不良土質(zhì)填筑路基技術(shù)及路用性能研究研究技術(shù)報(bào)告山東省交通運(yùn)輸廳公路局山東大學(xué)中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司德商高速公路路橋一標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部二O一七年四月

目錄第一章緒論 51.1研究的目的及意義 51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.2.1礦物組成 61.2.2高液限粘土的強(qiáng)度和變形特性 81.2.3高液限粘土的施工控制標(biāo)準(zhǔn) 101.2.4高液限粘土的改性 131.3研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 171.3.1研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線 171.3.2創(chuàng)新點(diǎn) 18第二章湖淤積高液限粘土基本物理力學(xué)特性研究 192.1黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的成因 192.2湖淤積高液限粘土的礦物成分 202.2.1概述 202.2.2X射線衍射分析 202.3湖淤積高液限粘土的顆粒分析 222.3.1試驗(yàn)結(jié)果及分析 222.4黃泛區(qū)粉粒的微觀結(jié)構(gòu) 252.5湖淤積高液限粘土的液塑限試驗(yàn) 272.6燒失量的測(cè)定 292.7壓實(shí)特性 302.7.1試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果 302.7.2試驗(yàn)結(jié)果分析 322.8CBR值特性 332.8.1試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果 352.8.2試驗(yàn)結(jié)果分析 372.9壓縮指標(biāo) 382.10本章小結(jié) 40第三章湖淤積高液限粘土強(qiáng)度與模量特性 413.1湖淤積高液限粘土的強(qiáng)度特性 413.1.1概述 413.1.2試驗(yàn)工況 413.1.3試驗(yàn)結(jié)果及分析 433.2湖淤積高液限粘土的回彈模量研究 703.3本章小結(jié) 74第四章湖淤積高液限粘土路基室內(nèi)模型試驗(yàn) 764.1試驗(yàn)?zāi)康?764.2試驗(yàn)方案 764.3未加地下水路基試驗(yàn)結(jié)果 804.3.1路基應(yīng)力 804.3.2路基變形 844.3.3地基反應(yīng)模量 874.3.4路基回彈模量 894.3.5路基彎沉 924.3.6路基CBR 924.4加地下水路基試驗(yàn)結(jié)果 964.4.1浸水前后路基含水率變化 964.4.2路基應(yīng)力 974.5本章小結(jié) 99第五章湖淤積高液限粘土的改性研究 1015.1石灰改性研究 1015.1.1試驗(yàn)現(xiàn)象 1015.1.2試驗(yàn)結(jié)果 1025.1.3試驗(yàn)分析 1035.2粉煤灰改性研究 1035.3石灰與粉煤灰改性 1055.3.1試驗(yàn)現(xiàn)象 1055.3.2試驗(yàn)結(jié)果 1065.4改性效果分析 1075.5本章小結(jié) 109第六章湖淤積高液限粘土路基壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 1106.1工程概況 1106.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?1106.3試驗(yàn)段概述 1106.3.1試驗(yàn)段地點(diǎn) 1106.3.2主要施工里程 1116.3.3主要試驗(yàn)數(shù)據(jù) 1116.3.4主要檢測(cè)方法 1116.3.5試驗(yàn)段設(shè)備 1116.4主要施工工藝 1126.4.1降水 1126.4.2甩土 1126.4.3排水 1136.4.4取土 1136.4.5翻曬 1136.4.6平整、封面 1146.4.7現(xiàn)場(chǎng)粉碎與碾壓設(shè)備及工藝 1146.4.8試驗(yàn)檢測(cè) 1156.5現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn) 1156.5.1MRK44+178--MRK44+535段 1156.5.2MRK44+178--MRK44+535段追加試驗(yàn) 1176.5.3MRK45+228--K45+600段 1196.5.4K49+550--K49+750段 1206.5.5MRK46+525—MRK46+780段 1236.5.6AK0+150—AK0+300段 1246.6灰土改性路床 1256.7現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè) 1266.8現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié) 129第七章高液限粘土動(dòng)力特性 1317.1試驗(yàn)方案 1317.2試驗(yàn)結(jié)果 1337.2.1長(zhǎng)期動(dòng)變形 1337.2.2短期動(dòng)變形 1377.3靜回彈模量 1407.4動(dòng)回彈模量預(yù)估模型 1437.5結(jié)論 145第八章結(jié)論 1468.1黃泛區(qū)高液限粘土的基本物理力學(xué)特性 1468.2黃泛區(qū)高液限粘土的路用性能 1468.3黃泛區(qū)高液限粘土的碾壓控制指標(biāo) 1478.4課題繼續(xù)深入的方向 148參考文獻(xiàn) 149第一章緒論1.1研究的目的及意義高液限粘土指粒徑在0.075mm以下的細(xì)粒含量超過50％、液限大于50％、塑性指數(shù)大于26的粘性土[1]。在山東省魯西南和魯西北地區(qū)，交通密集，高速公路和高速鐵路網(wǎng)發(fā)達(dá)，大量分布著黃河沖淤積形成的湖淤積高液限粘土，如圖1.1所示。該類高液限粘土含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土礦物，粘粒及粉粒含量高。