蔣紅光，曹讓，2，黃貝貝，侯偉，陳魯川，姚占勇*

(1.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟南 210096；2.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團有限公司);3.山東高速集團有限公司)

高液限黏土是指粒徑在0.075 mm以下的細粒含量超過50%、液限大于50%、塑性指數(shù)大于26的黏性土。黃河下游沖淤積在山東省魯西南和魯西北平原形成了大量特殊的黃泛區(qū)高液限黏土，分布于河湖相洼地，天然含水率高，滲透性差，能長時間保持水分，影響路基施工碾壓質(zhì)量和長期強度。JTG D30—2004《公路路基設(shè)計規(guī)范》和JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：高液限黏土不能直接用于路基填筑，要求按廢棄或摻外加劑改性處理。由于公路建設(shè)中取土場嚴重匱乏，若棄之不用，將造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境問題。

對于典型南方高液限黏土的路用性能，中國很多學(xué)者開展了大量的室內(nèi)外試驗研究。吳立堅等對福建地區(qū)的高液限黏土進行了室內(nèi)基本物性試驗和現(xiàn)場填筑試驗，認為當(dāng)控制合理的含水率范圍25%～32%(最優(yōu)含水率為25%)、并重型碾壓8～10遍時，可以保證壓實后路堤的CBR值滿足規(guī)范要求；劉鑫和洪寶寧通過對廣梧高速公路河口至平臺段高液限黏土的CBR值及沉降研究，提出了高液限黏土和含砂高液限黏土的壓實標(biāo)準(zhǔn)可降至88%；程濤等對廣東云羅高速公路沿線高液限土路基進行了大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，發(fā)現(xiàn)對于該高液限土采用包蓋法處理及降低壓實度標(biāo)準(zhǔn)至88%后填筑路基的沉降滿足規(guī)范要求；劉銀生提出高液限土填筑路基的指標(biāo)為液限小于70%、壓縮系數(shù)小于0.5 MPa-1、碾壓稠度大于1.15。但是對于含水率超過其最佳含水率4%左右、壓實度小于90%的土體，當(dāng)碾壓次數(shù)超過18次后會產(chǎn)生彈簧土現(xiàn)象；盧博等采用數(shù)值模擬的方法分析探討了高液限黏土路堤填筑過程中壓實度的變化與路堤穩(wěn)定性的關(guān)系，結(jié)果表明：竣工時路堤穩(wěn)定性隨壓實度增量的增大呈現(xiàn)階段性的線性增長，沉降穩(wěn)定階段路堤穩(wěn)定性隨壓實度增量的增大略微增大。

中國規(guī)范中以擊實試驗確定的最佳含水率及壓實度為控制標(biāo)準(zhǔn)，但黏粒含量較高的黏性土現(xiàn)場碾壓難以達到。對于該類型的高液限黏土，實際工程中經(jīng)常存在含水率偏高、壓實度偏低狀態(tài)下碾壓的路基卻處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的情況，對此日本規(guī)范提出采用施工控制指標(biāo)含水率及空氣體積率來滿足細粒土路基施工沉降量的要求。因此，研究山東黃泛區(qū)高液限黏土填筑路基強度、變形與壓實性狀，確定現(xiàn)場碾壓技術(shù)與壓實質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，對山東省“十三五”期間大規(guī)模的交通路基建設(shè)具有十分重要的意義。

1 黃泛區(qū)高液限黏土的物理力學(xué)特性

1.1 基本物理特性指標(biāo)

湖淤積高液限黏土在山東省魯西南和魯西北地區(qū)廣泛分布。試驗土樣取自濟徐高速公路沿線，級配曲線如圖1所示，細粒含量達到90%以上，其中：粉粒含量占57.6%，黏粒含量占24.3%。土體液限wL=47.7%，塑限wP=23.4%，塑性指數(shù)IP=24.3。據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，塑性指數(shù)超過17的土體定義為黏土。但是與一般黏土相比，該黃泛區(qū)黏土的粉粒含量遠高于黏粒，且粉粒的磨圓度較高，導(dǎo)致其液限和塑性指數(shù)偏低。

