3. 不良土质填筑路基技术报告-山东大学

不良土质填筑路基技术及路用性能研究研究技术报告山东省交通运输厅公路局山东大学中国铁建大桥工程局集团有限公司德商高速公路路桥一标项目经理部二O一七年四月

目录第一章绪论 51.1研究的目的及意义 51.2国内外研究现状 61.2.1矿物组成 61.2.2高液限粘土的强度和变形特性 81.2.3高液限粘土的施工控制标准 101.2.4高液限粘土的改性 131.3研究的主要内容及创新点 171.3.1研究内容及技术路线 171.3.2创新点 18第二章湖淤积高液限粘土基本物理力学特性研究 192.1黄泛区湖淤积高液限粘土的成因 192.2湖淤积高液限粘土的矿物成分 202.2.1概述 202.2.2X射线衍射分析 202.3湖淤积高液限粘土的颗粒分析 222.3.1试验结果及分析 222.4黄泛区粉粒的微观结构 252.5湖淤积高液限粘土的液塑限试验 272.6烧失量的测定 292.7压实特性 302.7.1试验现象及结果 302.7.2试验结果分析 322.8CBR值特性 332.8.1试验现象及结果 352.8.2试验结果分析 372.9压缩指标 382.10本章小结 40第三章湖淤积高液限粘土强度与模量特性 413.1湖淤积高液限粘土的强度特性 413.1.1概述 413.1.2试验工况 413.1.3试验结果及分析 433.2湖淤积高液限粘土的回弹模量研究 703.3本章小结 74第四章湖淤积高液限粘土路基室内模型试验 764.1试验目的 764.2试验方案 764.3未加地下水路基试验结果 804.3.1路基应力 804.3.2路基变形 844.3.3地基反应模量 874.3.4路基回弹模量 894.3.5路基弯沉 924.3.6路基CBR 924.4加地下水路基试验结果 964.4.1浸水前后路基含水率变化 964.4.2路基应力 974.5本章小结 99第五章湖淤积高液限粘土的改性研究 1015.1石灰改性研究 1015.1.1试验现象 1015.1.2试验结果 1025.1.3试验分析 1035.2粉煤灰改性研究 1035.3石灰与粉煤灰改性 1055.3.1试验现象 1055.3.2试验结果 1065.4改性效果分析 1075.5本章小结 109第六章湖淤积高液限粘土路基压实现场试验 1106.1工程概况 1106.2现场实验目的及要求 1106.3试验段概述 1106.3.1试验段地点 1106.3.2主要施工里程 1116.3.3主要试验数据 1116.3.4主要检测方法 1116.3.5试验段设备 1116.4主要施工工艺 1126.4.1降水 1126.4.2甩土 1126.4.3排水 1136.4.4取土 1136.4.5翻晒 1136.4.6平整、封面 1146.4.7现场粉碎与碾压设备及工艺 1146.4.8试验检测 1156.5现场施工试验 1156.5.1MRK44+178--MRK44+535段 1156.5.2MRK44+178--MRK44+535段追加试验 1176.5.3MRK45+228--K45+600段 1196.5.4K49+550--K49+750段 1206.5.5MRK46+525—MRK46+780段 1236.5.6AK0+150—AK0+300段 1246.6灰土改性路床 1256.7现场沉降监测 1266.8现场试验总结 129第七章高液限粘土动力特性 1317.1试验方案 1317.2试验结果 1337.2.1长期动变形 1337.2.2短期动变形 1377.3静回弹模量 1407.4动回弹模量预估模型 1437.5结论 145第八章结论 1468.1黄泛区高液限粘土的基本物理力学特性 1468.2黄泛区高液限粘土的路用性能 1468.3黄泛区高液限粘土的碾压控制指标 1478.4课题继续深入的方向 148参考文献 149第一章绪论1.1研究的目的及意义高液限粘土指粒径在0.075mm以下的细粒含量超过50％、液限大于50％、塑性指数大于26的粘性土[1]。在山东省鲁西南和鲁西北地区，交通密集，高速公路和高速铁路网发达，大量分布着黄河冲淤积形成的湖淤积高液限粘土，如图1.1所示。该类高液限粘土含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物，粘粒及粉粒含量高。这两个特点决定了该类土具有较大的可塑性、粘滞性、弱膨胀性；其天然含水量高，不易晾晒，虽有发达的毛细孔，透水性却很差，易吸水且能长时间保持水分，吸水后承载力小、稳定性差[2]-[7]。《公路路基设计规范》[8]和《公路路基施工技术规范》[9]规定：液限大于50％，塑性指数大于26，CBR值小于8％的土不能直接用于路基填筑，要求按废弃或掺外加剂改性处理。由于该地层分布于河湖相洼地且渗透系数小，天然含水率高，难以晾晒至最佳含水率±2%的范围，达不到规范要求的压实度。且其他土类取土困难，若弃之不用，将造成巨大的经济损失和环境问题。图SEQ图\*ARABIC1.1山东境内黄泛区分布图由于土的成因、颗粒组成的复杂性，黄泛区高液限粘土的路基填筑在执行现行规范与参照国内外的研究成果时遇到技术难题。研究项目依托济徐高速公路的东平至济宁段和德商高速的夏津段，两高速穿越区域属黄泛区冲淤积地貌。通过室内物理力学试验、现场试验路、室内试槽模拟与工程实体验证，揭示其强度、变形与压实性状，确定现场碾压技术与压实质量控制标准与经济改性技术，探究适宜于该类土压实控制指标压实的路基工作期的稳定性成为研究解决的关键问题。1.2国内外研究现状高液限粘土广泛分布于北纬60°至南纬50°之间的40多个国家和地区，横穿赤道跨南北两大半球，遍及六大洲。我国是高液限粘土分布最广的国家之一，尤其是在长江与黄河的中下游，以及南部沿海和西南地区，高液限粘土最为发育，分布最为广泛[10]-[14]。从上个世纪开始，高液限粘土作为一种不良土质，其工程问题开始被国内外的工程与学术界所关注，关于其自身物理与力学性质及工程应用特性的研究陆续展开，并取得了一系列进展。主要集中在以下几个方面：（1）高液限粘土的物质组成、结构等物理状态与性质的研究；（2）高液限粘土的压实特性、水稳定性、抗剪性状、压缩固结特性等力学性质的研究；（3）高液限粘土的施工控制标准研究；（4）高液限粘土的改性方法及其工程应用研究。1.2.1矿物组成土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用侧。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒土的矿物成分尤为重要。漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是岩石的碎屑，它们的矿物成分与母岩相同。砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如石英、长石和云母等。其中石英的抗风化能力强，在砂粒中尤为多见。粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英等难溶岩的颗粒。粘粒的矿物成分出要是粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶岩类(如碳酸钙等)，他们都是次生矿物。粘土矿物的颗粒很微小，在电子显微镜下观察到的形状为鳞片状或片状，经X射线分析证明其内部具有层状晶体构造。粘土矿物基本上是由两种原子层(称为晶片)构成的。一种是硅氧晶片，它的基本单元是Si-O四面体；另一种是铝氢氧晶片，它的基本单元是Al-OH八面体。由于晶片结合的情况不同，便形成了具有不同性质的各种粘土矿物。其中主要是蒙脱石、伊里石和高岭石三类。蒙脱石是化学风化的初期产物，其结构单元(晶胞)是两层硅氧晶片之间夹一层铝氢氧晶片所组成。由于晶胞的两个面都是氧原子，其间没有氢键，因此联结很弱，水分子可以进入晶胞之间，从而改变晶胞之间的距离，甚至达到完全分散到单晶胞为止。