李 軍，鐘賢勍，胡廷志，梁軍林

(1.廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530004)

0 引言

土作為公路建設(shè)中一種最為普遍的材料，在路基中扮演著重要角色，其工程性能直接影響著公路施工及使用質(zhì)量的好壞。不同地區(qū)的土由于地理壞境以及形成過程中的差異，導(dǎo)致其物理特性具有很大的差異性，即使按塑性圖進(jìn)行劃分屬于同一類型的土，也會(huì)因?yàn)槠涓髯缘牡V物組成及工程地質(zhì)壞境的不同而產(chǎn)生極大的工程性質(zhì)差異。我國海岸線漫長，內(nèi)地河流分布眾多，因此造就了眾多類型的沿海、沿河的沖積土壤，其中的近海低液限粉土便是沿海地區(qū)一大類特殊土，廣西北部灣地區(qū)的近海河口地區(qū)大范圍分布有該類特殊土。其形成過程中主要受入海河流沖積、洪水沖積以及海相沉積作用，使該類低液限粉土的組成與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其物理、水理及力學(xué)性質(zhì)波動(dòng)很大，土的中間物理狀態(tài)復(fù)雜[1]，造成其工程應(yīng)用上難以與現(xiàn)有的工程理論與經(jīng)驗(yàn)建立起直接明確的關(guān)系。一方面，近海低液限粉土表象均勻，含有一定量膠結(jié)物質(zhì)，天然狀態(tài)下的低液限粉土呈現(xiàn)出較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度特性；另一方面，由于近海低液限粉土的顆粒組成變異性大，造成其各向異性明顯，作為路基填料使用時(shí)易造成路基沉降不均勻，同時(shí)在開挖過程中受擾動(dòng)后近海低液限粉土水穩(wěn)程度降低，整體表現(xiàn)出填料強(qiáng)度低的特點(diǎn)。

目前，針對低液限粉質(zhì)土以及受水流沖積沉積粉質(zhì)土的特殊物理性質(zhì)及工程特性已有較多學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)系列研究，但由于不同地區(qū)粉土特性差異的限制，尚無法形成統(tǒng)一的低液限粉土的評價(jià)方法及應(yīng)用方法。本文依托廣西貴(港)合(浦)高速公路建設(shè)項(xiàng)目，在已有的相關(guān)研究成果上[2-7]，通過分析顆粒組成及結(jié)構(gòu)性對近海低液限粉土強(qiáng)度的影響，研究該地區(qū)低液限粉土路用強(qiáng)度性能，對低液限粉土的強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了有益的探討。

1 低液限粉土特性

1.1 土樣顆粒分析

廣西北部灣沿海地區(qū)的低液限粉土由于在形成過程中經(jīng)受流水沖刷及海相沉積作用，使得其顆粒組成變異性大。選取貴合高速建設(shè)標(biāo)段內(nèi)10個(gè)土樣對其進(jìn)行常規(guī)顆粒分析試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。部分試驗(yàn)土樣粗粒土含量大，考慮近海地區(qū)土受內(nèi)陸入海河流及海水沖刷、搬運(yùn)作用，造成土樣顆粒分布不均勻，但土體組成顆?？傮w上仍以細(xì)粒土為主。因此，該地區(qū)土的工程性質(zhì)及路用性能取決于細(xì)粒土的物理特性。表1所示試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)場土樣界限含水率與塑性指數(shù)值均偏高，且波動(dòng)性質(zhì)明顯，按塑性圖劃分，各個(gè)土樣分布在CL區(qū)與ML區(qū)的A線附近，總體分析，應(yīng)定名為低液限粉土。對以細(xì)顆粒為主的土樣進(jìn)行顆粒分析，采用移液管法，其中土樣A7在水中浸泡12 h，土樣A8浸泡24 h，土樣A10浸泡48 h，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)，細(xì)粒土顆粒組成以粉粒土為主，隨著土樣浸泡時(shí)間的增加，其黏粒含量逐步增加，表明天然狀態(tài)下的低液限粉土內(nèi)含有一定的膠結(jié)物質(zhì)，在膠結(jié)作用下，土中細(xì)小顆粒容易結(jié)成較大的土顆粒，因此判斷膠結(jié)作用是近海低液限粉土顆粒組成變異性的主要原因之一。

表1 貴合高速土樣試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2 近海低液限土顆粒組成通過百分率匯總表