圖1 山東黃泛區(qū)高液限黏土典型級配曲線

通過Jade軟件分析其X射線衍射圖譜，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中黏土礦物的X射線衍射特征及晶面結(jié)構(gòu)的對比分析，可以大致判斷出該土中含有伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，并以伊利石和蒙脫石為主。

基于重型擊實試驗，得到最優(yōu)含水率ωopt=16.6%，最大干密度ρdmax=1.83 g/cm3，如圖2所示。該類高液限黏土的擊實曲線駝峰較寬，在最佳含水率左側(cè)，擊實曲線較寬緩，表現(xiàn)出粉性土的性狀，空氣體積率較高；在最優(yōu)含水率右側(cè)，擊實曲線趨于直線下降，當(dāng)擊實含水率超過20%后，隨含水率增高，擊實曲線趨近甚至重合于飽和線，空氣體積率低，干密度迅速下降，擊實出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象。可見，在最優(yōu)含水率濕側(cè)壓實，土體孔隙中的空氣易被壓縮排出，土體的壓實度較高，易達到93%以上。

1.2 CBR和回彈模量

對含水率為16%～26.6%、壓實度為85%～96%狀態(tài)下的多組土樣開展浸水前后CBR試驗(浸水時間為96 h)，結(jié)果如表1所示。由表1可知,當(dāng)浸水96 h后，土樣的CBR值普遍低于2%。說明浸水后，土體強度喪失非常大。但是，不浸水下土樣的CBR值遠高于3%的規(guī)范限值，即使在含水率為25.2%、壓實度為89%、飽和度已達96%的最不利工況下，土樣CBR值仍然達到3.6%。說明在不飽和狀態(tài)且飽和度較高的情況下路基仍具有足夠的支撐強度。

圖2 山東黃泛區(qū)高液限黏土重型擊實曲線

表1 浸水前后CBR值

對含水率為16%～26.6%、壓實度為85%～96%狀態(tài)下的多組土樣開展了回彈模量試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同壓實度下回彈模量與含水率關(guān)系

由圖3可知,含水率為17%～23%，不同壓實度下土體的回彈模量均呈現(xiàn)較高幅度的降低，由80～160 MPa降至30～40 MPa；當(dāng)含水率為23%時，各個壓實度下的回彈模量值差別不大，回彈模量值為40 MPa左右；當(dāng)含水率進一步提高時，85%壓實度下的土體回彈模量低于20 MPa?？梢?，當(dāng)含水率控制在23%以內(nèi)、壓實度不低于90%時，回彈模量可控制在40 MPa以上。

1.3 抗剪強度指標(biāo)

對含水率為17%～23%、壓實度為85%～96%狀態(tài)下的多組土樣開展了直剪試驗，結(jié)果如圖4所示。壓實度對黃泛區(qū)高液限黏土黏聚力的影響如圖4(a)所示，在最佳含水率時，壓實度每提高1%，黏聚力增加15.8 kPa；當(dāng)土體含水率增加至20%和23%時，壓實度每提高1%，黏聚力僅增加6.49 kPa和4.61 kPa，即隨著土體含水率的增加，提高壓實度對增大土體黏聚力的效果逐漸減弱。壓實度對黃泛區(qū)高液限黏土內(nèi)摩擦角的影響如圖4(b)所示，各含水率條件下內(nèi)摩擦角幾乎不受壓實度影響，這與黃泛區(qū)高液限黏土的高磨圓度粉粒骨架有關(guān)，內(nèi)摩擦角主要來自于團粒結(jié)構(gòu)的接觸摩擦，增大壓實度對摩擦接觸效果非常有限。因此，對于黃泛區(qū)高液限黏土，提高壓實度僅能增大土體的黏聚力。而且，隨著含水率的增加，壓實度對土體黏聚力的影響也在衰減，即在較高含水率下碾壓施工，土體的抗剪強度并不因壓實度的增加而顯著提高。

