高液限、高塑性指数土的工程性质及应用 2

高液限、高塑性指数土的工程性质及应用
摘要：本文提出高液限、高塑性土施工性能评价和改善方法，研究影响承载比的主要因素
和获得最佳强度的压实控制方法，对高液限、高塑性土作为路基填料的应用提出建议。

关键词：高液限土塑性指数施工性能承载比压实控制
1.概述
细粒土按塑性图进行分类，区分了高液限和低液限土。

高液限土是指液限大于50%的土，包括高液限粘土和高液限粉土。

在塑性图上，有两类区域性特殊土：膨胀土，大多数为高液限粘土，液限大于50%，位于A线以上；红粘土，大多数为高液限粉土，液限大于55%，位于A线以下。

这里的高液限土，不包括膨胀土，膨胀土的性质比较特殊和复杂，用液限高低还不能说明其性质。

在塑性图上，A线区分了塑性指数的相对高低，高塑性指数土的含义不很明确，在公路路基工程中，塑性指数大于26被认为是高塑性的，作为不适用材料需要处理。

高液限土主要分布在北纬35度到南纬35度之间，在我国分布于北纬32度以南即长江流域以南地区。

我国的西南、中南和华东地区，碳酸盐岩类风化高液限土分布面积为108万km2，其中云贵高原2/3以上地区分布有碳酸盐岩高液限土。

我国广东雷州半岛和海南岛北部，分布有约5000 km2的玄武岩残积高液限土，云南东部、中部和南方其它地区也零星分布有玄武岩残积高液限土。

我国花岗岩广泛分布地区的南方江西、湖南、广西、浙江、福建、广东和海南七省区，约1/6面积分布有花岗岩残积高液限土。

此外，在南方一些高温、潮湿地区，还分布有网裂高液限土。

西部地区特别是西南地区的公路建设，必然会遇到大量的高液限土的问题，高液限土路基稳定问题更是长期困挠这些地区公路建设的重大问题。

现行《公路路基施工技术规范》限制高液限土的使用，规定液限大于50%，塑性指数大于26的高液限土不能直接用于路基，必须采取符合设计要求的措施，检查合格后方可使用。

但是，规范没有具体的设计措施，只提出了潮湿多雨地区，土的液限大于40%，塑性指数大于18，通过晾晒使土的稠度大于1.1有困难时，可采用轻型压实控制标准，并规定了使用范围。

在工程实践中，一些地区因对高液限土的应用心中无数，将数以百万方的可利用的高液限土弃掉，或全部采用石灰改良，造成巨大的浪费和环境问题；而有些地区因全是高液限土，无法避免，处理又不现实，只得不加任何限制或不采取任何措施地使用于路基，造成了大量的路基工程隐患，这种状况已严重制约了高液限土地区公路建设发展。

本文结合贵州高液限土的具体情况，介绍高液限土的性质和贵州公路建设中应用高液限土的经验。

2.高液限土的工程性质
2.1作为路基填料的施工性评价
高液限粘土作为路基填料，首先要求填料具有良好的施工性能，在摊铺机械作用下能够分散，在压实机械作用下能够有效压实。

稠度指标可评价填料的分散性，稠度小于1.0，土过分潮湿，不能分散。

因此，用稠度指标可评价填料的摊铺分散性能。

00.050.10.150.20.250.300.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6蒸发率(kg/m 2.h)稠度变化
填料的压实施工特性与含水状态有关，在最佳含水量时，压实可达到最佳密度，填土压实后，路基强度较高，稳定性较好。

不同压实标准下，最佳含水量范围用稠度表示，对应稠度范围如表2.1
表2.1 不同压实标准下最佳含水量对应的稠度范围
水分蒸发对填料的施工性能有重要影响，随着水分蒸发，土的稠度增加，分散性得到改善，可压实性提高。

影响水分蒸发率的因素是气温、相对湿度和土样温度，土样在晾晒条件下稠度变化规律如图2.1。

图中，蒸发率可根据气温、相对湿度、土样温度和风速确定，
图2.1：蒸发率对高液限、高塑性土稠度的影响 稠度变化为24h 的变化。

大多数气候条件下，蒸发率小于0.50h m kg ./2
,因此，晾晒一天稠度增加约0.05。

如果土的含水量较高，天然稠度较低，要晾晒达到要求的分散性和压实性，所需要的时间较长。

化学改良可改善土的施工性能。

掺入石灰改善施工性能的机理是，石灰吸水，增大土的塑限含水量，而液限变化不大，因而稠度增大。

大量试验表明，掺石灰3%～5%后，土样的稠度可提高0.2以上，即使石灰掺量不大，稠度改善作用还是比较明显的。

混合土的塑性指数可按下式进行设计，通过掺入粉煤灰、砂性土等无塑性或低塑性组分后，塑性指数得到改善，从而改善施工性能。

2211222111x S x S x S I x S I I P P P ++=
(2.1) 式中，P I 、1P I 、2P I ——分别为混合土、高液限高塑性土和砂性土的塑性指数；
1S 、2S ——分别为高液限土和砂性土的细料含量；
1x 、2x ——分别为高液限土和砂性土的比例。