1.2 膠結(jié)物質(zhì)對土顆粒組成的影響

根據(jù)移液管法對土樣顆粒分析的結(jié)果，推測北部灣地區(qū)的低液限粉土含有較強(qiáng)的膠結(jié)物質(zhì)。對土樣進(jìn)行差熱分析，得到土樣含有的黏土礦物與非黏土礦物成分如表3所示。土樣中含有的鐵質(zhì)、硅質(zhì)礦物，可以形成鐵質(zhì)膠結(jié)物和硅質(zhì)膠結(jié)物使低液限粉土試樣具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。

文獻(xiàn)[8]中給出了去除不同形態(tài)鐵后顆粒分布變化的例子，根據(jù)這些例子，在對該低液限粉土試樣的顆粒分散試驗(yàn)中，選取焦磷酸鈉為分散劑，仍采用移液管法，所得結(jié)果見圖1。土樣A7、A8、A10為原狀土，A7#、A8#、A10#為加入焦磷酸鈉后得到的試驗(yàn)結(jié)果。通過分散劑處理后，土樣中黏粒含量明顯提高且顆粒組成趨于穩(wěn)定，說明在天然狀態(tài)下，該地區(qū)的低液限粉土中的大量黏粒由于膠結(jié)作用而形成了粉粒，由于各個(gè)土樣的膠結(jié)作用的強(qiáng)度不一，這是造成近海低液限粉土顆粒組成變異性大，界限含水率波動(dòng)的主要原因之一。

北部灣近海河口地區(qū)的低液限粉土組成較為復(fù)雜，天然狀態(tài)下的低液限粉土表現(xiàn)出粗細(xì)粒土組成波動(dòng)性、界限含水率大的特點(diǎn)，因此造成其水穩(wěn)定性難以評價(jià)。使用分散劑去除土中含有的膠結(jié)物質(zhì)后，土顆粒得到充分分散，顆粒組成趨于穩(wěn)定，顯示近海低液限粉土的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)是其復(fù)雜性質(zhì)的重要成因。

表3 洪沖積細(xì)粒土樣礦物成分表

圖1 土樣顆粒分析曲線圖

2 低液限粉土承載比試驗(yàn)

2.1 承載比試驗(yàn)原理

土作為路基填料的工程性質(zhì)通常以加州承載比(CBR)作為指標(biāo)。CBR試驗(yàn)值能反映土體進(jìn)行貫入試驗(yàn)之后，土樣試件中部與土樣整體之間的相對位移，是土體局部抗剪強(qiáng)度的表征，其反映在路基上則可以對路基局部抗剪強(qiáng)度進(jìn)行表征。

2.2 低液限粉土CBR試驗(yàn)方法

土的強(qiáng)度理論基于Coulomb強(qiáng)度公式以及Terzaghi有效應(yīng)力原理認(rèn)為：決定土體強(qiáng)度的參數(shù)為有效應(yīng)力、粘聚力、內(nèi)摩擦角。粘聚力表現(xiàn)為土中顆粒間的相互作用力，尤其是土體內(nèi)孔隙間有水存在時(shí)，親水黏土礦物與水結(jié)合形成的膠結(jié)物質(zhì)以及顆粒間的液橋力使土體內(nèi)土顆粒形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。內(nèi)摩擦力主要依靠于土顆粒間的擠壓與摩擦形成土骨架，李廣信等人通過對土骨架的研究認(rèn)為，土體抗剪強(qiáng)度主要依靠于土骨架的形成及其強(qiáng)度[9]。由于近海低液限粉土顆粒組成以細(xì)粒土為主，根據(jù)孫其誠等[10]對顆粒物質(zhì)密實(shí)程度的研究，近海低液限粉土土顆粒粒徑分布較為單一，可視為按等大球體自然堆積，其球體顆粒間通過相互接觸擠壓形成穩(wěn)定整體，以配位數(shù)作為其接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)的衡量指標(biāo)，當(dāng)配位數(shù)為6時(shí)達(dá)到理論最大密實(shí)度，其理論孔隙率為0.395。對現(xiàn)場低液限粉土原狀孔隙率測定結(jié)果為0.552～0.648之間，密實(shí)程度低，顆粒排列松散。設(shè)計(jì)試驗(yàn)通過摻入適當(dāng)細(xì)粒土，以現(xiàn)有粉土顆粒為主要土骨架，通過擊實(shí)成型，使土顆粒間空隙得到充分填充，可以降低孔隙率提高密實(shí)度來提高土的CBR值。因此摻配土的選擇以顆粒組成與施工現(xiàn)場的低液限粉土顆粒組成相似為主要原則。