因此当土中蒙脱石含量较大时，则具有较大的吸水膨胀和缩水收缩的特性。伊里石的结构单元类似于蒙脱石，所不同的是四面体的可以被、所取代，因而在相邻晶胞间将出现若干一价正离子(K十)以补偿晶胞中正电荷的不足。所以伊里石的结晶构造没有蒙脱石那样活动，其亲水性不如蒙脱石。高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成的晶胞。高岭石的矿物就是由若干重叠的晶胞构成的氧基之间的氢键，它具有较强的联结力，因此晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入，因此它的亲水性比伊里石还小。欧钊元[1]指出，山东境内黄泛区高液限粘土在水利工程中称为“裂隙粘土”，并对裂隙粘土有如下定义：是在黄河下游冲击平原区分布的，黄河泛滥最后在积水洼地静水静水环境下沉积的棕褐色、暗褐色、淡棕红色等裂隙发育的高液限粘土。其液限一般超过40%，属于第四系全新统冲积堆积物，其堆积时间短、估计程度低，具有高含水率、低干密度和高压缩性，同时还具有一定的分散性、胀缩性、软化性、不易压实性和中等透水性等特征。并指出裂隙粘土形成必须具备两个条件：一是沉积环境条件，即黄河泛滥后能形成较稳定的静水环境—积水洼地；二是具备产生裂隙的条件，即能暴露出地表失水收缩，形成裂隙。其粘土矿物成分如下，伊利石（44.8%），伊利石-绿泥石混层矿物（20.8%），高岭石（16%），蛭石（10.2%），绿泥石（5.2%），蒙脱石（0.8%），石英（2.2%）。商庆森等[15]研究了山东省东营、聊城黄河冲淤积平原区的地层组合，如图1.2，开挖断面、钻探取芯，进行土样的化学成分全分析、矿物成分差热分析、颗粒电镜分析，发现伊利石和蒙脱石含量占粘土矿物总量的79%，其次为绿泥石、高岭石。图1.2山东省平原区全新世岩相古地理图1.2.2高液限粘土的强度和变形特性岩土工程实践中，对非饱和土的关注越来越多，这对路基填筑土而言尤为重要。非饱和土具有三相组成，与孔隙气压力相比，孔隙水压力通常为负值。位于较干燥环境中，靠近地表的土，通常都存在负的孔隙水压力使其有可能继续变干。经过开挖、重塑和再压实的土，一般都是非饱和土。非饱和土的性状很难用经典土力学的概念解释。非饱和土的物理性能及工程性能受气候影响严重。地面的水分蒸发和植物的蒸腾作用使土体水分逸出，而降雨和其他形式的渗水造成土体中向下的流量。因此，土中的孔隙水压力主要取决于土体中上下渗流的的流量差，受地下水位高低的影响。向上净流量会使土体逐渐变干，相反，向下净流量使土体趋于饱和。长时间内，降雨与环境的变化会造成土体的干湿循环，从而引起有效应力与基质吸力的变化，使土体产生变形，即土体的收缩与膨胀。在降雨量少的地区，地下水位通常较深。一般认为位于地下水位以上的土处于非饱和状态，具有负孔隙水压力。浸水后，孔隙水压力增大，基质吸力减小，土粒间作用力减小，土体发生膨胀，进而土体的抗剪强度大大降低，常引起滑坡等地质灾害。Bishop[16]提出采用基质吸力来表示由气相和水相作用在水膜上的压力差，并将土的抗剪强度表示为凝聚力、内摩擦角和基质吸力的函数。Fredlund等[17]提出以土水特征曲线来表示基质吸力随含水量的变化关系。国内外学者对各类非饱和土体的土水特征进行了大量试验研究[18-24]，总体而言，土的基质吸力随含水量的增大而单调减小，二者表现为非线性关系。Kim等[25]通过直剪试验研究了低围压下基质吸力对土体抗剪强度的影响，通过将基质吸力当作围压的一部分，来预测不同基质吸力下土体的抗剪强度。林鸿州等[26]通过压力板仪和直剪仪组合试验，研究了基质吸力对土体抗剪强度的影响。林丽萍等[27]通过控制基质吸力的非饱和三轴试验研究了基质吸力变化对非饱和土抗剪强度的影响，研究发现Fredlund非饱和土强度公式适用于非饱和高液限红粘土，其总粘聚力随基质吸力的增加而增大，基质吸力对其内摩擦角影响甚微。闫广天[28]按照“不弃土、不改良”原则，通过室内、室外试验，分析了土的强度、干密度、饱和度、膨胀量与含水率、击实功的关系，据此得到了高液限粘土最佳含水量范围，提出了高液限粘土用于路基填筑的控制标准，即可用含水量及其对应的干密度、压实度和饱和度要求值，为工程施工提供依据。王中文等[29]研究了红粘土的地域特征和红粘土抗剪强度的水敏感性。试验结果表明：红粘土具有高含水率、高液限、高塑性、缩胀性、裂隙性、高孔隙比、低压缩性和“假粉性”等特定，并由水敏性试验提出了临界含水率抗剪强度面的概念，可为实际工程提供参考依据。高液限粘土的力学性质的研究主要集中在CBR强度的研究，不同地区的土的浸水CBR值变化在1%~10%，其他力学性质指标的研究较少。部分研究在高液限粘土的浸水CBR强度满足规范中对路堤CBR最小强度要求的前提下，提出通过控制含水率与击实功，高液限粘土直接填筑路基是可行的。李旭瑞[30]对江西吉莲高速公路沿线的高液限粘土进行了不同压实度下的CBR值、回弹模量、抗剪强度等室内试验研究。研究表明在最佳含水率下，当压实度从90%增加到100%时，其强度随压实度的提高而提高，CBR值从2.5%提高到8%，凝聚力从30kPa增加到44kPa，摩擦角从18°增至40°，回弹模量从20MPa提高到54MPa。刘顺青等[31]对广梧高速沿线的高液限土和红粘土开展了不同含水率下的土体强度试验，发现对于高液限土，其内摩擦角在含水率低于塑限时衰减缓慢，而含水率高于塑限后，内摩擦角快速减小；对于红粘土，粘聚力随含水率的变化同样呈现分段性；同时，由于高液限土表层失水速率比内部快，表层易出现硬壳层。1.2.3高液限粘土的施工控制标准杨世基[32]认为粘性土的碾压含水率应略低于塑限，因为塑限是土处于半固体状态的界限，在此状态下土中无自由水，仅有强、弱结合水，且弱结合水在碾压中起到润滑的作用，土的碾压效果好，易于压实。英国规定路基填料的含水率要低于塑限；美国规定含水率低于塑限的1.2倍，但土料的液限不能高于50%。刘鑫和洪宝宁[33]针对广梧高速河口至平台段的路基施工，对CBR值满足要求且路堤沉降量小于0.3m的高液限粘土直接用于路堤填筑，压实度按88%控制，填筑厚度不宜大于8m，路基整体填筑高度不宜大于12m。对CBR不满足要求的高液限粉土采用改良方法处理后填筑。李莉等[34]在杭（州）衢（州）高速公路柯城段路基填筑中用了5万多方高液限粘土，当对高液限粘土在超过其最佳含水率4%左右进行碾压时，压实度<90%，且碾压次数超过18次后，土体压而不实，出现弹簧现象。后为达到压实度要求，严格控制含水率不超过最佳含水率±2%范围进行碾压，最终压实度达到规范要求。陈礼彪等[35]研究了泉夏高速公路建设中遇到的高塑性粘土，通过压实状态（含水率、击实功）与高塑性粘土稳定强度（CBR值）的分析，探讨了该类土直接用作路基填料的可行性及根据不同含水率状态选择不同标准（轻型、重型控制标准）的施工控制方法。刘江等[36]研究了福建厦门集美大道高液限粘土，其CBR大于3，只适用于下路堤的填筑，且通过最佳压实状态理论给出了该类土不同含水率条件下的最佳压实范围。工程控制指标为：碾压含水率控制在19%~24%（最佳含水率12.6%~15.6%，塑限28%），压实度大于94%（最大干密度为某一含水率条件下的理论最大干密度）。高液限粘土作为路基填料时，根据CBR值选择碾压含水率控制范围及压实度降低幅度。但是降低压实度的方法不一致，大部分工程是根据CBR值情况，将压实度（重型击实标准）直接降低几个百分点；还有就是根据填筑含水率状态选择轻型击实标准或者重型击实标准；再有就是根据填筑含水率计算对应该含水率下的理论最大干密度，将理论最大干密度作为最大干密度计算压实度（重型击实标准）。可见压实度降低方法不一致，且规范中也没有提出合理的建议，所以高液限粘土的压实度控制有待进步研究。谈云志[37]研究了红粘土用于厦门至成都高速公路郴州段的路基填筑，结合CBR值、压缩性、胀缩性、渗透性受含水率及压实度变化的影响规律，提出现场碾压标准为：含水率控制在35%左右（塑限左右），压实度降低2.5%。