由式（2.1），使用掺粉煤灰、掺砂性土等对高液限、高塑性土进行砂化的方法，对改善土的
施工性是有效的，例如，粉煤灰的塑性指数为0，掺10%的粉煤灰可降低塑性指数约10%，增大稠度约10%。

大多数高液限、高塑性土，其天然稠度为10.00.1±，在公路工程应用中，要达到路基强度和稳定性，需要提高密度，采用重型标准是提高密度的有效措施。

因此，大多数高液限、高塑性土需要改善施工性才能正常施工。

2.2承载比及影响因素
影响承载比的因素主要是土样密度和饱和度。

承载比试验常以重型击实为基准，即用重型击实试验的最佳含水量确定试样含水量，用重型击实法成型试样，分三层击实成型，击实次数分别为30次、50次和98次。

这种试验方法隐含的前提是，现场施工应采用重型压实标准，在最佳含水量附近进行压实，达到最佳密实度、最佳强度和水稳定性。

对于高液限、高塑性土，由于施工性、最大密度和最佳强度不协调。

因此，目前采用的试验方法，其试验条件不能反映施工状况，所得到的结果也不能正确评价高液限、高塑性土的承载比。

经过大量的试验，发现饱和度是影响土样承载比的主要因素。

承载比可按下式估计：
2r bS a CBR +=ρ (2.2)
式中，CBR ——土样承载比，(%)；
ρ ——试样密度，3/m kg ；
r S ——试样饱和度，(%)；
a 、
b ——与土样塑性有关的常数，均为正实数。

式(2.2)对处理大量的高液限、高塑性土“承载比不足”问题是很有启发性的。

研究发现，高液限、高塑性土承载比达不到路基填料要求，主要是由于饱和度过低，水稳定性不好。

导致饱和度过低的原因是采用重型击实的最佳含水量成型试样。

对于高液限、高塑性土，在重型击实最佳含水量下，试样密度达到重型标准的90%时，试样饱和度不到80%，而由式(2.2)，试样承载比随着饱和度的提高而提高。

由于施工性能的限制，提高密度的可行性较差，对提高承载比的效果不显著；提高饱和度，则可显著提高承载比，正好克服施工性问题。

从饱和度计算公式中得到，提高饱和度的方法，一是干密度不变的情况下提高含水量，二是含水量不变的情况下提高干密度。

饱和度计算公式为：
100⨯-=d
w d r G wG S ρρρ (2.3) 式中，G ——土粒比重；
d ρ——试样干密度，2
/cm g ； w ρ——水的密度，2/cm g ；
w ——试样含水量，(%)。

从式(2.2)和式(2.3)可见，提高干密度对提高承载比的作用最大，在含水量不变的情况下，提高干密度可显著提高饱和度，还可直接提高承载比。

实际结果不是干密度越大，承载比越高，主要是因为通常提高干密度的方法采用晾晒降低含水量的办法，从而降低了饱和度。

2.3物理力学指标相互关系
作为公路路基填料，要求具有一定的强度和稳定性，填筑的路基变形小，不产生过大的沉降和差异沉降。

粗粒土含量对高液限、高塑性土强度影响试验结果如表2.2。

表2.2 粗粒含量对高液限、高塑性土强度的影响
mm 074.0>含
量(%)
5 10 15 20 25 30 40 50 )(kPa c 47
47 47 41 65 60 82 82 )(0ϕ
15 16 16 17 16 18 19 20
根据压缩系数进行土的压缩性分级，压缩系数1.021<-a 为低压缩性，5.01.021<≤-a 为中等压缩性，5.021≥-a 为高压缩性。

压缩系数与含水量的关系为：[1]
w a 36.37.021+-=- (2.4)
式中，21-a ——压缩系数，1
-MPa ； w ——含水量，(%)；%57~%24=w 。

强度与塑性指数的关系为：[2]
P
I b ae /=ϕ (2.5) 式中，ϕ——内摩擦角，)(0
； P I ——塑性指数；
a 、
b ——经验系数，对于峰值强度P ϕ，3.11,4.8==b a ；对于残余强度r ϕ，
8.5,10==b a 。