這兩個(gè)特點(diǎn)決定了該類土具有較大的可塑性、粘滯性、弱膨脹性；其天然含水量高，不易晾曬，雖有發(fā)達(dá)的毛細(xì)孔，透水性卻很差，易吸水且能長(zhǎng)時(shí)間保持水分，吸水后承載力小、穩(wěn)定性差[2]-[7]。《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定：液限大于50％，塑性指數(shù)大于26，CBR值小于8％的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。由于該地層分布于河湖相洼地且滲透系數(shù)小，天然含水率高，難以晾曬至最佳含水率±2%的范圍，達(dá)不到規(guī)范要求的壓實(shí)度。且其他土類取土困難，若棄之不用，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境問題。圖SEQ圖\*ARABIC1.1山東境內(nèi)黃泛區(qū)分布圖由于土的成因、顆粒組成的復(fù)雜性，黃泛區(qū)高液限粘土的路基填筑在執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范與參照國內(nèi)外的研究成果時(shí)遇到技術(shù)難題。研究項(xiàng)目依托濟(jì)徐高速公路的東平至濟(jì)寧段和德商高速的夏津段，兩高速穿越區(qū)域?qū)冱S泛區(qū)沖淤積地貌。通過室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路、室內(nèi)試槽模擬與工程實(shí)體驗(yàn)證，揭示其強(qiáng)度、變形與壓實(shí)性狀，確定現(xiàn)場(chǎng)碾壓技術(shù)與壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)濟(jì)改性技術(shù)，探究適宜于該類土壓實(shí)控制指標(biāo)壓實(shí)的路基工作期的穩(wěn)定性成為研究解決的關(guān)鍵問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀高液限粘土廣泛分布于北緯60°至南緯50°之間的40多個(gè)國家和地區(qū)，橫穿赤道跨南北兩大半球，遍及六大洲。我國是高液限粘土分布最廣的國家之一，尤其是在長(zhǎng)江與黃河的中下游，以及南部沿海和西南地區(qū)，高液限粘土最為發(fā)育，分布最為廣泛[10]-[14]。從上個(gè)世紀(jì)開始，高液限粘土作為一種不良土質(zhì)，其工程問題開始被國內(nèi)外的工程與學(xué)術(shù)界所關(guān)注，關(guān)于其自身物理與力學(xué)性質(zhì)及工程應(yīng)用特性的研究陸續(xù)展開，并取得了一系列進(jìn)展。主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）高液限粘土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等物理狀態(tài)與性質(zhì)的研究；（2）高液限粘土的壓實(shí)特性、水穩(wěn)定性、抗剪性狀、壓縮固結(jié)特性等力學(xué)性質(zhì)的研究；（3）高液限粘土的施工控制標(biāo)準(zhǔn)研究；（4）高液限粘土的改性方法及其工程應(yīng)用研究。1.2.1礦物組成土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所經(jīng)受的風(fēng)化作用側(cè)。不同的礦物成分對(duì)土的性質(zhì)有著不同的影響，其中以細(xì)粒土的礦物成分尤為重要。漂石、卵石、圓礫等粗大土粒都是巖石的碎屑，它們的礦物成分與母巖相同。砂粒大部分是母巖中的單礦物顆粒，如石英、長(zhǎng)石和云母等。其中石英的抗風(fēng)化能力強(qiáng)，在砂粒中尤為多見。粉粒的礦物成分是多樣性的，主要是石英等難溶巖的顆粒。粘粒的礦物成分出要是粘土礦物、氧化物、氫氧化物和各種難溶巖類(如碳酸鈣等)，他們都是次生礦物。粘土礦物的顆粒很微小，在電子顯微鏡下觀察到的形狀為鱗片狀或片狀，經(jīng)X射線分析證明其內(nèi)部具有層狀晶體構(gòu)造。粘土礦物基本上是由兩種原子層(稱為晶片)構(gòu)成的。一種是硅氧晶片，它的基本單元是Si-O四面體；另一種是鋁氫氧晶片，它的基本單元是Al-OH八面體。由于晶片結(jié)合的情況不同，便形成了具有不同性質(zhì)的各種粘土礦物。其中主要是蒙脫石、伊里石和高嶺石三類。蒙脫石是化學(xué)風(fēng)化的初期產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)單元(晶胞)是兩層硅氧晶片之間夾一層鋁氫氧晶片所組成。由于晶胞的兩個(gè)面都是氧原子，其間沒有氫鍵，因此聯(lián)結(jié)很弱，水分子可以進(jìn)入晶胞之間，從而改變晶胞之間的距離，甚至達(dá)到完全分散到單晶胞為止。因此當(dāng)土中蒙脫石含量較大時(shí)，則具有較大的吸水膨脹和縮水收縮的特性。伊里石的結(jié)構(gòu)單元類似于蒙脫石，所不同的是四面體的可以被、所取代，因而在相鄰晶胞間將出現(xiàn)若干一價(jià)正離子(K十)以補(bǔ)償晶胞中正電荷的不足。所以伊里石的結(jié)晶構(gòu)造沒有蒙脫石那樣活動(dòng)，其親水性不如蒙脫石。高嶺石的結(jié)構(gòu)單元是由一層鋁氫氧晶片和一層硅氧晶片組成的晶胞。高嶺石的礦物就是由若干重疊的晶胞構(gòu)成的氧基之間的氫鍵，它具有較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)力，因此晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進(jìn)入，因此它的親水性比伊里石還小。歐釗元[1]指出，山東境內(nèi)黃泛區(qū)高液限粘土在水利工程中稱為“裂隙粘土”，并對(duì)裂隙粘土有如下定義：是在黃河下游沖擊平原區(qū)分布的，黃河泛濫最后在積水洼地靜水靜水環(huán)境下沉積的棕褐色、暗褐色、淡棕紅色等裂隙發(fā)育的高液限粘土。其液限一般超過40%，屬于第四系全新統(tǒng)沖積堆積物，其堆積時(shí)間短、估計(jì)程度低，具有高含水率、低干密度和高壓縮性，同時(shí)還具有一定的分散性、脹縮性、軟化性、不易壓實(shí)性和中等透水性等特征。并指出裂隙粘土形成必須具備兩個(gè)條件：一是沉積環(huán)境條件，即黃河泛濫后能形成較穩(wěn)定的靜水環(huán)境—積水洼地；二是具備產(chǎn)生裂隙的條件，即能暴露出地表失水收縮，形成裂隙。