万智[38]依托郴宁高速十四标中，高液限粘土（红粘土）的填筑情况，指出，高液限粘土的含水率控制在不超过最佳含水率5%（30%左右）的范围内，且在CBR满足要求的前提下压实度可降低2%~3%。并利用非线性准则、塑性大变形理论和空腔膨胀理论对凸块碾碾压粘性细粒土的机理进行了研究，将凸块碾压实土体的范围分为三个区，从内之外分别为：塑性区、损伤区和弹性区。细粒土松铺厚度不超过塑性区半径加凸块碾凸块的长度之和。河南省交通科学技术研究所的孙淑勤等通过比较中、日公路土质路基压实控制方法，阐述了日本的土质路基的压实控制方法：根据土的级配（75um筛通过量）划分控制标准，对75um筛通过量在20%以上的土用空气率Va控制，对75um筛通过量不足20%的土用密度比Dc控制，详细规定见表1.1[39]。表中的密度比法与我国的压实度试验方法相同，与我国方法不同的是空气率法，空气率的计算公式，可由土的三相体组成导出：（1-1）公式1-1改变后：（1-2）式中：Va——空气率，%；——干密度，g/cm3； ——水的密度，g/cm3；ω——土的含水量，%；Gs——土的颗粒密度。也就是说粉性土（≤75um颗粒含量超过20%）路基的压实控制方法采用Va来控制。其它国家的学者对粉性土本身的压实性能研究的甚少，大都集中在压实方法探讨上。表1.1日本土质路基压实标准和控制方法方位类别试验项目标准值压实度施工含水率路床路床上层用孔隙率Va控制的土质标准试验现场试验细粒土的比重试验土的密度和含水量试验-75um≥50%时Va≤8%50%>-75um≥20%时Va≤13%满足规定沉降量的含水率用密度比Dc控制的土质标准试验现场试验土的击实标准试验土的密度及含水量试验-75um<20%时，Dc≥97%路床下层用孔隙率Va控制的土质标准试验现场试验细粒土的比重试验土的密度和含水量试验-75um≥50%时Va≤8%50%>-75um≥20%时，Va≤13%用密度比Dc控制的土质标准试验现场试验土的击实标准试验土的密度及含水量试验-75um<20%时，Dc≥92%路堤路堤上层用孔隙率Va控制的土质标准试验现场试验细粒土的比重试验土的密度和含水量试验-75um≥50%时Va≤8%50%>-75um≥20%时Va≤13%能确保天然含水率或施工机械可通行的含水率用密度比Dc控制的土质标准试验现场试验土的击实标准试验土的密度及含水量试验-75um<20%时Dc≥92%路堤下层用孔隙率Va控制的土质标准试验现场试验细粒土的标准试验土的密度和含水量试验-75um≥50%时Va≤8%50%>-75um≥20%时Va≤13%用密度比Dc控制的土质标准试验现场试验土的击实标准试验土的密度及含水量试验-75um<20%时Dc≥92%美国的Anon[40]论述了强夯法在蒙大拿州际公路上的使用情况。该公路的路基为松散干燥的冲积砂和粉土，厚为20至25英尺。在压实过程中，采用重15t，直径6英尺，下落高度为60英尺的落锤。研究认为，该压实方法对处理有较深沉积的砂和粉土的路基是一种经济有效的方法。Rollins等[41]研究了砂质粉土强夯法施工的最佳含水量。他采用现场试验的方法配制土的含水量范围为6%~20%，压实所用的锤重为4.54吨，落距24.3米。压实效果随含水量的增加而提高，直到含水量大约17%时最大，然后开始降低。Dumas等[42]介绍了饱和粉土和粉砂土采用强夯法施工的工程实例。文中描述了该方法用于改善土基的施工要点。Li和Sego[43]研究了细粒土完整的压实曲线及其力学特性，并量化了压实曲线的形状、尺寸和位置。它可以描述压实曲线从干到湿状态的变化情况，并预测给定土质在不同压实功下的压实曲线族。1.2.4高液限粘土的改性 高液限粘土的压实性能较差，且其强度一般难以满足规范对路基填料的要求，因此常采用改性处理的方法对其压实性、水稳定性及力学性质等进行改善。国内外对高液限粘土的改性研究较多，主要在以下几个方面：（1）砂砾改良。砂砾的掺加直接改变了高液限红粘土的颗粒组成，即增大了粗粒土含量，从而改善红粘土液塑限等物理性质指标，对其压实性能有较大提高，同时可以抑制高液限粘土的开裂。叶琼瑶[44]，刘春原[45]，刘银生等[46]人对高液限粘土的掺加砂砾改良的效果进行了室内及现场研究分析，指出30%左右的砂砾掺量改良效果及经济效益最佳。（2）水泥改良。叶琼瑶[44]等人对高液限粘土的水泥改良研究表明，水泥改良对其强度有较大提高，但是对液塑限指数的降低不明显，且工程拌合较困难。（3）石灰与粉煤灰改性。石灰改性处理高液限粘土应用最为广泛的方法，对其压实性能和强度均有较大改善。叶琼瑶和刘春原等[44,45]对高液限粘土掺加石灰、粉煤灰、二灰的改性效果进行室内及现场试验对比分析表明，粉煤灰对高液限粘土的改性效果较差，外掺4~6%消石灰改性效果较好，可缩短施工周期并保证施工质量。1）石灰土加固机理在土中掺入适当的石灰，并在最佳含水量下压实后，即发生了一系列的物理力学作用，也发生了一系列的化学与物理化学作用。在这一系列作用发生的同时，就形成了石灰土的强度。由于石灰与土之间发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生了根本的改变.在初期，主要表现在土的结团，塑性降低，最佳含水量的增大和最大密实度的减小等.后期变化主要是结晶结构的形成从而提高其强度和稳定性。综合目前国内外对石灰土强度和稳定性的研究成果，可以认为石灰加入土中后，主要发生以下三个作用：=1\*GB3①离子交换作用熟石灰溶于水后易于离解成Ca2+和OH一离子，即:Ca(OH)2→Ca2++2(OH)-在石灰土中，由于一定量水分影响下，其溶液呈现出强碱性，随着Ca2+浓度增大，根据质量作用定律，二价Ca2+离子就能当量替换土粒表面所吸附的一价金属离子。因此在灰土中，土粒表面原来所吸附的Na十、K+等一价离子，即被石灰中的二价Ca2+代替。可知，混合料所用活性氧化钙成分多时，反应就能向右边进行，稳定土的效果就大。其它条件，如土的矿物成分、土吸附的离子、土的酸碱度、水分等也能改变反应的进行速度，甚至改变反应进行的方向。由于Ca2+的结合水膜厚度比土吸附一价碱金属离子(Na`、K`）要薄，并且Ca2+结合水膜受外界水分影响的变化不大;因此Ca2+具有良好的物理力学性能，特别是表现了良好的水稳定性。Ca2+离子与土的吸附综合体中的低价阳离子进行交换作用后，结合水膜减薄，结果导致土的分散性、湿坍性、粘附性和膨胀性的降低。这个反应过程是随着Ca2+在土中的扩散逐渐的进行的，但初期进展迅速，是引起土发生初期变化的主要原因。=2\*GB3②碳酸化作用所谓碳酸化作用，就是熟石灰和碳酸气起反应。由于Ca(OH)2吸收空气中的CO2而生成CaCO3其化学反应式为:Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O试验表明，碳酸化反映只有在有水的情况下才能进行.当用干燥碳酸气作用于完全干燥的石灰粉末时，这反应几乎完全停止进行。因为碳酸化时，石灰和碳酸气的作用需要水。CaCO3是坚硬的结晶体，具有较高的强度和水稳性，它对土的胶结作用使土得到了加固。由于CO2可能由混合料的孔隙深入，也可能由土本身产生，当石灰土的表层碳酸化后则形成一层硬壳，而阻碍CO2进一步深入，因而Ca(OH)2的碳化是个相当长的过程，也是形成石灰土后期强度的主要原因之一。=3\*GB3③结晶作用消石灰Ca(OH)2掺入土中，由于水分较少，只有少部分离解，还有少部分的Ca(OH)2进行化学反应，绝大部分饱和Ca(0H):在灰土中自行结晶，其化学反应式如下:Ca(OH)2+nH2O→Ca(OH)2.nH2O石灰吸收水分(胶体)含水晶体(晶体)由于结晶作用，Ca(OH)2由胶体逐渐成为晶体。这种晶体能够相互结合，并与土粒结合起来形成共晶体，把土粒胶结成整体。晶体的Ca(OH)2与不定形(非晶体)的Ca(OH)2相比，溶解度几乎小一半，因而石灰土的水稳性得到提高。