圖4 抗剪強度指標(biāo)與壓實度的關(guān)系曲線

2 室內(nèi)模型試驗

高液限黏土現(xiàn)場施工主要有兩個難題：① 曬不干：天然含水率高，滲透系數(shù)小，松散土晾曬時一般2～3 d翻曬一遍，正常晾曬需>25 d，晾曬后的土外干內(nèi)濕，含水率分布不均；② 壓不實：高含水率下的土體空氣體積率較低，氣-水在土體中承擔(dān)部分壓力產(chǎn)生較大彈性變形，過高含水率下碾壓易翻漿。由于現(xiàn)場存在大面積的高含水率填土，短期內(nèi)很難晾曬至最優(yōu)含水率。因此，為保證路基的受力和變形性能，驗證含水率和壓實度的合理范圍，進行了室內(nèi)試槽模擬試驗。路堤模型上層素土填筑含水率為18%～22%，厚度為1 m；下層含水率為23%～27%，厚度為1 m，含水率分布見圖5。受室內(nèi)夯實機械夯擊能所限，路堤上層的壓實度為88%左右，而下層的壓實度為85%左右。土基填筑壓實完成后，表面放置承載板，采用千斤頂逐級加載，監(jiān)測路堤應(yīng)力和變形。

圖5 試槽填筑含水率沿深度的分布

不同荷載等級下加載板中心正下方的土體附加應(yīng)力如圖6所示。

圖6 豎向附加應(yīng)力沿深度的分布

由圖6可知：當(dāng)荷載水平低于150 kPa時，豎向附加應(yīng)力隨著深度的增加出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，這主要是因為剛性加載板下的附加應(yīng)力分布呈“馬鞍形”，即加載板邊緣應(yīng)力要高于加載板中間，形成“應(yīng)力架越”。隨著荷載的增加，加載板周圍土體因荷載過大而屈服，應(yīng)力逐漸向板中間轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)應(yīng)力重分布，此時加載板中間的應(yīng)力逐漸增大并趨向于表面施加的荷載?？傮w而言，路堤內(nèi)的附加應(yīng)力主要集中在1 m以內(nèi)，尤其是0.5 m的范圍內(nèi)；附加應(yīng)力在1 m以內(nèi)的區(qū)域衰減較快，降低了近80%，而彈性均質(zhì)半空間Boussinesq理論解為67%。這主要是由于上部1 m土體的壓實度要高于下部土體，形成了“硬-軟”組合的路堤結(jié)構(gòu)，上部較硬結(jié)構(gòu)層的荷載分擔(dān)范圍更廣，從而降低了路堤內(nèi)部的應(yīng)力水平。

不同深度處路基土體的豎向附加應(yīng)力隨外部荷載的變化關(guān)系如圖7所示。對于路基表面處的附加應(yīng)力，雖然應(yīng)力值因剛性基礎(chǔ)“馬鞍形”荷載分布特征而略低于施加的均布荷載值，但隨著外部荷載的提高近似線性增加，并趨于300 kPa，表明路基表層的土體(含水率為17%、壓實度為88%)在300 kPa的應(yīng)力水平下并未發(fā)生應(yīng)力軟化或是破壞現(xiàn)象。而對于路基下方0.5 m及其以下的土體，隨著外部荷載的增加，附加應(yīng)力出現(xiàn)先線性增長而后不再發(fā)展甚至減小的趨勢。隨著上部荷載從0增加到200 kPa，距路基頂面0.5(含水率為20%～23%、壓實度為88%)、1.0和1.5 m(含水率為25%、壓實度為85%)深度處的附加應(yīng)力逐漸增加至120、36和27 kPa；而后隨著外部荷載的進一步增大，該3處土體附加應(yīng)力不再增加，甚至略微減小，表明附加應(yīng)力已經(jīng)超過了土體的臨界應(yīng)力水平，使得土體產(chǎn)生了塑性屈服。因此，從總體表現(xiàn)看，該“硬-軟”雙層路基結(jié)構(gòu)，可以承受200 kPa的上部荷載作用而不產(chǎn)生強度破壞；但當(dāng)荷載超過200 kPa時，將會因為下部土體強度過低而產(chǎn)生應(yīng)力屈服。

