道路施工中軟土的CBR和滲透性研究

王繼榮

（貴州順康檢測(cè)股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

目前，隨著城市化進(jìn)程及建筑行業(yè)的發(fā)展，軟黏土給建筑業(yè)，尤其是在道路建設(shè)方面帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1]。軟土的特性是高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度和低滲透性。軟土區(qū)道路施工存在的問(wèn)題是地基承載力不足，施工后沉降過(guò)多以及開(kāi)挖和路堤形成失穩(wěn)，在這種地層中，通常硬層和基巖都很深，導(dǎo)致地基造價(jià)較高[2]。

為了解決這些問(wèn)題，必須了解軟黏土的工程特性。傳統(tǒng)的地面處理方法，如軟土置換；通過(guò)插入預(yù)制垂直排水溝（PVD）和堆填來(lái)加快孔隙水消散和平臺(tái)沉降；通過(guò)安裝石柱等來(lái)改變地下土壤的承載力。這些方法的應(yīng)用受到技術(shù)可行性、空間、時(shí)間和施工成本的限制。盡早選擇和應(yīng)用最合適的地面改善技術(shù)不僅可以大大改善基礎(chǔ)和土方結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能，而且可以提高其成本效益?；瘜W(xué)穩(wěn)定方法具有提高土體強(qiáng)度、減少總沉降和差異沉降、縮短施工周期、降低施工成本等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可能影響其在軟土地基上具體工程中的應(yīng)用。該研究通過(guò)使用貴州省烏當(dāng)至長(zhǎng)順高速公路PPP 項(xiàng)目施工過(guò)程中的軟黏土創(chuàng)建納米黏土并在軟土研究中心使用軟黏土創(chuàng)建的納米黏土作為混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室固化土壤測(cè)試，來(lái)解決這些不足。

此開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是在軟黏土上建造的。該項(xiàng)目的土木工程組成部分包括全線房建工程、綠化環(huán)保境保護(hù)工程、機(jī)電工程的土建部分、交安等附屬工程。由于缺乏適合基礎(chǔ)設(shè)施和其他開(kāi)發(fā)的土地，部分工程需要在軟土上建設(shè)。該研究是在貴州省烏當(dāng)至長(zhǎng)順地區(qū)進(jìn)行的，該地區(qū)已知有豐富的軟黏土。這種類(lèi)型的軟黏土可延伸到地下40m 的深度。研究表明，軟土地區(qū)的道路經(jīng)歷了例如裂縫，較大的表面變形以及路面層和路基的結(jié)構(gòu)變形等多種類(lèi)型的破壞。為了避免和減少這些破壞，需要利用該種軟黏土，以減少?gòu)钠渌胤竭\(yùn)輸土壤，并降低土壤運(yùn)輸對(duì)環(huán)境造成的破壞。軟土的可塑性指數(shù)PI 越高，出現(xiàn)問(wèn)題的可能性就越大。尤其是高塑性的黏土，當(dāng)其水分含量增加時(shí)會(huì)膨脹。水分控制是收縮和膨脹黏土地基成功的最重要的單一因素?？梢酝ㄟ^(guò)塑性指數(shù)定性地反映了土壤中黏土的百分含量和黏土礦物的活性。黏土礦物的含量越大，活性越高，其膨脹、蠕變和行為變化的潛力就越大。建筑研究機(jī)構(gòu)表明，塑性指數(shù)超過(guò)35%的土體發(fā)生體積變化的潛力非常高。這些體積變化會(huì)引起地面運(yùn)動(dòng)，從而可能損壞建筑物。因此，為了防止這些問(wèn)題，工程師必須在開(kāi)始施工活動(dòng)之前固化現(xiàn)有土壤，使土壤更適合作為道路路基和任何道路建設(shè)。

納米顆粒作為一種新型添加劑，可有效地改善土體巖土性質(zhì)，其在土壤改良方面的應(yīng)用得到廣泛的研究，但其在軟黏土加固方面的研究卻相對(duì)較少。因此本文從工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，研究納米黏土對(duì)加州承載比（CBR）和軟黏土滲透率的影響，研究結(jié)果以期為軟黏土地基的工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 土壤性質(zhì)