石灰对土性质的影响：土掺入石灰后，石灰与土之间发生强烈的相互作用，从而使土的性质发生根本的变化。它主要表现在下述三方面:=1\*GB3①塑性由于离子交换等作用，形成团粒结构，土的塑性指数下降。塑性指数的减小主要是由于塑限的提高。=2\*GB3②压实性压实石灰的掺入，使土的最佳含水量增加而最大密实度降低。这主要是由于土颗粒的凝集以及土中的水分有一部分消耗于石灰与土的水化，因而不能用于减少颗粒间的摩擦力。由此也可推知，石灰同土拌和后间隔一段时间再压实，将使土的塑性变化较多，对压实是不利的。=3\*GB3③强度石灰对土的影响，最主要的是提高强度；而强度的提高取决于许多因素。石灰对土性质的影响，主要表现在上述三个方面。在初期主要由于离子交换作用，减薄了土的吸附水膜厚度，促使土粒凝集和凝聚，形成团粒结构，使土的塑性降低、最佳含水量增大和最大密实度减小等。后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而强度和稳定性提高。2）粉煤灰加固机理粉煤灰是一种具有一定活性的工业废渣，它的主要化学成分为钙、硅、铝及少量的镁和其他物质。=1\*GB3①高钙粉煤灰的水化反应粉煤灰中的CaO与土中的水相互作用，形成Ca(OH)2。这些Ca(OH)2其中一部分与土中或空气中的CO2反应生成CaCO3，并对软土起到胶结作用:另一部分与SiO2，A12O3反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，水化硅酸钙和水化铝酸钙都是水硬性化合物，它们包裹在粉煤灰玻璃体表面，并逐渐形成胶结状结晶体，对软土起到胶结作用。=2\*GB3②碳化反应的胶结作用由于粉煤灰中含有SO3，在含水土中SO3分解成大量的SO42-，这一反应使土局部成酸性，同时溶解粉煤灰和软土中的方解石(CaCO3)，当土中的CO32一离子过饱和后，将使CaCO3重结晶，产生再生的无定形(CaCO3)沉积，对土颗粒和粉煤灰材料本身产生胶结作用。由于(CaCO3)结晶程度随龄期的增长而提高，这种胶结作用随龄期的增长而加大。（4）新型改性剂。部分学者对高液限粘土进行了新型改性剂的改性研究，效果较好但工程应用较少。黄灿森[47]提出了一种土壤稳定剂，可以改变土颗粒表面的亲水性，使土壤易于压实、密实度提高、渗透性降低。崔德山[48]对武汉地区红粘土提出一种ISS改性剂方法，ISS的亲水基与粘土结合，疏水基将结合水置换，降低结合水的表面张力，疏水基形成保护膜增强抗水性，电解阳离子与粘土阳离子和极性水分子交换，从而使结合水膜变薄，抗剪强度提高。综上所述，目前对于红粘土的物理力学特性研究以及高液限粘土的改性方法研究已经取得了大量实用性成果，但以上研究中不同地区与成因的高液限粘土其物理力学性质与改性效果存在较大差异。虽然对高液限粘土直接用于路基填筑的可行性进行了分析，但未明确提出其工程中的压实控制指标，对高液限粘土填筑路基的工程变形及稳定性研究较少。因此，研究黄泛区湖淤积高液限粘土的特殊成因和物理力学性质，探讨该类土填筑路基的压实控制指标与工程稳定性具有重要的理论价值和工程实际意义。综上所述，高液限粘土在物质组成，现场施工等方面都做了大量的工作，积累了众多宝贵经验，为后人研究高液限粘土提供了很多好的思想。但是黄泛区湖淤积高液限粘土与高液限粘土、南方红粘土在颗粒组成上差异性较大，其粉粒、粘粒含量高于85%，而细砂含量较大，遇水软化严重，造成该类土4天浸水CBR值普遍小于2%。所以该类土不能以CBR值判断土料的碾压含水率控制范围及压实度控制标准，该类土的填筑标准需要借助其他力学指标进行选择。鉴于该类土与原有研究在颗粒组成、碾压特点、碾压含水率范围、压实度控制及填筑区域等方面的不同，原有碾压工艺和压实控制指标皆不适于该类土，因此需要对该类土的压实工艺与碾压控制指标进行深入研究。1.3研究的主要内容及创新点1.3.1研究内容及技术路线针对济徐高速沿线湖淤积高液限粘土的典型土质，进行系统的室内试验，研究分析黄泛区湖淤积高液限粘土的物理与力学特性，揭示该类土的压实机理及不同含水率与压实度状态下的强度变化规律，提出满足路基工程稳定性的现场压实质量控制标准。同时，针对行车荷载的主要工作区—路床区，因湖淤积高液限粘土的水稳定性不足，需进行经济改性研究，以确定合理的改性方法。本文的研究技术路线如下：查阅国内外研究资料、现场土质、已建工程调研，分析该类土填筑路基的工程问题与稳定性。路基填料基本物理力学特性，研究分析该类土的组成、物理、强度与变形特性及水稳定性，以探索其工程应用特性和压实控制指标的可靠性；从土体三轴剪切强度试验和回弹模量试验，揭示非饱和土三相体受力后的工作机理与影响因素，初步确定压实控制标准；室内试槽试验模拟实体工程的真实状况，旨在探究研究确定的该类土路基临界碾压标准的可靠性与可行性。按照最低的控制标准填筑，测试碾压后不同时间段弯沉、回弹模量、应力分布、沉降变形及水分的分布与水稳定性。现场试验路为确定适宜于该类土的碾压机械组合及压实控制指标，在德商高速公路里程为K40+900～K61+800、路基填高4~5米的第一标段，选取了三个试验段进行不同含水率与碾压机械组合试验，并将试验路成果用于实体工程，检测弯沉评价抗变形稳定性。室内改性试验对取自济徐高速沿线的1#、2#、3#土分别进行生石灰外掺量为2%、3%、4%的石灰改性；外掺量为10%、15%、20%、25%的粉煤灰改；2#土进行小剂量不同的石灰与粉煤灰掺量改性，以塑性指数随天数的变化来判断经济合理的改性剂与剂量。室内动三轴试验，对拟采用的含水率23%、压实度88%高液限土样开展动回弹模量和塑性变形研究，以评价其长期动力稳定性。1.3.2创新点揭示黄泛区湖淤积高液限粘土的物理力学特性与压实机理；揭示非饱和黄泛区湖淤积高液限粘土三相体受力后的工作机理；提出碾压工艺参数、工艺组合及压实质量控制指标；确定土质改良技术；基于土体长期动力稳定性的碾压参数评价。

第二章湖淤积高液限粘土基本物理力学特性研究土是由母岩经过物理与化学风化作用后，通过水、风等搬运堆积的成土过程形成的颗粒沉积物。从土的成因上，由岩石风化形成的土可能留存在原地，也可能经过风、水或冰川的剥蚀和搬运作用，在别处沉积形成土层。留存在原地的土称为残积土；由风的剥蚀和搬运作用而在别处沉积的土称为风成沉积土。风成沉积土包括黄土、砂丘；由水的侵蚀和搬运作用在别处沉积的土称为沉积土。随着水流的过程，根据不同的沉积条件可分为：坡积土、洪积土、山区河谷冲积土、平原河谷冲积土、湖相沉积土、三角洲沉积土、海相沉积土等；由冰川活动的剥蚀和搬运作用在别处形成的土称为冰川沉积土。除了由岩石风化形成土外，植物分解也形成土，如泥炭土、腐植土等[49,50]。土的成因决定了土的三相体间的比例、颗粒的种类、成熟度及矿物成分等物理状态的差异。这些是影响土的物理、力学性质的关键因素，也是导致其工程性质差别与变异性的最主要原因。2.1黄泛区湖淤积高液限粘土的成因山东鲁西南——鲁西北平原区是第四纪地质活动的产物。影响山东省第四纪发育的主要地质事件主要有断裂活动、火山活动、黄土堆积、湖沼及海侵沉积等[51]。在第四纪更新世时期继承了前期构造活动特征，隆起区继续隆起，坳陷区继续坳陷，形成了鲁西南-鲁西北平原区，鲁中南低山丘陵区和鲁东丘陵区。此时气候以寒冷为主，间有短期的温暖气候。寒冷期普遍海退，沉积陆相地层；温暖期海侵广泛，沉积了陆相夹海相地层。有多次玄武岩喷溢。泰山地势不断升高，大的河流两岸及滨海地带形成多级阶地，这表明新构造运动持续活动。全新世早一中期海水入侵大陆，至4000aB.P前后才退出；海侵盛期由于气候湿热，侵蚀基准面上升，内陆排水不畅，沼泽化发育，形成黑土湖组。此时整个山东大地面貌与今天已经基本相似，黄河大量泥沙进入山东境内，形成了广阔的冲积平原，平原区河流发育，浅小湖泊广布。鲁西南、鲁西北平原区形成黄河组，在一些湖泊中发育白云湖组[52]。湖相沉积土比较复杂，其成分变化较大。