圖7 不同深度處路基土體的豎向附加應(yīng)力隨荷載的變化

路堤總變形、回彈變形和塑性變形隨荷載的發(fā)展規(guī)律如圖8所示。由圖8可知,路堤總變形、彈性變形隨路基頂面施加的應(yīng)力增長而增長，曲線平滑，無明顯拐點，表明路堤具有較高的整體強度；路堤塑性變形相比于回彈變形小，隨著上部荷載的增加而緩慢發(fā)展，當(dāng)上部荷載超過200 kPa時，路堤塑性變形的發(fā)展速率有所增加，此時的總塑性變形為1.2 mm，對應(yīng)的回彈變形為3.7 mm，總變形為4.9 mm。土體總變形的80%為可恢復(fù)的回彈變形，僅20%為塑性變形，如圖9所示。由圖9可知,在上部荷載低于100 kPa時，回彈變形和塑性變形所占總變形的比例不隨荷載的增加而增加，基本維持在0.82和0.18的水平；當(dāng)荷載由100 kPa增加至200 kPa時，回彈變形所占比例降低至0.8，而塑性變形所占比例增加至0.2，但在此荷載范圍內(nèi)，兩者的變形比例仍較為穩(wěn)定，表明土體在其強度范圍內(nèi)發(fā)生了壓密變形，并未發(fā)生強度破壞；當(dāng)荷載增至200 kPa以上時，土體塑性變形所占比例持續(xù)增加，由0.2增大至0.25，且并未穩(wěn)定，表明土體的塑性變形所占比重在增大，路基土體因荷載過大產(chǎn)生了應(yīng)力屈服，越來越大的變形在卸載后不能恢復(fù)，表現(xiàn)為持續(xù)發(fā)展的塑性變形。這也與圖7中的應(yīng)力測試結(jié)果一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為：① 土體具備一定的強度，土骨架可以承擔(dān)大部分荷載而不發(fā)生應(yīng)力屈服，在荷載卸除之后，大部分的土顆?？梢曰謴?fù)至原有的位置，這是不發(fā)生較大塑性變形的前提；② 上路堤土體的空氣體積率并不高(9.2%～17%)，尤其是下路堤的空氣體積率非常低(2.8%～6.2%)，在加載過程中，盡管孔隙中的空氣產(chǎn)生了一定量的壓縮，引起了較大的總變形，但在荷載卸除后，隨著土顆?；氐皆形恢?，孔隙中的空氣也恢復(fù)至原有的體積狀態(tài)，孔隙的空氣在壓縮過程中未產(chǎn)生大規(guī)模的排出而導(dǎo)致孔隙壓縮，這是該路基土體回彈變形較大而塑性變形很小的重要原因，反映了該類型土近似不排氣、不排水的封閉“彈性變形體”特性。這也解釋了高速公路擴建時，雖然原路芯樣平衡含水率較高、壓實度為87%～90%，但未去掉原路面基層而加鋪路面結(jié)構(gòu)層的新路，沉降變形卻較少的現(xiàn)象。

圖8 土基頂部的荷載-變形曲線

圖9 土體回彈變形和塑性變形所占比例

試槽填筑完成后，每15 d檢測一次，共檢測4次，路基自密實沉降較小(表2)。表2顯示：隨時間增長各項測試數(shù)據(jù)變化不大，路基較為穩(wěn)定；試槽的回彈模量、彎沉及CBR值變異性大；回彈模量集中在43～69 MPa，略高于室內(nèi)試驗測得的數(shù)據(jù)；彎沉多為80～180(0.01 mm)，CBR>20%，路基強度較高。