其粘土礦物成分如下，伊利石（44.8%），伊利石-綠泥石混層礦物（20.8%），高嶺石（16%），蛭石（10.2%），綠泥石（5.2%），蒙脫石（0.8%），石英（2.2%）。商慶森等[15]研究了山東省東營、聊城黃河沖淤積平原區(qū)的地層組合，如圖1.2，開挖斷面、鉆探取芯，進(jìn)行土樣的化學(xué)成分全分析、礦物成分差熱分析、顆粒電鏡分析，發(fā)現(xiàn)伊利石和蒙脫石含量占粘土礦物總量的79%，其次為綠泥石、高嶺石。圖1.2山東省平原區(qū)全新世巖相古地理圖1.2.2高液限粘土的強(qiáng)度和變形特性巖土工程實(shí)踐中，對(duì)非飽和土的關(guān)注越來越多，這對(duì)路基填筑土而言尤為重要。非飽和土具有三相組成，與孔隙氣壓力相比，孔隙水壓力通常為負(fù)值。位于較干燥環(huán)境中，靠近地表的土，通常都存在負(fù)的孔隙水壓力使其有可能繼續(xù)變干。經(jīng)過開挖、重塑和再壓實(shí)的土，一般都是非飽和土。非飽和土的性狀很難用經(jīng)典土力學(xué)的概念解釋。非飽和土的物理性能及工程性能受氣候影響嚴(yán)重。地面的水分蒸發(fā)和植物的蒸騰作用使土體水分逸出，而降雨和其他形式的滲水造成土體中向下的流量。因此，土中的孔隙水壓力主要取決于土體中上下滲流的的流量差，受地下水位高低的影響。向上凈流量會(huì)使土體逐漸變干，相反，向下凈流量使土體趨于飽和。長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，降雨與環(huán)境的變化會(huì)造成土體的干濕循環(huán)，從而引起有效應(yīng)力與基質(zhì)吸力的變化，使土體產(chǎn)生變形，即土體的收縮與膨脹。在降雨量少的地區(qū)，地下水位通常較深。一般認(rèn)為位于地下水位以上的土處于非飽和狀態(tài)，具有負(fù)孔隙水壓力。浸水后，孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力減小，土粒間作用力減小，土體發(fā)生膨脹，進(jìn)而土體的抗剪強(qiáng)度大大降低，常引起滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。Bishop[16]提出采用基質(zhì)吸力來表示由氣相和水相作用在水膜上的壓力差，并將土的抗剪強(qiáng)度表示為凝聚力、內(nèi)摩擦角和基質(zhì)吸力的函數(shù)。Fredlund等[17]提出以土水特征曲線來表示基質(zhì)吸力隨含水量的變化關(guān)系。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類非飽和土體的土水特征進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[18-24]，總體而言，土的基質(zhì)吸力隨含水量的增大而單調(diào)減小，二者表現(xiàn)為非線性關(guān)系。Kim等[25]通過直剪試驗(yàn)研究了低圍壓下基質(zhì)吸力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，通過將基質(zhì)吸力當(dāng)作圍壓的一部分，來預(yù)測(cè)不同基質(zhì)吸力下土體的抗剪強(qiáng)度。林鴻州等[26]通過壓力板儀和直剪儀組合試驗(yàn)，研究了基質(zhì)吸力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。林麗萍等[27]通過控制基質(zhì)吸力的非飽和三軸試驗(yàn)研究了基質(zhì)吸力變化對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)Fredlund非飽和土強(qiáng)度公式適用于非飽和高液限紅粘土，其總粘聚力隨基質(zhì)吸力的增加而增大，基質(zhì)吸力對(duì)其內(nèi)摩擦角影響甚微。閆廣天[28]按照“不棄土、不改良”原則，通過室內(nèi)、室外試驗(yàn)，分析了土的強(qiáng)度、干密度、飽和度、膨脹量與含水率、擊實(shí)功的關(guān)系，據(jù)此得到了高液限粘土最佳含水量范圍，提出了高液限粘土用于路基填筑的控制標(biāo)準(zhǔn)，即可用含水量及其對(duì)應(yīng)的干密度、壓實(shí)度和飽和度要求值，為工程施工提供依據(jù)。王中文等[29]研究了紅粘土的地域特征和紅粘土抗剪強(qiáng)度的水敏感性。試驗(yàn)結(jié)果表明：紅粘土具有高含水率、高液限、高塑性、縮脹性、裂隙性、高孔隙比、低壓縮性和“假粉性”等特定，并由水敏性試驗(yàn)提出了臨界含水率抗剪強(qiáng)度面的概念，可為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。高液限粘土的力學(xué)性質(zhì)的研究主要集中在CBR強(qiáng)度的研究，不同地區(qū)的土的浸水CBR值變化在1%~10%，其他力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的研究較少。部分研究在高液限粘土的浸水CBR強(qiáng)度滿足規(guī)范中對(duì)路堤CBR最小強(qiáng)度要求的前提下，提出通過控制含水率與擊實(shí)功，高液限粘土直接填筑路基是可行的。李旭瑞[30]對(duì)江西吉蓮高速公路沿線的高液限粘土進(jìn)行了不同壓實(shí)度下的CBR值、回彈模量、抗剪強(qiáng)度等室內(nèi)試驗(yàn)研究。研究表明在最佳含水率下，當(dāng)壓實(shí)度從90%增加到100%時(shí)，其強(qiáng)度隨壓實(shí)度的提高而提高，CBR值從2.5%提高到8%，凝聚力從30kPa增加到44kPa，摩擦角從18°增至40°，回彈模量從20MPa提高到54MPa。劉順青等[31]對(duì)廣梧高速沿線的高液限土和紅粘土開展了不同含水率下的土體強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高液限土，其內(nèi)摩擦角在含水率低于塑限時(shí)衰減緩慢，而含水率高于塑限后，內(nèi)摩擦角快速減??；對(duì)于紅粘土，粘聚力隨含水率的變化同樣呈現(xiàn)分段性；同時(shí)，由于高液限土表層失水速率比內(nèi)部快，表層易出現(xiàn)硬殼層。