3.应用
3.1选择施工工艺和压实标准
高液限、高塑性土的分散性较差，施工时宜采用挖掘机挖、装土，自卸汽车运输，平地机整平和凸块式振动压路机压实的施工工艺。

挖掘机按断面开挖，可降低土的含水量，提高分散性，有利于摊铺和压实，装土时，结成团的土可立即用抓斗打碎。

自卸汽车运输可将土卸成小堆，待含水量达到摊铺要求后再摊铺，防止土料在机械作用下结团，不能分散。

平地机摊铺和整平与推土机整平比较，在土含水量适合于碾压之前，机械作用对土样的扰动较少，有利于水分蒸发，使稠度增加，适合于机械压实。

高液限、高塑性土，土的粘聚性较大，要实现压实，达到较高的密度要求，必须用重型压实机械；但由于土的塑性较大，压实前的强度较低，碾压过程容易出现软弹现象。

采用凸块式振动压路机压实，能够克服上述矛盾。

凸块式振动压路机通过凸块与待压实的土接触，
提高了接触应力，增大了压实作用，同时由于凸块压入土中，防止推挤和形成波浪。

压实后的路基面留下大量的凹印，增大了表面积，有利于碾压时排除水分和水分蒸发，促进密度增加。

根据大量试验和施工实践，尽管土样的稠度小于重型标准最佳含水量时对应的稠度，在合适稠度下，采用凸块式振动压路机压实可达到重型压实标准的要求，压实度均匀，所需要的压实遍数较少；而在稠度低于重型标准最佳含水量对应的稠度时用平碾式振动压路机压实，压实度达不到要求，压实均匀性差，容易起波浪，增加碾压作用遍数时土层表面结硬，下面的水分无法继续排出。

确定压实标准要满足路基强度和稳定性的要求，所采用的施工机械能够实现压实要求，由此出发，需要确定合适的压实标准。

根据多年施工的经验，采用稠度为1.10～1.30的碾压含水量标准，用标准重型击实试验的最大干密度标准进行压实控制，用凸块式振动压路机振动压实4～6遍，压实度可达到90%～93%，压实后土的承载比达到最佳，多数高液限土在这种含水条件和压实条件下，承载比达到3%～8%的要求。

3.2判断填料是否适用于路基填筑
要判断填料是否适用于路基填筑，首先填料的施工性能满足要求，然后在一定的施工性能要求下强度满足要求。

根据天然稠度大小和压实稠度要求确定需要晾晒的时间或需要进行改良的具体要求。

摊铺要求稠度大于1.0，压实要求稠度为1.10～1.30。

在预定的稠度条件下进行承载比试验，若满足路基填料要求，可以应用于路基填筑，若经过改善处理后满足要求，也可用于路基填筑。

根据承载比大小、压缩性高低，确定适用于路基的具体部位，路基填筑的最大允许高度。

所使用的部位由承载比和可能达到的压实度确定，最大允许高度由压缩性确定，低压缩性可用于最大高度不大于10m 的路堤填筑，中等压缩性可用于6m 以下的路堤填筑，高压缩性比较复杂，经过加固或对路基进行特殊设计后，可用于路基填筑。

综合施工性能和强度指标，进行技术经济分析，判断填料是否适用和适用范围。

3.3应用中一些问题的处理
应用中出现的主要问题是结团问题、压实度不均匀问题、压实度达不到要求问题和开裂问题等。

结团问题主要是由于重型机械在不适合的稠度条件下扰动，降低蒸发率，还经常由于来不及碾压就被雨水淋湿。

防止措施是严格控制摊铺时稠度和碾压时稠度，稠度没有达到要求前，尽量减少对土的扰动，尽量当天上土，当天碾压完成，防止雨淋。

压实不均匀问题导致压实度检验评定代表值降低，提高压实均匀性的方法是减少层厚，采用凸块式振动压路机压实。

压实度达不到要求可能是层厚过大，压实稠度与压实机械不对应，不能有效压实。

采用平碾式振动压路机压实时，碾压遍数较多，表面结硬，降低压路机的有效压实作用深度。

采用凸块式振动压路机压实或冲击压实可提高压实度。

开裂问题是常见问题，路基压实后，由于水分继续蒸发，表面收缩，当蒸发率大于水分迁移速率时，表面干燥收缩，容易开裂。

及时上土覆盖是解决开裂问题的主要方法。

根据经
验，开裂的临界蒸发率为h m kg ./5.02
左右。

如果气温达到C 025以上，风力达到4级以上，
干燥6～8h 路基面便会开裂。

4.结论与建议
4.1结论
（1）高液限、高塑性土的工程性质评价应与施工性能相联系，施工性能是重要的工程性质；
（2）影响高液限、高塑性土承载比的主要因素是土样密度和饱和度，提高密度和饱和度可提高承载比；
（3）在稠度为1.10～1.30范围内，采用重型凸块式振动压路机压实可达到重型击实标准路堤压实度的要求；
（４）选择合适的工艺，可实现土样物理力学性能、施工性能和机械组合的统一，达到最佳强度效果。

4.2建议
（１）高液限、高塑性土有特殊的性质和适用范围，宜根据土的性质进行路基设计，而不宜设计路基后再选择土；
（２）通过技术经济分析，进行路基土石方的质量调配，将可用上的填料尽量用于路基填筑，用于最适合的部位；
（３）研究高液限、高塑性土应用技术，关键是正确评价高液限土的工程性质，包括施工性和物理力学性能，还要综合考虑满足路基的整体性能。