試槽模擬試驗表明：該黃泛區(qū)高液限黏土碾壓后表面由于失水較快形成10 cm左右低含水率的硬殼層。雖然路堤下部的含水率較高、壓實度較低，但在上部含水率為18%～22%、壓實度不低于88%的硬土層作用下，荷載得到了重分布，路基最大塑性變形僅為1.2 mm，回彈模量達到40 MPa以上，能滿足路基工作期的強度和變形穩(wěn)定要求。

表2 試槽的各項檢測指標(biāo)

3 現(xiàn)場碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)

高液限黏土很難降低至最優(yōu)含水率，碾壓至目標(biāo)壓實度困難。為確定適宜于該類土的碾壓機械組合，以實現(xiàn)壓實控制指標(biāo)，在某高速公路里程為K40+900～K61+800、路基填高4～5 m的第一標(biāo)段，選取了兩個試驗段進行碾壓機械組合試驗，將室內(nèi)試驗的結(jié)果用于該現(xiàn)場試驗段工程，檢測彎沉評價抗變形能力?，F(xiàn)場試驗中，施工控制的松鋪厚度為30 cm，凸輪壓路機振動頻率為28 Hz，進行慢速、大激振力碾壓。

3.1 現(xiàn)場試驗

第一試驗段的土經(jīng)秋后37 d晾曬，碾壓前含水率為16.6%，壓實后為13%。壓實工藝：光輪壓路機靜壓1遍+凸輪碾壓3遍，現(xiàn)場檢測壓實度K=95.4%；繼續(xù)采用光輪壓路機強振2遍，壓實度K=92%；再繼續(xù)強振2遍，壓實度K=90.6%；而后沖擊碾4遍，靜置13 d測得壓實度K=88%。表明在最佳含水率附近，凸輪壓路機碾壓3遍，土體壓實度可達到約95%，壓實后的路基表層強度很高。當(dāng)土體結(jié)構(gòu)強度形成后繼續(xù)碾壓，將導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)受到擾動甚至破壞，強度與密實度降低。同時，通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，光輪壓路機強振或沖擊碾對土體施加的應(yīng)力易使土體快速形成較高的超靜孔隙水壓力，孔隙水沿粉粒間的通道上升至碾壓表面，導(dǎo)致碾壓表層土體濕軟，壓實效果較差。凸輪壓路機由于單位壓強大，可刺破土體表層，利于土體中氣體的排出和超靜孔壓的釋放，迫使有效應(yīng)力在一定深度內(nèi)增大。因此，對于高液限黏土路基碾壓適宜采用凸輪壓路機。

第二試驗段采用僅晾曬1 d的土體，含水率為23%～26%，部分區(qū)段為21%。試驗段長200 m，寬30 m，采用光輪壓路機靜壓1遍，然后凸輪壓路機多次碾壓。凸輪壓路機碾壓4～5遍后路基表面呈現(xiàn)出明顯的潮濕現(xiàn)象，繼續(xù)碾壓出現(xiàn)翻漿，故碾壓至5遍后停止作業(yè)。經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率為21%時，壓實度可達92%以上，而當(dāng)含水率為23%～26%時，土體處于中濕狀態(tài)，壓實度一般可達88%以上。圖10為實測壓實度隨總碾壓遍數(shù)的變化關(guān)系，即當(dāng)凸輪壓路機碾壓3～4遍時，干密度達到最大，壓實度為89%～93%，繼續(xù)碾壓壓實度降低。表明在碾壓的前3次，凸輪可以刺破路基土體，使得土中氣體逸出，水分上移消散，孔隙壓縮，土顆粒擠密，密實度增長至穩(wěn)定狀態(tài)。路基上部碾壓土體形成密實的硬殼層，阻礙了硬殼層下部土體中氣、水的排出。隨著碾壓遍數(shù)增加，硬殼層下部土體中的水、氣兩相進一步承壓，正如室內(nèi)模型試驗結(jié)果所反映的現(xiàn)象，增加的荷載主要由封閉的氣、水兩相承擔(dān)，土骨架承擔(dān)荷載幾乎沒有變化，表現(xiàn)出土體不排氣、不排水的封閉“彈性變形體”的特點，現(xiàn)場路基土體實際表現(xiàn)為碾壓過程中出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象。而當(dāng)壓路機進一步碾壓，過大的孔隙氣壓和超靜孔壓，會使已壓密的硬殼層土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙，土中氣、水沿著裂隙排出，實際表現(xiàn)為路基表面在碾壓的后期出現(xiàn)濕軟的現(xiàn)象。因此，為避免土體因過多次數(shù)碾壓而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、強度降低，同時減小工程碾壓量，碾壓工藝可采用：光輪壓路機靜壓1遍+凸輪壓路機強振3～4遍+膠輪壓路機收面1遍。