1.2.3高液限粘土的施工控制標(biāo)準(zhǔn)楊世基[32]認(rèn)為粘性土的碾壓含水率應(yīng)略低于塑限，因?yàn)樗芟奘峭撂幱诎牍腆w狀態(tài)的界限，在此狀態(tài)下土中無自由水，僅有強(qiáng)、弱結(jié)合水，且弱結(jié)合水在碾壓中起到潤(rùn)滑的作用，土的碾壓效果好，易于壓實(shí)。英國規(guī)定路基填料的含水率要低于塑限；美國規(guī)定含水率低于塑限的1.2倍，但土料的液限不能高于50%。劉鑫和洪寶寧[33]針對(duì)廣梧高速河口至平臺(tái)段的路基施工，對(duì)CBR值滿足要求且路堤沉降量小于0.3m的高液限粘土直接用于路堤填筑，壓實(shí)度按88%控制，填筑厚度不宜大于8m，路基整體填筑高度不宜大于12m。對(duì)CBR不滿足要求的高液限粉土采用改良方法處理后填筑。李莉等[34]在杭（州）衢（州）高速公路柯城段路基填筑中用了5萬多方高液限粘土，當(dāng)對(duì)高液限粘土在超過其最佳含水率4%左右進(jìn)行碾壓時(shí)，壓實(shí)度<90%，且碾壓次數(shù)超過18次后，土體壓而不實(shí)，出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象。后為達(dá)到壓實(shí)度要求，嚴(yán)格控制含水率不超過最佳含水率±2%范圍進(jìn)行碾壓，最終壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求。陳禮彪等[35]研究了泉夏高速公路建設(shè)中遇到的高塑性粘土，通過壓實(shí)狀態(tài)（含水率、擊實(shí)功）與高塑性粘土穩(wěn)定強(qiáng)度（CBR值）的分析，探討了該類土直接用作路基填料的可行性及根據(jù)不同含水率狀態(tài)選擇不同標(biāo)準(zhǔn)（輕型、重型控制標(biāo)準(zhǔn)）的施工控制方法。劉江等[36]研究了福建廈門集美大道高液限粘土，其CBR大于3，只適用于下路堤的填筑，且通過最佳壓實(shí)狀態(tài)理論給出了該類土不同含水率條件下的最佳壓實(shí)范圍。工程控制指標(biāo)為：碾壓含水率控制在19%~24%（最佳含水率12.6%~15.6%，塑限28%），壓實(shí)度大于94%（最大干密度為某一含水率條件下的理論最大干密度）。高液限粘土作為路基填料時(shí)，根據(jù)CBR值選擇碾壓含水率控制范圍及壓實(shí)度降低幅度。但是降低壓實(shí)度的方法不一致，大部分工程是根據(jù)CBR值情況，將壓實(shí)度（重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)）直接降低幾個(gè)百分點(diǎn)；還有就是根據(jù)填筑含水率狀態(tài)選擇輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)或者重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)；再有就是根據(jù)填筑含水率計(jì)算對(duì)應(yīng)該含水率下的理論最大干密度，將理論最大干密度作為最大干密度計(jì)算壓實(shí)度（重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)）?？梢妷簩?shí)度降低方法不一致，且規(guī)范中也沒有提出合理的建議，所以高液限粘土的壓實(shí)度控制有待進(jìn)步研究。談云志[37]研究了紅粘土用于廈門至成都高速公路郴州段的路基填筑，結(jié)合CBR值、壓縮性、脹縮性、滲透性受含水率及壓實(shí)度變化的影響規(guī)律，提出現(xiàn)場(chǎng)碾壓標(biāo)準(zhǔn)為：含水率控制在35%左右（塑限左右），壓實(shí)度降低2.5%。萬智[38]依托郴寧高速十四標(biāo)中，高液限粘土（紅粘土）的填筑情況，指出，高液限粘土的含水率控制在不超過最佳含水率5%（30%左右）的范圍內(nèi)，且在CBR滿足要求的前提下壓實(shí)度可降低2%~3%。并利用非線性準(zhǔn)則、塑性大變形理論和空腔膨脹理論對(duì)凸塊碾碾壓粘性細(xì)粒土的機(jī)理進(jìn)行了研究，將凸塊碾壓實(shí)土體的范圍分為三個(gè)區(qū)，從內(nèi)之外分別為：塑性區(qū)、損傷區(qū)和彈性區(qū)。細(xì)粒土松鋪厚度不超過塑性區(qū)半徑加凸塊碾凸塊的長(zhǎng)度之和。河南省交通科學(xué)技術(shù)研究所的孫淑勤等通過比較中、日公路土質(zhì)路基壓實(shí)控制方法，闡述了日本的土質(zhì)路基的壓實(shí)控制方法：根據(jù)土的級(jí)配（75um篩通過量）劃分控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)75um篩通過量在20%以上的土用空氣率Va控制，對(duì)75um篩通過量不足20%的土用密度比Dc控制，詳細(xì)規(guī)定見表1.1[39]。表中的密度比法與我國的壓實(shí)度試驗(yàn)方法相同，與我國方法不同的是空氣率法，空氣率的計(jì)算公式，可由土的三相體組成導(dǎo)出：（1-1）公式1-1改變后：（1-2）式中：Va——空氣率，%；——干密度，g/cm3； ——水的密度，g/cm3；ω——土的含水量，%；Gs——土的顆粒密度。也就是說粉性土（≤75um顆粒含量超過20%）路基的壓實(shí)控制方法采用Va來控制。其它國家的學(xué)者對(duì)粉性土本身的壓實(shí)性能研究的甚少，大都集中在壓實(shí)方法探討上。表1.1日本土質(zhì)路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和控制方法方位類別試驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值壓實(shí)度施工含水率路床路床上層用孔隙率Va控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)細(xì)粒土的比重試驗(yàn)土的密度和含水量試驗(yàn)-75um≥50%時(shí)Va≤8%50%>-75um≥20%時(shí)Va≤13%滿足規(guī)定沉降量的含水率用密度比Dc控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土的擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)土的密度及含水量試驗(yàn)-75um<20%時(shí)，Dc≥97%路床下層用孔隙率Va控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)細(xì)粒土