根據(jù)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)，近海低液限粉土CBR試驗(yàn)采用泡水后進(jìn)行貫入與天然原狀土擊實(shí)后直接貫入兩種形式，泡水試驗(yàn)?zāi)M土樣在最不利環(huán)境下，土顆粒間充滿孔隙水時(shí)的CBR值。為研究其結(jié)構(gòu)性對低液限粉土CBR值的影響，針對低液限粉土試件采取不同的處理方法及通過與其他土樣摻配，進(jìn)行顆粒改良后的CBR試驗(yàn)。

摻配土樣選用臨近北部灣地區(qū)的一種高液限黃黏土，其土的基本特性如表4。下頁圖2為用于摻配的高液限黃黏土與近海低液限粉土的顆粒組成對比曲線圖，采用與近海低液限粉土相同的顆粒分析方法，分析結(jié)果表明高液限黃黏土顆粒相較于低液限粉土顆粒的平均粒徑更大，黏粒含量極少，符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

表4 高液限黃黏土基本特性表

圖2 土樣顆粒分散試驗(yàn)曲線圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

針對近海低液限粉土CBR試驗(yàn)及摻配改良后CBR試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。土樣1#、2#、3#、4#為近海低液限粉土結(jié)構(gòu)性對比試驗(yàn)組，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過泡水后的粉土試樣，其CBR值出現(xiàn)大幅衰退，表明該類低液限粉土在孔隙含水量大的情況下，原有膠結(jié)物質(zhì)開始逐漸溶解，膠結(jié)作用的逐漸消失導(dǎo)致了低液限粉土原有結(jié)構(gòu)性會(huì)被破壞；同時(shí)風(fēng)干作用對低液限粉土的結(jié)構(gòu)性同樣有重要影響，風(fēng)干重塑土樣成型直接貫入的CBR值低于原狀貫入值，但風(fēng)干重塑后的土樣水穩(wěn)定性有一定提高，表征為風(fēng)干重塑土在泡水后的CBR值較原狀土樣有小幅提高，說明該地區(qū)近海低液限粉土的土中孔隙含水量對其結(jié)構(gòu)性有重要影響，同時(shí)孔隙含水量的流失對結(jié)構(gòu)性的影響具有不可逆性。

土樣5#、6#為高液限黃黏土在規(guī)范下通過承載比試驗(yàn)所測定的CBR值，發(fā)現(xiàn)該土在原狀下具有較高的整體強(qiáng)度，但在水的影響下，其強(qiáng)度衰退幅度很大，說明其水穩(wěn)定性不佳，土中飽和度對其工程性質(zhì)影響顯著。對比土樣1#、5#，在非飽和狀態(tài)下的黃黏土CBR值要高于低液限粉土CBR值，土樣1#中黏粒含量高于5#，這符合已有的研究發(fā)現(xiàn)[11]，即黏粉比越大，CBR值越小。

土樣7#～14#為低液限粉土與高液限黃黏土的摻配混合CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)通過調(diào)整兩種土樣的摻配比例進(jìn)行對比試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著低液限粉土中摻配的高液限黃黏土比例的增加，混合土樣的原狀CBR值與泡水后的CBR值并未出現(xiàn)明顯的單調(diào)升降關(guān)系；土樣12#、14#對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合土樣中兩種土的摻配比例接近1∶1時(shí)，其飽和狀態(tài)下的CBR值趨于穩(wěn)定，且與高液限黃黏土飽和狀態(tài)下的CBR值相近。對于原狀擊實(shí)成型后直接貫入的各組土樣的CBR值，同樣出現(xiàn)與飽和狀態(tài)類似的CBR值的波動(dòng)情況，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各個(gè)混合比例下的原狀土CBR值趨近于低液限粉土的原狀未經(jīng)泡水處理的CBR值，表明近海低液限粉土的結(jié)構(gòu)性對土體抗剪強(qiáng)度影響較大，進(jìn)行摻配混合后的土在抵抗外力作用及變形的主體仍然是近海低液限粉土。