圖10 碾壓遍數(shù)與壓實效果關(guān)系

3.2 彎沉和后期沉降

測試碾壓完成后素土路基的含水率為23.6%、壓實度為89%～93%。路床區(qū)上部采用40 cm厚6%石灰土，分兩層施工，灰土最佳含水率為19.8%，壓實度為90%～93%，灑水養(yǎng)生7 d后采用貝克曼梁測得路基頂面回彈彎沉見表3。

表3 彎沉檢測結(jié)果 0.01 mm

由表3可知，高液限黏土路基由于含水率與黏土團塊分布不均導(dǎo)致的彎沉變異性大；素土及第一層灰土頂面彎沉均大于容許彎沉205(0.01 mm)。40 cm灰土層完成后，彎沉小于設(shè)計容許彎沉值。說明路床上部低劑量石灰土處置后，路堤區(qū)控制含水率不超過最優(yōu)含水率6%、壓實度高于90%時壓實的路基，可滿足路基強度與變形穩(wěn)定要求。該結(jié)論同樣在室內(nèi)模型試驗中得到了驗證。

現(xiàn)場對K51+610段填筑的高液限黏土路基進行了沉降監(jiān)測，填筑完成的黏土路基表面形成了5～15 cm的硬殼層，該層含水率較低，強度很高。而該層下方的路基土體含水率較高，且比較均勻，含水率為21%～24%。路基施工完成后選取9個斷面，開展為期60 d的路基工后沉降監(jiān)測，結(jié)果如圖11所示，工后沉降為4～9 mm，在路基施工完成后的40 d左右達到穩(wěn)定，路基整體性能良好。

4 結(jié)論

(1)相較于普通黏性土，黃泛區(qū)高液限黏土的黏粒含量偏低而粉粒含量較高?？紫吨械目諝庖妆粔嚎s排出，在高于最優(yōu)含水率時，壓實曲線隨含水率增長非常接近飽和線，高含水率壓實下空氣體積率較普通粉土和黏土低。這是黃泛區(qū)高液限黏土區(qū)別于其他粉土和黏土的顯著特點。

圖11 路基工后沉降

(2)室內(nèi)試驗表明，當(dāng)土體含水率達到23%、壓實度不低于90%時，土體回彈模量和黏聚力分別不低于40 MPa和100 kPa。

(3)按照低標(biāo)準(zhǔn)壓實的路堤，其承載能力不低于300 kPa；當(dāng)存在上部硬殼層時，氣、水兩相被上部較硬結(jié)構(gòu)層封閉無法排出，路基以彈性變形為主，占總變形的80%左右，塑性變形處于較低水平，土體近似表現(xiàn)出不排氣、不排水的封閉“彈性變形體”特征。

(4)綜合室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，建議路堤區(qū)高液限黏土碾壓標(biāo)準(zhǔn)控制為：含水率不超過最優(yōu)含水率6%、壓實度不低于90%。碾壓工藝可采用：光輪壓路機靜壓1遍+凸輪壓路機強振3～4遍+膠輪壓路機收面1遍。上路床采用6%生石灰改性處理。