的比重試驗(yàn)土的密度和含水量試驗(yàn)-75um≥50%時(shí)Va≤8%50%>-75um≥20%時(shí)，Va≤13%用密度比Dc控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土的擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)土的密度及含水量試驗(yàn)-75um<20%時(shí)，Dc≥92%路堤路堤上層用孔隙率Va控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)細(xì)粒土的比重試驗(yàn)土的密度和含水量試驗(yàn)-75um≥50%時(shí)Va≤8%50%>-75um≥20%時(shí)Va≤13%能確保天然含水率或施工機(jī)械可通行的含水率用密度比Dc控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土的擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)土的密度及含水量試驗(yàn)-75um<20%時(shí)Dc≥92%路堤下層用孔隙率Va控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)細(xì)粒土的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)土的密度和含水量試驗(yàn)-75um≥50%時(shí)Va≤8%50%>-75um≥20%時(shí)Va≤13%用密度比Dc控制的土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土的擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)土的密度及含水量試驗(yàn)-75um<20%時(shí)Dc≥92%美國的Anon[40]論述了強(qiáng)夯法在蒙大拿州際公路上的使用情況。該公路的路基為松散干燥的沖積砂和粉土，厚為20至25英尺。在壓實(shí)過程中，采用重15t，直徑6英尺，下落高度為60英尺的落錘。研究認(rèn)為，該壓實(shí)方法對(duì)處理有較深沉積的砂和粉土的路基是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。Rollins等[41]研究了砂質(zhì)粉土強(qiáng)夯法施工的最佳含水量。他采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法配制土的含水量范圍為6%~20%，壓實(shí)所用的錘重為4.54噸，落距24.3米。壓實(shí)效果隨含水量的增加而提高，直到含水量大約17%時(shí)最大，然后開始降低。Dumas等[42]介紹了飽和粉土和粉砂土采用強(qiáng)夯法施工的工程實(shí)例。文中描述了該方法用于改善土基的施工要點(diǎn)。Li和Sego[43]研究了細(xì)粒土完整的壓實(shí)曲線及其力學(xué)特性，并量化了壓實(shí)曲線的形狀、尺寸和位置。它可以描述壓實(shí)曲線從干到濕狀態(tài)的變化情況，并預(yù)測(cè)給定土質(zhì)在不同壓實(shí)功下的壓實(shí)曲線族。1.2.4高液限粘土的改性 高液限粘土的壓實(shí)性能較差，且其強(qiáng)度一般難以滿足規(guī)范對(duì)路基填料的要求，因此常采用改性處理的方法對(duì)其壓實(shí)性、水穩(wěn)定性及力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行改善。國內(nèi)外對(duì)高液限粘土的改性研究較多，主要在以下幾個(gè)方面：（1）砂礫改良。砂礫的摻加直接改變了高液限紅粘土的顆粒組成，即增大了粗粒土含量，從而改善紅粘土液塑限等物理性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)其壓實(shí)性能有較大提高，同時(shí)可以抑制高液限粘土的開裂。葉瓊瑤[44]，劉春原[45]，劉銀生等[46]人對(duì)高液限粘土的摻加砂礫改良的效果進(jìn)行了室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)研究分析，指出30%左右的砂礫摻量改良效果及經(jīng)濟(jì)效益最佳。（2）水泥改良。葉瓊瑤[44]等人對(duì)高液限粘土的水泥改良研究表明，水泥改良對(duì)其強(qiáng)度有較大提高，但是對(duì)液塑限指數(shù)的降低不明顯，且工程拌合較困難。（3）石灰與粉煤灰改性。石灰改性處理高液限粘土應(yīng)用最為廣泛的方法，對(duì)其壓實(shí)性能和強(qiáng)度均有較大改善。葉瓊瑤和劉春原等[44,45]對(duì)高液限粘土摻加石灰、粉煤灰、二灰的改性效果進(jìn)行室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析表明，粉煤灰對(duì)高液限粘土的改性效果較差，外摻4~6%消石灰改性效果較好，可縮短施工周期并保證施工質(zhì)量。1）石灰土加固機(jī)理在土中摻入適當(dāng)?shù)氖遥⒃谧罴押肯聣簩?shí)后，即發(fā)生了一系列的物理力學(xué)作用，也發(fā)生了一系列的化學(xué)與物理化學(xué)作用。在這一系列作用發(fā)生的同時(shí)，就形成了石灰土的強(qiáng)度。由于石灰與土之間發(fā)生了一系列的相互作用，從而使土的性質(zhì)發(fā)生了根本的改變.在初期，主要表現(xiàn)在土的結(jié)團(tuán)，塑性降低，最佳含水量的增大和最大密實(shí)度的減小等.后期變化主要是結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成從而提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。綜合目前國內(nèi)外對(duì)石灰土強(qiáng)度和穩(wěn)定性的研究成果，可以認(rèn)為石灰加入土中后，主要發(fā)生以下三個(gè)作用：=1\*GB3①離子交換作用熟石灰溶于水后易于離解成Ca2+和OH一離子，即:Ca(OH)2→Ca2++2(OH)-在石灰土中，由于一定量水分影響下，其溶液呈現(xiàn)出強(qiáng)堿性，隨著Ca2+濃度增大，根據(jù)質(zhì)量作用定律，二價(jià)Ca2+離子就能當(dāng)量替換土粒表面所吸附的一價(jià)金屬離子。