尹 濤

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

天然高液限土液限高、含水率高，用于公路路基填料時(shí)，由于其水分含量高，難以控制含水率，同時(shí)水穩(wěn)定性差，氣候變化導(dǎo)致高液限土干濕反復(fù)交替，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，最終造成路基不均勻沉降、邊坡滑坡、路面裂縫等多種病害[1-2]。因此，為確保路基施工質(zhì)量，施工技術(shù)規(guī)范明確要求液限超過50%、塑限超過26 的細(xì)粒土體，需進(jìn)行必要處理后才能用于路基填筑。

1 高液限土改良方法

現(xiàn)階段，常用高液限土改良方法主要包括以幾種：

（1）包覆法可進(jìn)一步細(xì)分為邊緣包覆法和堆芯包覆法，其中邊緣包覆的基本原理是路基中部填筑高液限土，兩側(cè)填充水穩(wěn)定性良好的填筑物；堆芯包覆法的基本原理是用水穩(wěn)定性良好的填筑料密封路基上下和兩側(cè)。但是該方法無法徹底解決路基不均勻沉降問題。

（2）通過在原有高液限土中加入粗顆粒土可調(diào)整土壤顆粒含量，起到加固土體、削弱細(xì)粒土負(fù)面影響的作用，改善高液限土水穩(wěn)定性[3]。

（3）化學(xué)改性是指在原有高液限土中加入一定量的改性劑，以調(diào)整其粒徑構(gòu)成，提升土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低塑性指數(shù)。工程實(shí)踐證明，在高液限土中加入一定比例的石灰、磷石膏等改性劑后，其液限和塑限均減小，加州承載比大幅提升，經(jīng)過化學(xué)改性后的高液限土理化性能可滿足高速公路路基填筑施工要求。例如加入粉煤灰的高液限土塑性指數(shù)明顯降低，而加州承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅提升。

（4）但添加粉煤灰或石灰會(huì)導(dǎo)致高液限土堿性增強(qiáng)，對(duì)地下水存在難以預(yù)知的影響，因此需要盡快找到更加環(huán)保綠色的化學(xué)改性劑?；诖耍恼绿接懸环N基于水玻璃、硫酸鋁新型高液限土改性劑，根據(jù)液塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)明確最優(yōu)摻加比，通過直剪試驗(yàn)分析添加水玻璃與硫酸鋁改性劑后的高液限土水穩(wěn)性，驗(yàn)證水玻璃與硫酸鋁改性劑的應(yīng)用效果。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 高液限土

試驗(yàn)高液限土樣本來自試驗(yàn)路段的路塹土方開挖，樣本土體呈棕褐色，顆粒中89.6%為粒度小于0.08 mm的小顆粒，土體天然含水率、液限、塑限等關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 高液限土基本物理性質(zhì)

2.2 添加劑

添加劑為水玻璃+硫酸鋁構(gòu)成的新型添加劑。水玻璃的化學(xué)式為Na2O·nSiO2，n 為水玻璃的模量。硫酸鋁作為一種易溶于水的白色晶體，與硅酸鈉混合反應(yīng)可產(chǎn)生氫氧化鋁與凝膠顆粒[4]。凝膠顆?？筛街谕寥赖谋砻?，提高黏著力，在填筑中可有效填充到空隙中并有效黏合，保證施工質(zhì)量。Na2SiO3硅酸鈉溶液與Al2(SO4)3硫酸鋁溶液化學(xué)反應(yīng)方程:

水玻璃、硫酸鋁質(zhì)量比為10 ∶1，其中水玻璃溶液濃度3.37 mol/L。

2.3 試驗(yàn)方案

為確定最合理的水玻璃、硫酸鋁配比需進(jìn)行多種配比條件下的液塑限試驗(yàn)分析，以客觀評(píng)價(jià)不同配合比下的水玻璃與硫酸鋁改性劑對(duì)高液限土的改良效果，最終確定改性劑摻加量；根據(jù)液限塑限試驗(yàn)分析得到的最佳配比開展擊實(shí)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，詳細(xì)試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 不同配比的水玻璃及硫酸鋁試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 液塑限試驗(yàn)

液限塑限試驗(yàn)所用樣本高液限土含水率36.5%，干密度1.76 g/cm3。根據(jù)表2 所示上述試驗(yàn)方案進(jìn)行樣本準(zhǔn)備，將樣本土體置于溫度15～25 ℃、相對(duì)濕度97.8%的環(huán)境中進(jìn)行7 d 養(yǎng)護(hù)后開展液限塑限試驗(yàn)。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖1。

