对较高，以合理含水率制件的试件，其CBR膨胀量大都小于3%，含水率大于30%制件，尽管膨胀量很小，趋于零，但却不利于现场施工。膨胀量随击实功增加而减小，未压实的土样，其膨胀量较大，在合理含水率范围内，变化的幅度还更大一些，所以，对现场施工，应碾压密实，减小变形。路基填料土膨胀性工程特性分类分类分类0.002mm粘粒含量粘粒含量(%)自由膨胀率自由膨胀率(%)CBR膨胀量膨胀量(%)强膨胀土509013中等膨胀土35506590813弱膨胀土35406558高液限土总体膨胀量较小，属于非膨胀土。在合理含水率范围内，试件膨胀率大都小于3%，属于非膨胀土。若在含

17、水率较低、非重型击实情况下制件，有的试件膨胀量超过5%，进入弱膨胀土范畴内，这与西南碳酸盐岩的高液限土膨胀性差别较大。干湿循环体变干湿循环体变膨胀量与时间关系含水率与时间关系饱和度与时间关系干湿循环体变干湿循环体变从含水率和饱和度时间历程变化曲线来看，其泡水、风干过程含水率和饱和度变化基本可逆。即高液限土失水后，若遇水能重新饱和，再风干则失水，降低饱和度的过程与前段基本相似。自然界中的高液限土能适应雨水或干旱季节变化，与外界大气达成平衡，雨季饱和，旱季失水。干湿循环体变干湿循环体变从变形时间历程来看，其过程复杂得多，0619-1、0620-3变形不可逆现象非常明显，再次饱水膨胀后已恢复不到最初

18、状态，且呈明显的收缩变形趋势。0619-3尽管初始含水率、密实度不同，但其变形过程却基本可逆，总体略呈膨胀趋势。变形如此不同，盖与高液限土所含的矿物质不一样有关。干湿循环体变干湿循环体变与土水特征试验相比较可以看出，两个试验都反映出0620-3失水收缩变形大，出现干裂；而0619-3持水能力强，变形不大，且变形基本可逆。与膨胀率相比较，高液限土的收缩率值更大，工程上与此结论相对应的现象是：碾压好的高液限土路基，雨天几乎未见隆起膨胀破坏，而在晴天则出现许多细小的裂缝，随着水分增发，裂缝越来越大。因此，碾压好的高液限土不能长时间暴露。高液限土填筑路基技术研究高液限土填筑路基技术研究高液限土最佳状态

19、及室内寻找高液限土最佳状态及室内寻找1、常规土工试验、常规土工试验2、合理含水率确定、合理含水率确定 RL 前后4%5%为合理含水率范围 3、浸水浸水CBR强度和合理含水率验证强度和合理含水率验证4、室内控制指标确定、室内控制指标确定现场施工及施工质量控制现场施工及施工质量控制施工前准备施工前准备1、时间选择2、室内试验3、工作面4、填筑地准备5、翻晒设备到位中型旋耕机中型旋耕机试验路填筑试验路填筑在一块试验地划分24块，每块不小于20m50m。先上土堆晒，等土堆表面干燥变白，用推土机大致推平，继续晾晒至花白，中间采用旋耕机翻晒3遍左右，使现场含水率降至合理含水率范围内，开始静压1遍初平，然后

20、用平地机刮平，采用拟定的静压、静压+小振、静压+大振、不同碾压遍数组合进行碾压、比较。现场检测含水率、干密度，计算饱和度，判定其是否符合室内试验结果，并比较各碾压工艺之间的区别及其效果，修正室内控制指标，确定最终采用工艺。现场施工与控制现场施工与控制合理含水率干密度饱和度压实度注意事项工后观测工后观测沉降观测弯沉检测结 论根据土的颗粒组成，高液限土可分为高液限粘土（CH）、含砂高液限粘土（CHS）、含砾高液限粘土（CHG）、高液限粉土（MH）、含砂高液限粉土（MHS）、含砾高液限粉土（MHG）；根据有机质存在情况，又可分为有机质高液限粘土（CHO）和有机质高液限粉土（MHO）。由于高液限土液限高，细颗粒含量大，干缩湿胀，水稳性能差，若不处理好，将引起路基沉降、边坡滑塌等病害，从而影响其正常使用。高液限土浸水CBR值影响因素多且复杂，包括矿物组成、颗粒级配、含水率、击实功、干密度、饱和度等，各因素单独影响CBR值，又相互交叉起作用。结 论