因此在灰土中，土粒表面原來所吸附的Na十、K+等一價(jià)離子，即被石灰中的二價(jià)Ca2+代替?？芍旌狭纤没钚匝趸}成分多時(shí)，反應(yīng)就能向右邊進(jìn)行，穩(wěn)定土的效果就大。其它條件，如土的礦物成分、土吸附的離子、土的酸堿度、水分等也能改變反應(yīng)的進(jìn)行速度，甚至改變反應(yīng)進(jìn)行的方向。由于Ca2+的結(jié)合水膜厚度比土吸附一價(jià)堿金屬離子(Na`、K`）要薄，并且Ca2+結(jié)合水膜受外界水分影響的變化不大;因此Ca2+具有良好的物理力學(xué)性能，特別是表現(xiàn)了良好的水穩(wěn)定性。Ca2+離子與土的吸附綜合體中的低價(jià)陽離子進(jìn)行交換作用后，結(jié)合水膜減薄，結(jié)果導(dǎo)致土的分散性、濕坍性、粘附性和膨脹性的降低。這個(gè)反應(yīng)過程是隨著Ca2+在土中的擴(kuò)散逐漸的進(jìn)行的，但初期進(jìn)展迅速，是引起土發(fā)生初期變化的主要原因。=2\*GB3②碳酸化作用所謂碳酸化作用，就是熟石灰和碳酸氣起反應(yīng)。由于Ca(OH)2吸收空氣中的CO2而生成CaCO3其化學(xué)反應(yīng)式為:Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O試驗(yàn)表明，碳酸化反映只有在有水的情況下才能進(jìn)行.當(dāng)用干燥碳酸氣作用于完全干燥的石灰粉末時(shí)，這反應(yīng)幾乎完全停止進(jìn)行。因?yàn)樘妓峄瘯r(shí)，石灰和碳酸氣的作用需要水。CaCO3是堅(jiān)硬的結(jié)晶體，具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，它對(duì)土的膠結(jié)作用使土得到了加固。由于CO2可能由混合料的孔隙深入，也可能由土本身產(chǎn)生，當(dāng)石灰土的表層碳酸化后則形成一層硬殼，而阻礙CO2進(jìn)一步深入，因而Ca(OH)2的碳化是個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過程，也是形成石灰土后期強(qiáng)度的主要原因之一。=3\*GB3③結(jié)晶作用消石灰Ca(OH)2摻入土中，由于水分較少，只有少部分離解，還有少部分的Ca(OH)2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，絕大部分飽和Ca(0H):在灰土中自行結(jié)晶，其化學(xué)反應(yīng)式如下:Ca(OH)2+nH2O→Ca(OH)2.nH2O石灰吸收水分(膠體)含水晶體(晶體)由于結(jié)晶作用，Ca(OH)2由膠體逐漸成為晶體。這種晶體能夠相互結(jié)合，并與土粒結(jié)合起來形成共晶體，把土粒膠結(jié)成整體。晶體的Ca(OH)2與不定形(非晶體)的Ca(OH)2相比，溶解度幾乎小一半，因而石灰土的水穩(wěn)性得到提高。石灰對(duì)土性質(zhì)的影響：土摻入石灰后，石灰與土之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而使土的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。它主要表現(xiàn)在下述三方面:=1\*GB3①塑性由于離子交換等作用，形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土的塑性指數(shù)下降。塑性指數(shù)的減小主要是由于塑限的提高。=2\*GB3②壓實(shí)性壓實(shí)石灰的摻入，使土的最佳含水量增加而最大密實(shí)度降低。這主要是由于土顆粒的凝集以及土中的水分有一部分消耗于石灰與土的水化，因而不能用于減少顆粒間的摩擦力。由此也可推知，石灰同土拌和后間隔一段時(shí)間再壓實(shí)，將使土的塑性變化較多，對(duì)壓實(shí)是不利的。=3\*GB3③強(qiáng)度石灰對(duì)土的影響，最主要的是提高強(qiáng)度；而強(qiáng)度的提高取決于許多因素。石灰對(duì)土性質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)在上述三個(gè)方面。在初期主要由于離子交換作用，減薄了土的吸附水膜厚度，促使土粒凝集和凝聚，形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土的塑性降低、最佳含水量增大和最大密實(shí)度減小等。后期變化主要表現(xiàn)在結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成，從而強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高。2）粉煤灰加固機(jī)理粉煤灰是一種具有一定活性的工業(yè)廢渣，它的主要化學(xué)成分為鈣、硅、鋁及少量的鎂和其他物質(zhì)。=1\*GB3①高鈣粉煤灰的水化反應(yīng)粉煤灰中的CaO與土中的水相互作用，形成Ca(OH)2。這些Ca(OH)2其中一部分與土中或空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3，并對(duì)軟土起到膠結(jié)作用:另一部分與SiO2，A12O3反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣都是水硬性化合物，它們包裹在粉煤灰玻璃體表面，并逐漸形成膠結(jié)狀結(jié)晶體，對(duì)軟土起到膠結(jié)作用。=2\*GB3②碳化反應(yīng)的膠結(jié)作用由于粉煤灰中含有SO3，在含水土中SO3分解成大量的SO42-，這一反應(yīng)使土局部成酸性，同時(shí)溶解粉煤灰和軟土中的方解石(CaCO3)，當(dāng)土中的CO32一離子過飽和后，將使CaCO3重結(jié)晶，產(chǎn)生再生的無定形(CaCO3)沉積，對(duì)土顆粒和粉煤灰材料本身產(chǎn)生膠結(jié)作用。由于(CaCO3)結(jié)晶程度隨齡期的增長(zhǎng)而提高，這種膠結(jié)作用隨齡期的增長(zhǎng)而加大。（4）新型改性劑。部分學(xué)者對(duì)高液限粘土進(jìn)行了新型改性劑的改性研究，效果較好但工程應(yīng)用較少。黃燦森[47]提出了一種土壤穩(wěn)定劑，可以改變土顆粒表面的親水性，使土壤易于壓實(shí)、密實(shí)度提高、滲透性降低。