土壤學(xué)家通過(guò)土壤中砂粒、粉粒和黏粒的含量來(lái)描述土壤類(lèi)型，這被稱為土壤質(zhì)地?？梢酝ㄟ^(guò)添加不同的物質(zhì)來(lái)改變土壤質(zhì)地。改變土壤質(zhì)地有助于為植物提供生長(zhǎng)所需的適宜條件。砂粒是土壤中最大的顆粒。粉土是粒徑介于砂土和黏土之間的土顆粒。粉土質(zhì)地光滑，呈粉末狀，潮濕時(shí)，感覺(jué)光滑但不黏稠。黏粒是顆粒中最小的。黏土干燥時(shí)光滑，潮濕時(shí)黏稠。黏粒含量高的土壤稱為重壤。黏土也含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但不能讓空氣和水很好地通過(guò)。粒徑大小與土壤排水和養(yǎng)分固持能力有很大關(guān)系。

在軟土地基上修建公路是世界許多地區(qū)公路建設(shè)中最常見(jiàn)的問(wèn)題之一。通常的軟土地基加固方法是將軟土去除，換成強(qiáng)度更高的碎石材料。高昂的換填費(fèi)用使得公路部門(mén)不得不對(duì)軟土地基上公路建設(shè)的替代方法進(jìn)行評(píng)估。

1.2 納米黏土

納米黏土的重要原料是蒙脫石，一種具有片狀結(jié)構(gòu)的二至一層狀蒙脫石黏土礦物。每層厚度約為1nm，直徑從10nm 到幾微米，根據(jù)改性方法的不同，層間距在1nm 左右。由于其高長(zhǎng)徑比和良好的物理與熱學(xué)性能，納米黏土在阻隔性、阻燃性、熱學(xué)和力學(xué)性能方面具有優(yōu)異的改善潛力。

1.3 穩(wěn)定性

穩(wěn)定化是通過(guò)與土壤進(jìn)行混合攪拌，改善土壤某些性質(zhì)的過(guò)程。該過(guò)程可能包括將土壤混合以達(dá)到所需的級(jí)配或混合市售添加劑來(lái)改變級(jí)配、質(zhì)地和可塑性，或作為黏結(jié)劑來(lái)固結(jié)土壤。

1.4 土壤分類(lèi)

土的分類(lèi)是根據(jù)土的可能工程特性對(duì)土進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)的一種方法。土壤的分類(lèi)是基于其顆粒分布，如果土壤是細(xì)粒的，則基于其可塑性（LL 和PL）。道路工程中應(yīng)用最廣泛的分類(lèi)系統(tǒng)是統(tǒng)一土分類(lèi)系統(tǒng)、AASHTO 分類(lèi)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)。土壤分類(lèi)只應(yīng)被視為獲得土壤行為總體概念的一種手段，而絕不能替代土壤性質(zhì)的詳細(xì)調(diào)查。

1.5 土壤工程性質(zhì)

土的工程性質(zhì)分類(lèi)是根據(jù)土作為基礎(chǔ)材料或建筑材料的適宜性而發(fā)展起來(lái)的。土的工程性質(zhì)作為土的工程行為的初步指導(dǎo)是非常重要的。因此，在任何重要的工程中，應(yīng)結(jié)合土壤的用途進(jìn)行工程土壤分類(lèi)，因?yàn)椴煌男再|(zhì)決定了在不同的情況下土壤的行為。許多學(xué)者對(duì)固化土的基本工程性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了低成本建造房屋和道路基礎(chǔ)設(shè)施中，水泥窯灰和火山灰對(duì)混合水泥摻和土強(qiáng)度的影響。

1.6 道路施工

道路是由路基、底基層、基層和面層組成的多層結(jié)構(gòu)。路基是土體的最上層，由天然或進(jìn)口土組成，以支撐上覆土層傳遞的荷載。因此，底基層在將荷載傳遞到路基之前，起到了分散底基層荷載的作用。覆蓋于底基層之上的基層對(duì)交通荷載的支撐和分散作用突出。面層由黏結(jié)層和磨耗層組成。黏結(jié)層起支撐、分散交通荷載和抵抗剪切的作用，而最上層(磨耗層)起抗磨損和防止打滑的作用。道路施工中的軟土路基是世界上許多地區(qū)公路建設(shè)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題之一。這些問(wèn)題土無(wú)論是在施工中還是在路面使用壽命期間，都不具備足夠的強(qiáng)度來(lái)支撐其承受上部荷載。通常的軟土地基加固方法是將軟土去除，用碎石等強(qiáng)度較高的材料代替。高昂的換填成本使得公路承包商不得不探索軟基上公路建設(shè)的替代方法。因此，必須對(duì)這種土進(jìn)行處理，為路面的施工提供穩(wěn)定的路基或工作平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的策略之一是土壤穩(wěn)定化。土壤穩(wěn)定化包括物理穩(wěn)定化（如強(qiáng)夯法）和化學(xué)穩(wěn)定化（如與水泥、粉煤灰、石灰混合等）。道路最重要的一層就是路基，當(dāng)路基建立在固有的弱土中時(shí)，這種材料通常被移除，代之以更強(qiáng)的顆粒材料。