表5 CBR試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3 CBR影響因素分析

Terzaghi有效應(yīng)力原理認(rèn)為：有效應(yīng)力是作用于單位土骨架面積上的力，是影響土體強(qiáng)度和變形的重要因素。結(jié)合文獻(xiàn)[11]中對巖土顆粒力學(xué)強(qiáng)度作出的系統(tǒng)研究分析，總結(jié)出土作為一種典型的顆粒性質(zhì)材料，其力學(xué)性能由顆粒間的接觸力決定，土顆粒間的接觸擠壓形成土中的顆粒力鏈來承擔(dān)外部作用在土體上的力，力鏈的力學(xué)效應(yīng)即所謂的“土骨架效應(yīng)”[12]。同時(shí)土顆粒間的接觸作用力大小與孔隙率e及顆粒平均粒徑d有關(guān)：

(1)

對于北部灣地區(qū)的近海低液限粉土，其土體主要由細(xì)粒土組成且土中顆粒粒徑分布較為單一，以粒徑分布在0.002～0.075 mm的粉粒為主，根據(jù)式(1)，在外部應(yīng)力作用下，由于其主要顆粒粒徑細(xì)小，土顆粒間接觸力較小，因而由此產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力較小，難以形成穩(wěn)定高強(qiáng)度的力鏈體系，因此近海低液限粉土以及其混合土樣CBR值均較小，表明以加入細(xì)顆粒為主的物理改良對提高其土體強(qiáng)度的效果十分有限。

對于由細(xì)粒土構(gòu)成的土體，其抗剪切強(qiáng)度主要由黏聚力構(gòu)成，大小取決于細(xì)顆粒間的相互作用力。對現(xiàn)場低液限粉土土樣進(jìn)行差熱分析，其含有硅質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)以及一定量的黏土礦物。當(dāng)土中含有一定量的水分時(shí)，黏土礦物顆粒的親水性使黏土顆粒間形成水膜，此時(shí)土體在抵抗變形時(shí)，土顆粒間的摩擦擠壓由于水膜的潤滑作用而使其摩擦力減小。細(xì)顆粒含量的提高也相應(yīng)增多了顆粒間水膜存在的數(shù)量，因此試驗(yàn)土樣在經(jīng)過泡水處理后的CBR值出現(xiàn)大幅降低。隨著黏土顆粒的增加，可以使細(xì)粒土中粉粒上附著的黏粒數(shù)量增加，起到部分潤滑作用，對于經(jīng)過泡水之后的近海低液限粉土，土中原有膠結(jié)物質(zhì)開始溶解流失，黏粒含量提高，其試驗(yàn)結(jié)果的CBR值出現(xiàn)減小的情況。對于土中原有黏粒少的高液限黃黏土，通過摻配混合的方法增加黏粒含量對提高土體CBR有一定效果，試驗(yàn)土樣8#、10#、12#、14#對此得以表征，但由于高液限黃黏土土樣中以粉粒土為絕大多數(shù)，摻配進(jìn)入的黏粒容易集中堆積在部分粉土顆粒間的空隙中，且黏粒本身與水接觸后形成的膠結(jié)作用不足以使土中顆粒形成穩(wěn)定的連接，因此對提高CBR值效果有限，說明具有不同結(jié)構(gòu)性、水理特性的土在相似的顆粒級配下，其強(qiáng)度大小差異很大。

4 結(jié)語

(1)北部灣地區(qū)的低液限粉土由于流水沖積及海相沉積的影響，使得其具有復(fù)雜的組成及結(jié)構(gòu)性，物理力學(xué)特性和水理特性波動(dòng)性大，造成工程應(yīng)用的困難。

(2)近海低液限粉土含有膠結(jié)物質(zhì)，通過泡水能消除部分膠結(jié)，使用分散劑能使土顆粒充分分散；膠結(jié)物質(zhì)的存在使土內(nèi)黏粒容易聚攏形成粉粒，這是造成該地區(qū)低液限粉土組成顆粒波動(dòng)性的重要原因之一。

(3)細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)性、含有的礦物類型及膠結(jié)物質(zhì)是影響其CBR的重要因素之一。不同結(jié)構(gòu)性的土通過相互摻配改變顆粒級配的方法對提高土體強(qiáng)度的效果有限，表現(xiàn)為具有相似顆粒組成或液塑限的土樣，由于各自的結(jié)構(gòu)性與成因的差異，其土體強(qiáng)度也會(huì)有很大差異。近海低液限粉土的結(jié)構(gòu)性具有不可逆性，擾動(dòng)重塑后的土體強(qiáng)度與重塑前存在差異，因此該類土在用于路基填料時(shí)，應(yīng)關(guān)注其開挖擾動(dòng)、翻曬等外力影響后工程性質(zhì)變化的問題。