崔德山[48]對(duì)武漢地區(qū)紅粘土提出一種ISS改性劑方法，ISS的親水基與粘土結(jié)合，疏水基將結(jié)合水置換，降低結(jié)合水的表面張力，疏水基形成保護(hù)膜增強(qiáng)抗水性，電解陽離子與粘土陽離子和極性水分子交換，從而使結(jié)合水膜變薄，抗剪強(qiáng)度提高。綜上所述，目前對(duì)于紅粘土的物理力學(xué)特性研究以及高液限粘土的改性方法研究已經(jīng)取得了大量實(shí)用性成果，但以上研究中不同地區(qū)與成因的高液限粘土其物理力學(xué)性質(zhì)與改性效果存在較大差異。雖然對(duì)高液限粘土直接用于路基填筑的可行性進(jìn)行了分析，但未明確提出其工程中的壓實(shí)控制指標(biāo)，對(duì)高液限粘土填筑路基的工程變形及穩(wěn)定性研究較少。因此，研究黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的特殊成因和物理力學(xué)性質(zhì)，探討該類土填筑路基的壓實(shí)控制指標(biāo)與工程穩(wěn)定性具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)際意義。綜上所述，高液限粘土在物質(zhì)組成，現(xiàn)場(chǎng)施工等方面都做了大量的工作，積累了眾多寶貴經(jīng)驗(yàn)，為后人研究高液限粘土提供了很多好的思想。但是黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土與高液限粘土、南方紅粘土在顆粒組成上差異性較大，其粉粒、粘粒含量高于85%，而細(xì)砂含量較大，遇水軟化嚴(yán)重，造成該類土4天浸水CBR值普遍小于2%。所以該類土不能以CBR值判斷土料的碾壓含水率控制范圍及壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，該類土的填筑標(biāo)準(zhǔn)需要借助其他力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行選擇。鑒于該類土與原有研究在顆粒組成、碾壓特點(diǎn)、碾壓含水率范圍、壓實(shí)度控制及填筑區(qū)域等方面的不同，原有碾壓工藝和壓實(shí)控制指標(biāo)皆不適于該類土，因此需要對(duì)該類土的壓實(shí)工藝與碾壓控制指標(biāo)進(jìn)行深入研究。1.3研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)1.3.1研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線針對(duì)濟(jì)徐高速沿線湖淤積高液限粘土的典型土質(zhì)，進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，研究分析黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的物理與力學(xué)特性，揭示該類土的壓實(shí)機(jī)理及不同含水率與壓實(shí)度狀態(tài)下的強(qiáng)度變化規(guī)律，提出滿足路基工程穩(wěn)定性的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，針對(duì)行車荷載的主要工作區(qū)—路床區(qū)，因湖淤積高液限粘土的水穩(wěn)定性不足，需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)改性研究，以確定合理的改性方法。本文的研究技術(shù)路線如下：查閱國內(nèi)外研究資料、現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)、已建工程調(diào)研，分析該類土填筑路基的工程問題與穩(wěn)定性。路基填料基本物理力學(xué)特性，研究分析該類土的組成、物理、強(qiáng)度與變形特性及水穩(wěn)定性，以探索其工程應(yīng)用特性和壓實(shí)控制指標(biāo)的可靠性；從土體三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和回彈模量試驗(yàn)，揭示非飽和土三相體受力后的工作機(jī)理與影響因素，初步確定壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)；室內(nèi)試槽試驗(yàn)?zāi)M實(shí)體工程的真實(shí)狀況，旨在探究研究確定的該類土路基臨界碾壓標(biāo)準(zhǔn)的可靠性與可行性。按照最低的控制標(biāo)準(zhǔn)填筑，測(cè)試碾壓后不同時(shí)間段彎沉、回彈模量、應(yīng)力分布、沉降變形及水分的分布與水穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路為確定適宜于該類土的碾壓機(jī)械組合及壓實(shí)控制指標(biāo)，在德商高速公路里程為K40+900～K61+800、路基填高4~5米的第一標(biāo)段，選取了三個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行不同含水率與碾壓機(jī)械組合試驗(yàn)，并將試驗(yàn)路成果用于實(shí)體工程，檢測(cè)彎沉評(píng)價(jià)抗變形穩(wěn)定性。室內(nèi)改性試驗(yàn)對(duì)取自濟(jì)徐高速沿線的1#、2#、3#土分別進(jìn)行生石灰外摻量為2%、3%、4%的石灰改性；外摻量為10%、15%、20%、25%的粉煤灰改；2#土進(jìn)行小劑量不同的石灰與粉煤灰摻量改性，以塑性指數(shù)隨天數(shù)的變化來判斷經(jīng)濟(jì)合理的改性劑與劑量。室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)擬采用的含水率23%、壓實(shí)度88%高液限土樣開展動(dòng)回彈模量和塑性變形研究，以評(píng)價(jià)其長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性。1.3.2創(chuàng)新點(diǎn)揭示黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的物理力學(xué)特性與壓實(shí)機(jī)理；揭示非飽和黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土三相體受力后的工作機(jī)理；提出碾壓工藝參數(shù)、工藝組合及壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)；確定土質(zhì)改良技術(shù)；基于土體長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性的碾壓參數(shù)評(píng)價(jià)。