在湖边沉积土颗粒较粗，在近岸带沉积多数是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，在远岸带沉积的是细颗粒的砂土和粘性土，在湖中心区沉积的是粘土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层。湖泊如果逐渐淤塞，则可演变成沼泽，形成沼泽沉积物。沼泽沉积土主要是由半腐烂的植物残余体组成。泥炭土含水率极高，渗透性差，压缩性很高，抗剪强度很低[53]。山东鲁西南——鲁西北平原区，由黄河泛滥冲积而成，是华北平原的组成部分，位于运河湖带以西，胶济铁路以北，形成一个半圆形环抱着鲁中南山地丘陵。海拔大多在50米以下，自西南向东北微倾，由于黄河多次决口改道和沉积，地表形成一系列高差不大的河道高地和河间洼地，彼此重迭，纵横交错[54]。也就是说，黄泛区的湖淤积高液限粘土是由黄河携带的泥沙经过水的搬运，在河湖、洼地的静水环境下形成的。由于其成土的物质来自于黄土高原，长距离水流冲刷使其颗粒磨圆度较高，因此有高含量的粉粒及粘粒，是决定其物理性质的重要因素。2.2湖淤积高液限粘土的矿物成分2.2.1概述土的矿物可分为原生矿物（石英、长石、云母等）和次生矿物。原生矿物为石英、长石、云母等。原生矿物的颗粒较粗，可以用肉眼观察法或用显微镜薄片鉴定法进行测定；次生矿物主要为粘土矿物、氯化物及氢氧化物、盐类及有机化合物。次生矿物成分（尤其是粘土矿物成分）的颗粒很小，需要采用专门的测定方法。一般所说的矿物成分测定主要是指对土性影响最大和测定最复杂的粘土矿物成分，包括土中的伊利石、高岭石、蒙脱石、绿泥石、蛭石等的测定。伊利石、高岭石、蒙脱石等不同粘土矿物有复杂的化学成分和特殊的晶格构造，它们决定了细粒土的物理化学性质，是影响土性最为重要、最为活跃的物质。其物化性质主要体现在以下几个方面：可塑性、膨胀性、触变性、悬浮性、悬浮现象、粘滞性及离子交换性。分析土中矿物成分常用的方法有X射线粉晶分析法和差热分析法。同时，光学显微镜法、电子显微镜分析法、红外线吸收光谱分析法和染色分析法等，也可以为估测土中主要矿物的类型提供帮助。本次试验中所采用方法为X射线粉晶分析法。2.2.2X射线衍射分析通过用Jade软件分析其X射线衍射图谱，识别图谱中的d值和衍射强度。这两项数据是矿物晶体结构的反映，据此鉴定矿物的种类和大致含量。主要粘土矿物的X射线衍射特征如下：1）高岭石。，。2）水云母。=1.0nm，=0.5nm，=0.336nm。属非膨胀性矿物。3）蒙脱石。属膨胀性矿物，=1.2～1.5nm（随层间金属离子种类和溶液性质不同而变化）。4）蛭石。=1.42nm，=0.71nm，=0.47nm，=0.35nm。5）绿泥石。=1.42nm，=0.71nm，=0.47nm，=0.353nm。图2.1、图2.2、图2.3为取自济徐高速沿线的三种典型湖淤积高液限粘土的X射线衍射图谱：图2.11#土衍射图谱图2.22#土衍射图谱图2.33#土衍射图谱根据粘土矿物的X射线衍射特征及晶面结构与土1#、2#、3#土的X射线衍射图谱进行对比分析，可以判断出，1#、2#、3#土中的矿物成分类似，均含有伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石等粘土矿物，以蒙脱石和伊利石为主。2.3湖淤积高液限粘土的颗粒分析固相颗粒的粒径与级配是决定土的压实与工程特性的关键因素。土的粒径与级配常用颗粒分布曲线来反映，即粒径（对数坐标）与小于该粒径土粒的重量所占土总重量百分数的关系曲线。本实验采用《公路土工试验规程》中规定的甲种密度计法。2.3.1试验结果及分析本试验对济徐高速沿线三个取土场的土样分别进行了颗粒分析试验。其颗粒分析曲线如图2.4~2.6：图2.41#土的粒径分配曲线图2.52#土的粒径分配曲线图2.63#土的粒径分配曲线为分析黄泛区湖淤积高液限粘土的颗粒组成特点，对比一般高液限粘土及黄泛区粉土的颗粒组成，列于表2.1：表2.SEQ表格\*ARABIC1黄泛区湖淤积高液限粘土颗粒组成粒径（mm）>0.0750.075-0.050.05-0.010.01-0.0050.005-0.002<0.002济徐高速1#6.43.746.314.115.224.3济徐高速2#5.82.1291519.428.7济徐高速3#2.73.738.912.317.226.2南方高液限粘土3.15.818.315.511.445.9黄泛区粉土21275623土的粒径分配曲线说明，黄泛区湖淤积高液限粘土的级配曲线较陡，颗粒分布的范围较为集中，主要分布在粉粒及粘粒范围内。表2.1显示黄泛区湖淤积高液限粘土含有少量粉砂，以粉粒为主，有较高的粘粒含量，粘粒与粉粒的含量占90%以上。其中，0.075-0.002mm的粉粒含量大于65%，小于0.002mm的粘粒含量占25%左右。与黄泛区粉土相比，该类土小于0.005mm粒径含量较高，粘粒含量高。较于普通的高液限粘土，其粘粒含量偏低但含有大量粉粒。黄泛区湖淤积高液限粘土的粉粒含量较高，毛细孔隙发达，具有良好的吸湿性。但因小于0.005mm的土粒含量高于40%，小于0.002mm的粘粒含量大于25%，土粒的比表面积大，表面能高，界面效应强，表现出强的吸湿性，粘滞力大。黄泛区湖淤积高液限粘土的这种性质，使其在碾压过程中，表层会形成硬壳屏障，封闭了气体通道，在含水率较高时，压实能转化为三相体之间的相互作用，一般的碾压机械压实效果较差。而且由于其较高粉粒含量，在振动碾压下产生水分上移现象。因此在工程实际中，宜使用凸轮压路机进行压实，并且采用合适的振幅与频率，控制合适的碾压含水率范围。在路基运营期间，应注意防水排水。2.4黄泛区粉粒的微观结构传统上认为，粗粒土经水流的长距离搬运作用，其磨圆度会明显提高，细粒土由于其质量较轻，搬运过程中碰撞、冲刷的动能较小，圆度一般不会发生变化。粉土颗粒尽管属于细粒土，但其质量、粒径介于粗粒土和粘粒之间，经水的长距离搬运后其颗粒结构是否会发生变化呢？为研究黄河冲淤积粉土颗粒的结构，取济徐高速周边典型黄河冲淤积粉土与普通粉土颗粒（筛除粘土颗粒）进行对比观测，采用JXA-8800R型电子探针进行颗粒微观结构的分析。拍摄的粉土颗粒微观结构照片见图2.7～2.9。（a）普通粉土含较多的针片状颗粒（500倍）（b）黄河冲淤积粉土片状颗粒极少（1k）图2.7普通粉土针片状颗粒与黄河冲淤积粉土颗粒的对比（a）普通粉土（放大倍数1k）（b）黄河冲淤积粉土（放大2k倍），表面因水的长距离搬运，冲刷和颗粒间的碰撞，磨圆度较高，表面易剥落图2.8黄河冲淤积粉土与普通粉土的圆度对比（a）普通粉土颗粒（放大倍数2k）存在坚硬棱角，磨圆度低，表层无剥落现象（b）黄河水的长距离搬运长距离时，水的浸泡、冲刷和颗粒间的碰撞作用，使得黄河冲淤积粉土（放大倍数4k）颗粒，的表层强度较低图2.9黄河冲淤积粉土与普通粉土颗粒表层侵蚀剥落现象对比由上图可见，与普通粉土相比，黄河冲淤积粉土颗粒磨圆度较高；其针片状颗粒少；经水的长时间浸泡侵蚀、颗粒撞击和水流冲刷作用，颗粒表层破碎、剥落严重，强度较低。由此可以判断，尽管粉性土属于细粒组，在长距离的水流搬运过程中，由于粉性土颗粒相对粘粒具有较大的质量、粒径，仍会形成足够的水流的冲刷和颗粒间碰撞能量，使得粉性土颗粒的圆度明显提高。由于黄泛区湖淤积高液限粘土中含有较高含量的粉土颗粒，其磨圆度高，粒度均匀，颗粒表面强度低，使得在碾压时颗粒间难以形成有效的颗粒嵌挤，在外力作用下容易发生颗粒间的相互错动。尤其是在浸水作用下，磨圆度较高的粉土颗粒强度降低显著，导致湖淤积高液限粘土的强度和变形特性受水的影响显著。2.5湖淤积高液限粘土的液塑限试验土的稠度是指粘性土的干湿程度或在某一含水率下抵抗外力作用而变形或破坏的能力，是粘性土最主要的物理状态指标。粘性土的状态根据含水率的增加依次划分为固体状态、半固体状态、可塑状态与流态。粘性土从一种状态过渡到另一种状态，可用某一界限含水率来区分，成为稠度界限。工程上常用的稠度界限一般为液限和塑限。