根據(jù)圖1 可知，在高液限土中添加一定量的水玻璃與硫酸鋁后，其液限、塑限均變化明顯?？傮w上水玻璃、硫酸鋁用量與高液限土的液限成反比，與塑限成正比，即改性劑摻加越多，塑性指數(shù)越小。當(dāng)水玻璃、硫酸鋁配比為0.4%、4%時(shí)，改良后的高液限土經(jīng)7 d 養(yǎng)護(hù)后液限值為49.9%，塑性指數(shù)為17?；谙嚓P(guān)施工技術(shù)規(guī)范要求細(xì)粒土路基填筑土體的液限不能超過50%、塑性指數(shù)不能超過26，由此可大致確定水玻璃、硫酸鋁的最佳配比為4%、0.4%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期變化，按照上述配比摻加改性劑后的高液限土液限、塑限變化情況見圖2，據(jù)圖可知經(jīng)改良及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的高液限土液限、塑限可滿足施工技術(shù)規(guī)范要求的路基填筑材料要求，但改良高液限土經(jīng)7 d 養(yǎng)護(hù)后其液塑變化變化不明顯。

圖1 養(yǎng)護(hù)7 d 后各組試驗(yàn)的液塑限

圖2 T4組試驗(yàn)液塑限與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

將水玻璃+硫酸鋁改性劑按照上述配比摻入高液限±12 h 后開展擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3 所示。改良后的高液限土干密度最大值低于未改良前，但改良后的高液限土最佳含水率較大，同時(shí)改良后的高液限土擊實(shí)曲線傾斜度小于未改良前的擊實(shí)曲線傾斜度，表明摻加改性劑后的高液限土水敏感性降低，水穩(wěn)定性提升，可滿足公路路基填筑施工需要[5]。

圖3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)性試驗(yàn)

對(duì)改良前后的高液限土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)分析新型改性劑對(duì)其水穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)樣本土體直徑62.9 cm，高1.9 cm，含水率取最佳值，干密度1.656 g/cm3（樣本土體壓實(shí)度97%），采用靜壓工法分3 層壓實(shí)。首先將樣本土體真空飽和處理2 h 后取出放入烘干箱中105 ℃烘干24 h，確保土體完全干燥，此時(shí)完成單次干濕循環(huán)，循環(huán)進(jìn)行分1～9 次干濕循環(huán)，再開展直剪試驗(yàn)。

干濕循環(huán)處理次數(shù)不同時(shí)，未摻加改性劑的高液限土抗剪強(qiáng)度、豎向荷載的關(guān)系曲線見圖4，據(jù)圖可知，高液限土豎向荷載與其抗剪強(qiáng)度成正比；高液限土抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)成反比。不同干濕循環(huán)次數(shù)不同時(shí)，按照最佳配比摻加水玻璃和硫酸鋁改性劑后的高液限土抗剪強(qiáng)度、豎向荷載關(guān)系曲線見圖5，據(jù)圖可知，摻加改性劑后的高液限土抗剪強(qiáng)度與豎向荷載成正比，與干濕循環(huán)次數(shù)成反比，但荷載、干濕循環(huán)次數(shù)相同的情況下，摻加改性劑后的高液限土抗剪強(qiáng)度顯著提升。

圖4 T1 抗剪強(qiáng)度與豎向荷載的關(guān)系

圖5 T4 抗剪強(qiáng)度與豎向荷載的關(guān)系

未摻加改性劑的高液限土和摻加改性劑后的高液限土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系分別如圖6、圖7 所示。據(jù)圖可知，未摻加改性劑的高液限土和已摻加改性劑高液限土抗剪強(qiáng)度參數(shù)均與干濕循環(huán)次數(shù)成反比，但未摻加改性劑的高液限土抗剪強(qiáng)度參數(shù)減小速度明顯高于已摻加改性劑的高液限土，干濕循環(huán)次數(shù)相同的情況下，已摻加改性劑的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均由于未摻加改性劑的高液限土。表明已摻加改性劑的高液限土水穩(wěn)性優(yōu)于未摻加改性劑的高液限土，即經(jīng)水玻璃和硫酸鋁改良后的高液限土水穩(wěn)性大幅提升。

圖6 干濕循環(huán)次數(shù)與黏聚力的關(guān)系

圖7 干濕循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

4 結(jié)論

利用多種配比條件下的液限塑限試驗(yàn)，分析水玻璃及硫酸鋁改性劑對(duì)高液限土抗剪強(qiáng)度、水穩(wěn)性的影響，明確最佳配比；按照最佳配比進(jìn)行高液限土改良，再進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）水玻璃+硫酸鋁改性劑摻加量與高液限土液限成反比，與塑限成正比，即能降低塑性指數(shù)。當(dāng)水玻璃+硫酸鋁改性劑配比為4%、0.4%時(shí)，經(jīng)7 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后高液限土的液限、塑性指數(shù)，均能達(dá)到施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的路基填筑材料要求。

（2）按照最佳配比摻配改性劑后的高液限土干密度最大值、水敏感性，均低于未摻加改性劑前，最佳含水率高于未摻加改性劑前，這將更符合公路路基填筑施工需要。

（3）未摻加改性劑的高液限土與已摻加改性劑的高液限土抗剪強(qiáng)度均與豎向荷載成正比，與干濕循環(huán)次數(shù)成反比；荷載及干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，已摻加改性劑的高液限土抗剪強(qiáng)度更高；干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，已摻加改性劑高液限土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)優(yōu)于未摻加改性劑的高液限土；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，已摻加改性劑的高液限土的抗剪強(qiáng)度下降速率均小于未摻加改性劑的高液限土。