2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

2.1 阿特伯格極限

阿特伯格極限是測(cè)定土的塑限和液限的室內(nèi)試驗(yàn)。采用圓錐貫入儀試驗(yàn)測(cè)定納米黏土的塑限和液限。得到納米黏土的塑性和液限值，即可得到納米黏土的塑性指數(shù)（PI）。

2.2 滲透性

滲透試驗(yàn)是測(cè)定滲透系數(shù)k 或水流通過(guò)土樣的速率的室內(nèi)試驗(yàn)。所采用的滲透試驗(yàn)類(lèi)型為落頭試驗(yàn)，因其適用于細(xì)粒土。本文采取了該方法，試驗(yàn)方法如圖1所示。

2.3 加州承載比CBR

CBR 是評(píng)價(jià)道路路基和基層力學(xué)強(qiáng)度的滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)采用如圖1所示的設(shè)備，用標(biāo)準(zhǔn)面積的柱塞測(cè)量土樣貫入所需的壓力。CBR 等級(jí)是為衡量道路用土的承載能力而制定的。表面越硬，CBR 等級(jí)越高。

圖1 滲透性和CBR 測(cè)試設(shè)備巖心切割機(jī)

3 結(jié)果分析

本章對(duì)完成的試驗(yàn)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和討論。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄了土體的最大干密度、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)k、CBR 值等原始數(shù)據(jù)。然后對(duì)它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以確定使用膨潤(rùn)土和納米黏土作為摻和料的土壤是否獲得了更大的強(qiáng)度。

3.1 納米黏土的最佳水分含量

由圖2可知，納米黏土（BPSC）的最優(yōu)含水率（OMC）為16%，最大干密度為1.774Mg/m3。圖中所示的擊實(shí)曲線給出了納米黏土在特定壓實(shí)作用下，干密度與含水率的關(guān)系。

圖2 納米黏土的最佳水分含量圖

3.2 不同外加劑摻量的滲透系數(shù)k

圖3為不同比例的外加劑通過(guò)納米黏土的滲透系數(shù)或滲透速率。由圖3可知，滲透系數(shù)由外加劑比例的0%減小到外加劑比例的15%。表明隨著外加劑比例的增加納米黏土的水通過(guò)土樣的滲透速率幾乎呈線性減小。表1為0%、5%、10%和15%外加劑比例的滲透系數(shù)值。

圖3 外加劑百分比與滲透系數(shù)的關(guān)系

表1 不同外加劑比例下的平均滲透系數(shù)值

3.3 不同外加劑比例對(duì)CBR 值的影響

通過(guò)加州承載比（CBR）試驗(yàn)評(píng)價(jià)納米黏土的強(qiáng)度是否適用于道路路基的施工。試驗(yàn)通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)面積的柱塞測(cè)量穿透土樣所需的壓力來(lái)進(jìn)行。CBR 等級(jí)是為了衡量道路用土的承載能力而制定的。圖4為不同外加劑比例下納米黏土的最大干密度對(duì)應(yīng)的加州承載比。

表2給出了由圖4解釋的CBR 值。基于該值，表明CBR 值隨著納米黏土中外加劑比例的增加而增加。然后將這一結(jié)果與CBR 的總體評(píng)分表3進(jìn)行比較。

圖4 不同外加劑比例下納米黏土的最大干密度對(duì)應(yīng)的加州承載比

表2 不同外加劑比例下CBR 占95%干密度的百分比

表3 CBR 總體評(píng)分表

4 結(jié)論

其一，膨潤(rùn)土和納米黏土的增加減少了土壤混合物中的空隙。當(dāng)土壤混合物中的空隙減少時(shí)，流經(jīng)土壤的滲透系數(shù)也會(huì)降低，從而改善了土壤，適合用于道路路基。其二，當(dāng)膨潤(rùn)土和納米黏土的百分比增加時(shí)，土壤混合物的加州承載比值增加，從而增加了土壤混合物的強(qiáng)度。加州承載比的越高表明土壤的強(qiáng)度越好。其三，所采用的膨潤(rùn)土和納米黏土是一種適宜的強(qiáng)化添加劑，可用于改善軟土道路路基的質(zhì)量。