必须指出，粘性土的状态是逐渐过渡的，并无明确的界限，目前工程上只是根据某些通用的试验方法来测定这些界限含水率。本实验采用《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）规定的液限塑限联合测定法，落锥的质量为100g，锥角30°，取沉入深度为20mm时的含水率为液限。表2.2为黄泛区湖淤积高液限粘土与黄泛区粉土及南方红粘土的液塑限试验结果对比。表SEQ表格\*ARABIC2.2黄泛区高液限粘土液塑限试验结果土样编号液限/%塑限/%塑性指数济徐高速1#45.421.923.5济徐高速2#58.127.131.0济徐高速3#47.723.424.3德商高速60.235.724.5黄泛区粉土27.017.29.8红粘土58.830.828.0表2.2显示，黄泛区湖淤积高液限粘土的液限在45%~60%之间，塑限在21%~27%之间，塑性指数在23~30之间。与南方红粘土及一般的高液限粘土相比，黄泛区湖淤积高液限粘土由于粘粒含量相对偏低而粉粒含量很高，其液限并不高，多数在45~50%左右，仅部分液限可达60%左右，在细粒土分类的塑性图上处于高液限土与低液限土分类的过渡范围。图2.10塑性图土的塑性指数表示在可塑状态时土的含水率可变化的幅度，塑性指数愈大，说明土中弱吸着水的含量可能较高，它与土粒大小、土粒矿物成分及水膜中阳离子成分和浓度等有关。黄泛区湖淤积高液限粘土的颗粒组成以粉粒、粘粒为主，矿物组成中伊利石、蒙脱石含量高，因此其塑性指数较高，在毛细作用与粒间薄膜水的双电层效应的共同作用下，具有较高的可塑性与粘滞性。但是，与南方红粘土相比，黄泛区高液限粘土的塑限较低，即可塑状态的下限含水量较低，这说明该类土具有较高的水敏感性，在现场碾压时，含水量与饱和度就成为控制弹簧现象的关键指标。2.6烧失量的测定本实验采用《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）规定的烧失量测定方法。试验结果见表2.3表2.3烧失量试验记录土样编号1#2#3#灼烧温度（ºC）950950950试验次数121212土样质量1.09001.56811.21541.87432.02631.4621灼烧残渣+干锅质量21.566522.011022.481923.070525.424124.9082空干锅质量20.560720.560721.402721.402723.567723.5677烧失量（%）7.727.5111.2111.028.388.32平均烧失量7.6211.128.35土的烧失量包括有机质和结合水，不包括吸湿水。一般来说，土中结合水的含量占5%左右。从上表可以看出，三个土样中均含一定量的有机质，属于含有机质土。2.7压实特性土的压实性是指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实程度的性质与性状。黄泛区湖淤积高液限粘土作为一种特殊的路基填料，含有较高的粉粒及粘粒含量，且经黄河水长距离的搬运，颗粒磨圆度较高，这种特殊的颗粒组成与成因决定了其压实特性与一般粘性土有较大差别。研究该类土的压实机理与特性对确定实体工程的压实标准和质量控制指标及压实工艺优化具有重要的理论和工程意义。本研究对取自济徐高速沿线的三种土样进行了标准重型击实试验，以揭示黄泛区高液限粘土的压实机理与性状。试验方法采用《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）中规定的标准重型击实试验。2.7.1试验现象及结果图2.8为济徐高速沿线1-3#土重型击实的试件情况，其中试件含水率从左至右依次递加，第三个试件为最佳含水率下的试件，有如下特点：（1）当含水率小于最佳含水率时，试件质地坚硬，存在有较大孔隙，表面难以刮平。（2）当试件处于最佳含水率时，其密实度很高。（3）当含水率高于最佳含水率4%以后，击实过程中出现弹簧现象，试件压而不实，但没有发生水分渗出现象。图2.11重型击实试验制得的试件取自济徐高速沿线的高液限粘土标准重型击实试验的击实曲线见图2.12~图2.14：图2.12济徐高速1#土击实曲线图2.13济徐高速2#土击实曲线图2.14济徐高速3#土击实曲线取自济徐高速沿线的土样标准重型击实试验结果见表2.4：表2.4济徐高速沿线土样击实试验结果土样编号最大干密度/gcm-3最佳含水率/%济徐高速1#土1.86314.77济徐高速2#土1.77618.73济徐高速3#土1.82416.612.7.2试验结果分析图2.15显示：该类高液限粘土的击实曲线驼峰较宽，在最佳含水率左侧，击实曲线较宽缓，表现出粉性土的性状；在最佳含水率右侧，击实曲线趋于直线下降。当击实含水率超过20%后，随含水率增高，击实曲线趋近甚至重合于饱和线，干密度迅速下降，击实出现弹簧现象。该类土在低于最佳含水率时，由于颗粒表面的水膜较薄，表面张力产生的毛细压力增大了颗粒间的剪切阻力，需要消耗很大的能量才能使颗粒产生相互移动，碾压效率较低。当含水率增加至最佳含水率附近时，水膜变厚，水对土粒表面的润滑降低了粒间摩擦力，击实功能迫使颗粒移动、粒间距减小、孔隙压缩，干密度达到最大。含水率继续增大，土中仅余少部分气体且呈封闭状态，夯击瞬间，孔隙水、气承担和传递大部分应力，土骨架承担的荷载很低，导致土体很难压实；而当含水量超过22%时，击实曲线几乎与饱和线重合，此时土颗粒间的孔隙全部由水填充，由于该类土渗透系数低、持水性强，土中的超静孔隙水压力不易消散而迅速增加，土体压而不实，受力的土体回弹变形较大，出现的弹簧现象消减了压实能。说明该类土击实过程表现出高液限粘土并兼有粉质土的压实性状，即在最佳含水率（-2~+5%范围内），土体孔隙中的空气易被压缩排出，土体的压实度较高，可达94%以上；而当含水率较高时，压实效率因孔隙水难以排出的原因而急剧降低，控制合理的含水率范围是保证压实的关键。（a）普通粉土（b）粘土图2.15普通粉土和粘土的压实曲线与普通粉土和粘土的压实曲线相比（如图2.15），该黄泛区高液限粘土在含水率较高时，压实曲线非常接近饱和线，表明土体三相介质中的气相成分容易被压缩和排出，土体压实后的空气体积率要较普通粉土和粘土低。因此，高含水率压实下空气体积率低，是黄泛区高液限粘土区别于其他粉土和粘土的显著特点。由上分析可知，该类土的特殊的物理性质及压实性状，决定了含水率和饱和度成为压实的关键指标。在实际工程中，一般的碾压机械及工艺的压实质量和效率较低，宜采用凸轮压路机进行碾压，以打破硬壳层的屏障作用，并根据现场碾压试验确定适合的振幅、频率与碾压遍数，防止弹簧现象的发生及已压密稳定的土体结构在过度压实后破坏。2.8CBR值特性CBR(CaliforniaBearingRatio)又称加州承载比，是指标准试件(材料在标准的击实层次与次数、含水量、密度)下成型后，标准饱水96h后，进行贯入试验，当贯入量达2.5mm时的单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值，用百分数表示。它是一种评定材料承载能力的试验方法，表征了材料抵抗局部荷载压入变形的能力，以确保路堤填筑压实后的浸水整体强度和稳定性符合设计要求。加州承载比(CBR)试验是1928年美国加州在进行沥青路面破坏调查时，为比较材料的强度而提出的。日本在1970年也将其列入国家土质试验规程。我国1995年发布的交通行业建设标准《公路路基设计规范》(JTJ0132-95)和《公路路基施工技术规范》(JTJ0332-95)中修订了1986年版本的规定，明确将CBR试验作为技术要求列入规范。在此之前，《公路土工试验规程》（JTJ0512-93）中则规定了进行CBR试验的程序。目前，CBR试验已成为评价土基和路面材料强度及稳定性的重要技术指标，是柔性路面设计的主要依据。试料贯入量达2.5mm时，单位压力对标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值，即：（2-1）式中：P——对应于贯入度为2.5mm或5.0mm时土基单位压力，MPa；PS——标准碎石贯入深度为2.5mm或5.0mm时的单位压力(分别为7.0和10.5)，MPa。CBR值是一种评定土基承载能力的指标，是路基和路面材料的强度指标，是柔性路面设计的主要参数之一。路基土的CBR值是反应土基抗垂直位移的能力指标，当接近极限平衡条件时，则兼而反映土体抗剪力的相对度量。在我国的柔性路面设计中，虽然以路基土和路面材料的回弹模量值作为设计参数，但在路基路面施工规范中仍将CBR作为一项力学指标。表2.5为我国公路路基设计规范中规定的路基填料CBR技术标准。

