粉土作为路基填筑材料的工程特性研究

张万涛 吕治刚 王 昊

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011; 2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

1 概述

粉土的工程性质介于砂土和黏土之间，粉粒含量高，黏粒含量少，塑性指数低，具有结构松散、黏聚力差、易液化、压实困难等特点[1，2]。因此，粉土在作为路基填料使用时，在动荷载或自重荷载作用下，容易引发路基滑坡和路面塌陷等工程事故。

CBR(加州承载比)试验是工程施工中较为常用的评价路基承载力大小的试验方法。其原理是，计算材料贯入量达到2.5 mm或5 mm时单位压力对标准碎石达到相同贯入量时标准荷载强度的比值[3]。CBR值表征了土体中产生相对位移的滑移面(即剪切面)上抗剪切力的大小，反映了土体的局部剪切强度，是评价路基填料和路面材料强度及稳定性的重要指标[4，5]。

对于无法满足承载力规范要求的粉土路基，通常采取掺石灰或者水泥的方法对其进行改良。王海俊等[6]对蚌明高速路基土进行改良，试验结果指出掺入2%的水泥或石灰后，7 d龄期的试样CBR值已经能够满足规范中规定的高速公路路堤填料的最小CBR值要求。张瑜等[7]结合泰州市东风路南段快速路改造工程，通过室内击实试验与CBR试验比较了不同掺量水泥和石灰的粉土的改良效果，结果表明水泥以及水泥+石灰改良土的CBR值相对于素土均有大幅度的提高。综上所述，对粉土进行掺灰处理可显著提高其承载力。

本文基于安徽北部某在建公路工程，研究了粉土路基的承载力CBR值与黏粒含量的关系，并针对该地区粉土路基的不良地质现象进行掺灰改良，对比了掺灰前后承载力的变化规律，初步探索了石灰改良粉土路基的机理。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验用土自安徽北部地区某在建公路工程，该地区粉土分布范围较大,并对这些土样进行颗分试验以及CBR试验。

改良剂选用石灰,其主要成分为CaO。

2.2 试验方法

根据JTJ 051—93公路土工试验规程[8]和JTJ 057—94公路工程无机结合料稳定材料试验规程[9]进行如下试验：

1)测定黏粒(<0.075 mm)含量：取部分试样烘干碾碎，过0.075 mm的细筛，取筛下土，用密度计法测量出土中黏粒含量。

2)制样：a.将土样和石灰放入105 ℃烘箱内，烘干24 h。取出，碾碎，分别过5 mm和0.5 mm圆孔筛。b.将试样分为两部分，一部分用于制备素土试样，一部分用于制备改良试样。c.制备试样：将石灰与干土按2%的质量比混合，搅拌均匀(素土试样除外)。根据最优含水率称量一定质量的蒸馏水，倒入土中，充分搅拌均匀。改良土直接制样，素土闷料24 h后制样。采用静压法，按最大干密度的95%制成底面直径为15.2 cm高12 cm的圆柱体试样。d.将试样装入保鲜袋内，密封，放入标准养护室进行养护，养护时间为24 h。

3)进行CBR试验：a.将试样分3次倒入试筒内，分层击实，修平击实试件表面。b.泡水测膨胀量。c.将泡水试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，贯入杆周围放置4块载荷板。贯入杆上施加45 N荷载，百分表调整为整数。再加荷使贯入杆以1 mm/min～1.25 mm/min的速度压入试件，测记读数。d.整理结果，绘制p—l关系曲线，计算CBR值。

3 结果与分析

3.1 微粒含量对素土CBR的影响

粉土路基的承载力CBR值与黏粒含量的关系如图1所示。从图1中可以看出，随着粉土黏粒含量的增加，路基的CBR值不断降低。CBR值反映的是土体局部抗剪切破坏的能力，而土体的抗剪强度主要是由黏聚力和摩擦力组成[10,11]。对于黏粒含量较高的粉土，当土体发生剪切位移时，抗剪强度主要是由土体颗粒间的摩擦力提供。而黏粒在此过程中起到润滑土体的作用。而当黏粒含量增加时，黏粒包裹住砂、粉粒，黏粒的润滑作用不断增大，导致土体的摩擦力不断减小，CBR值降低。

从图1中还可以看出，粉土中的粗黏粒或细黏粒含量增加，均可导致粉土CBR值显著降低。土样的CBR值与粉土的粗、细黏粒比的关系如图2所示。从图2中可以看出，粉土的细颗粒和粗颗粒的含量比值增大，土样的CBR值呈现明显下降的趋势，这与素土CBR随黏粒含量的增长关系一致，表明相对于粗黏粒，细黏粒对CBR值变小的影响更大，也说明了黏粒物质中起润滑作用的主要为细黏粒[11,12]。

3.2 石灰对粉土的改良效果

素土CBR基本上满足规范要求，但实际施工时粉土压实效果不好且受雨水影响大，因此，对粉土进行掺灰改良。掺灰后土样的CBR增长率(灰土的CBR与素土CBR比值)与黏粒含量的关系如图3所示。

从图3中可以看出，在掺入2%的石灰之后，土体的CBR值大幅增加，说明石灰的掺入能显著提高粉土承载力，并且土体中黏粒含量越高，CBR值越大。这是因为加入石灰后，土体中发生了一系列的物理化学反应，使土体性质发生根本改变。一方面，石灰在土中发生离子交换反应，石灰中的Ca(OH)2电离出Ca2+与土体扩散层中的Na+和K+发生交换作用[13]，使黏土颗粒的扩散层厚度减小，土颗粒的结合力增强，土的塑性下降，表现出絮凝团聚现象。另一方面，随着离子交换反应的完成，石灰在土体中进一步发生火山灰反应，土壤中的活性二氧化硅、活性氧化铝在石灰的碱性激发下解离，在水的参与下反应，生成水化硅酸钙(CSH)、水化铝酸钙(CAH)等火山灰反应产物[14]。这些产物逐渐硬化并与土颗粒黏结在一起，从而改善土的物理力学性能。同时，孔隙水溶液中的Ca(OH)2可以在水分蒸发等造成的过饱和状态下发生结晶作用，将土粒胶结成整体。此外，Ca(OH)2还可与空气中或溶解在溶液中的CO2发生碳化作用[15]，生成CaCO3,能够增强土颗粒之间的胶结性或组成土体骨架，有利于强度的提高。因此，粉土的不良工程性质得到改善，CBR值大幅提高。

4 结语

本文基于粉土路基工程实例，研究了黏粒含量对粉土的承载力的影响，以及石灰改良粉土的固化效果，得到以下主要结论：

1)粉土CBR值随黏粒含量的增加而不断减小，且细黏粒(<0.002 mm)的含量对粉土CBR值影响更大。

2)掺入2%的石灰可显著提高粉土的CBR值。

3)石灰改良粉土的CBR值随黏粒含量增加而增大。