表2.5路基填料最小承载比要求项目分类路面底面以下深度（m）填料最小承载比（CBR）（%）高速公路、一级公路二级公路三、四级公路路床区0~0.38650.3~0.8543上路堤0.8-1.5433下路堤1.5以下322本研究选用具有代表性的济徐高速沿线3#土与德商高速沿线土样，在不同含水率与压实度条件下，分别进行了不浸水与浸水4天后的贯入试验，测定其CBR值。2.8.1试验现象及结果济徐高速与德商高速沿线高液限粘土具有相同的试验现象：在浸水4d后，试件均表现出一定的吸水膨胀性，试件吸水后变松软。表2.6为试件浸水4天后的CBR值：表2.6浸水4d的CBR值取样地点含水率（%）压实度（%）吸水率（%）膨胀率（%）浸水CBR（%）济徐高速沿线3#土179012.45.80.7179310.95.60.817968.14.90.8209011.36.10.520939.65.70.620966.44.40.623908.75.30.423936.34.70.5德商高速178514.54.61.5168913.55.41.516959.34.71.8表2.7为济徐高速沿线3#土在不同含水量、不同压实度下的不浸水CBR值：表2.7济徐高速沿线3#土不浸水CBR值含水量/%压实度/%17209630.718.99328.215.19026.512.68514.7-图2.16济徐高速沿线3#土不浸水CBR值与含水量压实度关系曲线表2.8为德商高速沿线土样在不同含水量、不同压实度下的不浸水CBR值：

表2.8德商高速沿线土不浸水CBR值击实次数含水率（%）压实度CBR值（%）3*30160.8629.23*5016.10.9046.63*9816.30.9664.63*3020.70.9225.763*5020.60.9625.43*9819.910.9828.73*3021.50.9214.63*5023.50.92123*9823.30.956.93*3026.60.899.53*5024.80.926.13*9825.20.903.62.8.2试验结果分析 上述表中显示，济徐高速与德商高速沿线的高液限粘土具有同样的CBR值变化规律：（1）黄泛区高液限粘土浸水4d后的吸水率随试件初始含水率在6~15%之间变化，膨胀率在4~6%之间，具有弱膨胀性。（2）济徐高速沿线土浸水4d后的CBR值在0.4~0.8%之间，德商高速沿线土浸水4d后CBR值在1.5-1.8%之间，均不足3%。试件的浸水CBR值受初始含水率及压实度影响很小，浸水后试件强度丧失，达不到《公路路基设计规范》中关于高速公路及一级路路堤填料最小CBR值要求的3%。（3）济徐高速沿线土的不浸水CBR值随含水率与压实度的变化规律见图2.16。不浸水的CBR值随含水率增加而降低，随压实度的提高而增加。在含水率不高于最佳含水率3%、压实度大于90%时，其CBR值在12~30%之间。德商高速沿线土的不浸水CBR值变化于4~60%之间。济徐与德商高速湖淤积土的CBR值都随压实度和含水率变化幅度都较大。在我国《公路土工试验规程》（JTG-E40-2007）对CBR试验的条文说明中指出：做CBR试验时，应模拟材料在使用过程中处于最不利状态，在一般情况下，可按饱水4d作为设计状态。但是，在干燥地区，如能结合地区、地形、排水、路面排水构造和路面结构等因素，论证土基潮湿程度和土样饱水4d的含水率有明显差异时，则可适当改变试件饱水方法和饱水时间，使CBR试验更符合实际状况。综上所述，由于黄泛区的高速公路大部分为填方路基，只要做好路基的防渗排水，控制合理的压实含水率，该类土路基在不浸水的情况下，其CBR值满足路基的强度稳定要求。2.9压缩指标土的压缩性是指土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤密，封闭气泡的体积也将缩小，从而引起土层的压缩变形，土在外力作用下体积缩小的特性。土的压缩性的高低决定于土本身的性质，即土的物质组成、结构和构造特征；同时，与土的受力条件有关。分析计算路基与地基土层的沉降，最重要的是土的压缩性指标。图2.18固结仪本试验采用单轴固结仪快速试验法，试验仪器见图2.18，对不同含水率、压实度的重塑土进行压缩固结试验，结果如图2.19~2.21所示。图2.19压缩模量与含水率关系曲线图2.20压缩模量与压实度关系曲线图2.21压缩系数与含水率关系曲线可见，黄泛区湖淤积高液限粘土的压缩模量随含水率的增加而降低，随压实度的增加而增加，对含水率的变化更加敏感。在含水率为17~20%时，压缩系数受含水率的影响较小，不同压实度下的土体压缩系数均在0.1MPa-1以下，属于低压缩性土；但一旦含水率超过20%，压缩系数随含水率的增长显著发展，介于0.1~0.25MPa-1，属于中压缩性土。因此，对于该类型的土体，当含水率超过20%时，路基由于湿水软化引起压缩模量降低，导致路基仅在自重作用下就会产生较大的压缩变形。由于黄泛区湖淤积高液限粘土的天然含水率较高，往往在23%以上，故将该类土定义为中压缩性土。2.10本章小结由黄河冲、湖淤积形成的高液限粘土，或以湖相沉积层、或以粉土夹层广泛分布于鲁西南-鲁西北平原区。其颗粒粒级主要分布在粉粒及粘粒范围内，含有少量粉砂。其粘土矿物含量主要以伊利石、高岭石、蒙脱石、绿泥石为主。其颗粒组成与矿物成分决定该类土兼有粉土与高液限粘土的性质。粉粒含量较高，毛细孔隙发达，具有易吸湿性；小于0.002mm的粘粒含量高于25%，与水作用的界面效应强，表现出高的粘滞力、强的吸湿性和保水性。因此该类土水稳定性差，干时坚硬，吸水立刻湿软强度降低。该类土的液限在50%左右，处于高液限与低液限分界线处。与一般的粘性土相比，其塑性指数高而塑限偏低，即可塑状态的下限含水量较低。该类土含有少量有机质，根据细粒土分类图，其土质介于含有机质低液限粘土和含有机质高液限粘土之间。该类土击实过程表现出高液限粘土并兼有粉质土的压实性状，即在最佳含水率（-2~+5%范围内），土体孔隙中的空气易被压缩排出，土体的压实度较高，可达94%以上；而当含水率较高时，压实效率因孔隙水难以排出的原因而急剧降低，控制合理的含水率范围是保证压实的关键。该类土当含水率超过20%时，路基由于湿水软化引起压缩模量降低，导致路基仅在自重作用下就会产生较大的压缩变形。由于黄泛区湖淤积高液限粘土的天然含水率较高，往往在23%以上，故将该类土定义为中压缩性土。黄泛区湖淤积高液限粘土特殊的物理性质，决定其水稳定性较差，压实时对水敏感性强。含水率与压实度是控制压实的关键指标，也是影响其力学性质的关键因素。

第三章湖淤积高液限粘土强度与模量特性3.1湖淤积高液限粘土的强度特性3.1.1概述土的抗剪强度是指土体对外荷载产生的剪应力的极限抵抗能力，是表征土体力学性质的重要指标。在公路工程中，土的抗剪强度是决定路基边坡稳定性的关键因素。土的抗剪强度主要受土的类型、密度、含水量、受力条件及应力历史等因素影响。由于在公路路基施工期与运营期，土体受降水、蒸发、荷载等影响，其密度与含水率状态有较大差异，因此研究黄泛区湖淤积高液限粘土的抗剪性状，揭示其抗剪强度在不同含水率、压实度下的变化规律，对该类土填筑路基的稳定性分析有重要意义。本次试验采用《公路土工试验规程》规定的三轴不固结不排水压缩试验(UU)，试验用土样取自济徐高速沿线3#土，以静压方法制备不同含水率与不同压实度的试件，免去试件的饱和过程，对试样施加周围压力后，即施加轴向压力，使试样在不固结不排水条件下剪切。试验设备采用南京土壤仪器厂生产的TSZ全自动应变控制式三轴仪，由周围压力系统，反压力系统、孔隙水压力测量系统和主机构成，如图3.1所示。图3.1全自动三轴仪3.1.2试验工况为揭示不同含水率与压实度下填筑土体的强度特性，分别选取含水率为17%、20%、23%、26%和29%，压实度为85%、90%、93%和96%进行三轴试验。考虑到碾压过程时间短暂，此时土体孔隙水来不及排出和消散，故采用不固结不排水三轴剪切试验。具体试验工况如表3.1所示。表3.1三轴试验工况含水率/%围压/kPa压实度/%饱和度/%孔隙比空气体积率/%体积含水率/%171008558.630.8018.3526.012003001009067.020.7013.5527.542003001009372.730.6410.6728.462003001009679.050.597.7929.38200300201008568.980.8013.7630.602003004001009078.850.708.6932.402003004001009385.570.645.6533.482003004001009692.990.592.6034.56200300400231008579.320.809.1735.192003004001009090.680.703.8337.262003004001009398.400.640.6338.50200300400261008589.670.804.5839.7820030029100851000.80044.37200300黄泛区湖淤积高液限粘土试件剪切前后对比如图3.2，左侧为剪切前试件，右侧为围压300kPa下剪切破坏时的试件，图3.3为不同围压下剪切破坏时的试件对比，从左至右分别为围压300、200、100kPa，试样均无明显破裂面，表现为过大的塑性变形。图3.2试件剪切前后对比 图3.3试件在不同围压下剪切破坏后对比3.1.3试验结果及分析3.1.3.1应力-应变关系曲线图3.4为黄泛区湖淤积高液限粘土典型的三轴不固结不排水剪切主应力差与轴向应变关系曲线。应力-应变曲线中，主应力差随轴向应变的增大而增大，曲线的初始阶段（轴向应变小于2%）近似于直线增长，说明黄泛区湖淤积高液限粘土有较大的初始模量。随后，应变的增加主应力差增长趋势逐渐变缓，曲线表现出明显的非线性，说明此时土样进入塑性变形阶段，且塑性变形阶段较长，这说明黄泛区湖淤积高液限粘土在发生一定的塑性变形时，抗剪强度仍较好。土样在轴向应变达到15％左右时出现不明显的峰值，试件达到屈服。在整个剪切过程中，黄泛区湖淤积高液限粘土的应力—应变曲线呈应变硬化型，主应力差随应变增加而不断增加。图3.4黄泛区高液限粘土应力-应变曲线图3.5~图3.16为黄泛区湖淤积高液限粘土在不同含水率ω及压实度K时的不固结不排水剪切主应力差与轴向应变关系曲线及强度包线。图3.5ω=17%，K=85%时的应力-应变曲线及强度包线图3.12ω=17%，K=90%时的应力-应变曲线及强度包线图3.6ω=17%，K=93%时的应力-应变曲线及强度包线图3.7ω=17%，K=96%时的应力-应变曲线及强度包线图3.8ω=20%，K=85%时的应力-应变曲线及强度包线图3.9ω=20%，K=90%时的应力-应变曲线及强度包线图3.10ω=20%，K=93%时的应力-应变曲线及强度包线图3.11ω=20%，K=96%时的应力-应变曲线及强度包线图3.12ω=23%，K=85%时的应力-应变曲线及强度包线图3.13ω=23%，K=90%时的应力-应变曲线及强度包线图3.14ω=23%，K=93%时的应力-应变曲线及强度包线图3.15ω=26%，K=85%时的应力-应变曲线及强度包线

图3.16ω=29%，K=85%时的应力-应变曲线及强度包线上述图表可以看出：试件含水量为最佳含水量17%，试件为硬塑状态，其抗剪强度随围压的增加而增大；试件含水率为20%，压实度一定时，其抗剪强度随围压增加呈现先增大后减小的现象；试件含水量为23%，压实度一定时，随围压增加其抗剪强度略微增加，部分试件抗剪强度降低；试件含水量为26%、29%时，试件接近饱和状态，其抗剪强度变化很小，其莫尔圆强度包络线近似为水平直线。这是由于在受荷载后，含水率的变化引起了土体的三相体结构的变化。在低含水量时，表现为非饱和土的剪切性状，应力主要由土骨架承担，土的骨架发生变形；随着围压增大，空隙水压力增大，受剪过程为土颗粒克服颗粒间的界面摩擦与薄膜水的粘滞力，其抗剪强度逐渐增大。在较高的含水量下，土处于非饱和土向饱和土过渡的状态，应力由孔隙水压力承担的部分增加，其抗剪性状发生变化；随着围压的增加，颗粒间的薄膜水层变厚，水的润滑作用变明显，摩阻力下降，其抗剪强度出现先增大后减小的现象。在试件接近其饱和含水率时，表现出饱和土的抗剪性状，即随围压的增大，其抗剪强度不再变化，摩擦角接近为零。（1）围压对应力-应变特性的影响图3.17~图3.20为黄泛区湖淤积高液限粘土在含水率w=17%，压实度K=85%、90%、93%和96%时不同围压下的不固结不排水剪切主应力差与轴向应变、孔隙水压力与轴向应变及摩尔强度包线。对于非饱和土而言，土体中气、水两相的存在形式和含量往往决定了土体的强度发展特征。含水率为17%的高液限粘土，当压实度由85%提高至96%时，饱和度由58.6%增加至79.1%，仍处于低饱和状态；空气体积率由18.4%降低至7.8%，表明在该含水率下土体内部孔隙中的气体含量较高，即使在高压实度下，空气仍占土体总体积的7.8%；体积含水率由26%提高至29.4%。当压实度较低（K=85%）时，随着轴向应力的增长，孔隙水压力缓慢发展，远低于施加的围压，此时荷载主要由土骨架承担，有效应力增大，土体抗剪强度提高。即使围压由100kPa增加至300kPa，孔压的增长仍小于围压的增加，这主要是由于土体内的气相含量很高，荷载的增加主要引起气相的压缩和骨架的压密，表现为土体强度的发展。当压实度进一步提高，气相压缩，体积含水率增大，在低围压条件下（100kPa），气相含量仍较高，孔隙水未连通，轴向施加的荷载大部分仍由气相和土骨架承担，孔隙水压力较低，土骨架有效应力增大，土体强度提高；随着围压的增大，土体中的气相被进一步压缩，孔隙水逐渐连通，并承担较大的荷载，当增加的围压完全由孔压承担时，土体有效应力不再增加，土体接近于饱和土的工作模式，土体强度不随围压的增加而增大。图3.17ω=17%，K=85%时的应力-应变、孔压-应变及强度包线图3.18ω=17%，K=90%时的应力-应变、孔压-应变及强度包线图3.19ω=17%，K=93%时的应力-应变、孔压-应变及强度包线图3.20ω=17%，K=96%时的应力-应变、孔压-应变及强度包线图3.21~图3.24为高液限粘土在含水率w=20%，压实度K=85%、90%、93%和96%时不同围压下的不固结不排水剪切主应力差与轴向应变、孔隙水压力与轴向应变及摩尔强度包线。土体的气、液相特征指标为：当压实度由85%提高至96%时，饱和度由69%增加至93%，空气体积率由13.8%降低至2.6%，体积含水率由30.6%提高至34.6%。在低围压条件下（100kPa），孔隙水压力随轴压的增长并未出现较大幅度的发展，轴向施加的荷载大部分由土骨架承担，有效应力增大，土体强度提高；随着围压的增大，孔隙水逐渐承担较大的荷载，当增加的围压完全由孔压承担时，土体有效应力不再增加，土体接近于饱和土的工作模式，土体强度不随围压的增加而增大；而对于三相体承担荷载的非饱和土而言，会出现孔压的增加量超过围压的增幅的情况，如围压由200kPa增加至300kPa时，孔压增量超过100kPa，此时土骨架的有效应力反而降低，导致土体强度降低。这也是非饱和土强度发展过程中所特有的现象，即当荷载由土骨架和气相承担时，有利于土体强度的提高；而当荷载由气相承担转变为孔隙水承担时，土体强度