第二章湖淤積高液限粘土基本物理力學(xué)特性研究土是由母巖經(jīng)過物理與化學(xué)風(fēng)化作用后，通過水、風(fēng)等搬運(yùn)堆積的成土過程形成的顆粒沉積物。從土的成因上，由巖石風(fēng)化形成的土可能留存在原地，也可能經(jīng)過風(fēng)、水或冰川的剝蝕和搬運(yùn)作用，在別處沉積形成土層。留存在原地的土稱為殘積土；由風(fēng)的剝蝕和搬運(yùn)作用而在別處沉積的土稱為風(fēng)成沉積土。風(fēng)成沉積土包括黃土、砂丘；由水的侵蝕和搬運(yùn)作用在別處沉積的土稱為沉積土。隨著水流的過程，根據(jù)不同的沉積條件可分為：坡積土、洪積土、山區(qū)河谷沖積土、平原河谷沖積土、湖相沉積土、三角洲沉積土、海相沉積土等；由冰川活動(dòng)的剝蝕和搬運(yùn)作用在別處形成的土稱為冰川沉積土。除了由巖石風(fēng)化形成土外，植物分解也形成土，如泥炭土、腐植土等[49,50]。土的成因決定了土的三相體間的比例、顆粒的種類、成熟度及礦物成分等物理狀態(tài)的差異。這些是影響土的物理、力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，也是導(dǎo)致其工程性質(zhì)差別與變異性的最主要原因。2.1黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的成因山東魯西南——魯西北平原區(qū)是第四紀(jì)地質(zhì)活動(dòng)的產(chǎn)物。影響山東省第四紀(jì)發(fā)育的主要地質(zhì)事件主要有斷裂活動(dòng)、火山活動(dòng)、黃土堆積、湖沼及海侵沉積等[51]。在第四紀(jì)更新世時(shí)期繼承了前期構(gòu)造活動(dòng)特征，隆起區(qū)繼續(xù)隆起，坳陷區(qū)繼續(xù)坳陷，形成了魯西南-魯西北平原區(qū)，魯中南低山丘陵區(qū)和魯東丘陵區(qū)。此時(shí)氣候以寒冷為主，間有短期的溫暖氣候。寒冷期普遍海退，沉積陸相地層；溫暖期海侵廣泛，沉積了陸相夾海相地層。有多次玄武巖噴溢。泰山地勢(shì)不斷升高，大的河流兩岸及濱海地帶形成多級(jí)階地，這表明新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)持續(xù)活動(dòng)。全新世早一中期海水入侵大陸，至4000aB.P前后才退出；海侵盛期由于氣候濕熱，侵蝕基準(zhǔn)面上升，內(nèi)陸排水不暢，沼澤化發(fā)育，形成黑土湖組。此時(shí)整個(gè)山東大地面貌與今天已經(jīng)基本相似，黃河大量泥沙進(jìn)入山東境內(nèi)，形成了廣闊的沖積平原，平原區(qū)河流發(fā)育，淺小湖泊廣布。魯西南、魯西北平原區(qū)形成黃河組，在一些湖泊中發(fā)育白云湖組[52]。湖相沉積土比較復(fù)雜，其成分變化較大。在湖邊沉積土顆粒較粗，在近岸帶沉積多數(shù)是粗顆粒的卵石、圓礫和砂土，在遠(yuǎn)岸帶沉積的是細(xì)顆粒的砂土和粘性土，在湖中心區(qū)沉積的是粘土和淤泥，常夾有細(xì)砂、粉砂薄層。湖泊如果逐漸淤塞，則可演變成沼澤，形成沼澤沉積物。沼澤沉積土主要是由半腐爛的植物殘余體組成。泥炭土含水率極高，滲透性差，壓縮性很高，抗剪強(qiáng)度很低[53]。山東魯西南——魯西北平原區(qū)，由黃河泛濫沖積而成，是華北平原的組成部分，位于運(yùn)河湖帶以西，膠濟(jì)鐵路以北，形成一個(gè)半圓形環(huán)抱著魯中南山地丘陵。海拔大多在50米以下，自西南向東北微傾，由于黃河多次決口改道和沉積，地表形成一系列高差不大的河道高地和河間洼地，彼此重迭，縱橫交錯(cuò)[54]。也就是說，黃泛區(qū)的湖淤積高液限粘土是由黃河攜帶的泥沙經(jīng)過水的搬運(yùn)，在河湖、洼地的靜水環(huán)境下形成的。由于其成土的物質(zhì)來自于黃土高原，長(zhǎng)距離水流沖刷使其顆粒磨圓度較高，因此有高含量的粉粒及粘粒，是決定其物理性質(zhì)的重要因素。2.2湖淤積高液限粘土的礦物成分2.2.1概述土的礦物可分為原生礦物（石英、長(zhǎng)石、云母等）和次生礦物。原生礦物為石英、長(zhǎng)石、云母等。原生礦物的顆粒較粗，可以用肉眼觀察法或用顯微鏡薄片鑒定法進(jìn)行測(cè)定；次生礦物主要為粘土礦物、氯化物及氫氧化物、鹽類及有機(jī)化合物。次生礦物成分（尤其是粘土礦物成分）的顆粒很小，需要采用專門的測(cè)定方法。一般所說的礦物成分測(cè)定主要是指對(duì)土性影響最大和測(cè)定最復(fù)雜的粘土礦物成分，包括土中的伊利石、高嶺石、蒙脫石、綠泥石、蛭石等的測(cè)定。伊利石、高嶺石、蒙脫石等不同粘土礦物有復(fù)雜的化學(xué)成分和特殊的晶格構(gòu)造，它們決定了細(xì)粒土的物理化學(xué)性質(zhì)，是影響土性最為重要、最為活躍的物質(zhì)。其物化性質(zhì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：可塑性、膨脹性、觸變性、懸浮性、懸浮現(xiàn)象、粘滯性及離子交換性。分析土中礦物成分常用的方法有X射線粉晶分析法和差熱分析法。同時(shí)，光學(xué)顯微鏡法、電子顯微鏡分析法、紅外線吸收光譜分析法和染色分析法等，也可以為估測(cè)土中主要礦物的類型提供幫助。本次試驗(yàn)中所采用方法為X射線粉晶分析法。2.2.2X射線衍射分析通過用Jade軟件分析其X射線衍射圖譜，識(shí)別圖譜中的d值和衍射強(qiáng)度。這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)是礦物晶體結(jié)構(gòu)的反映，據(jù)此鑒定礦物的種類和大致含量。主要粘土礦物的X射線衍射特征如下：1）高嶺石。，。2）水云母。=1.0nm，=0.5nm，=0.336nm。屬非膨脹性礦物。3）蒙脫石。屬膨脹性礦物，=1.2～1.5nm（隨層間金屬離子種類和溶液性質(zhì)不同而變化）。4）蛭石。=1.42nm，=0.71nm，=0.47nm，=0.35nm。5）綠泥石。=1.42nm，=0.71nm，=0.47nm，=0.353nm。圖2.1、圖2.2、圖2.3為取自濟(jì)徐高速沿線的三種典型湖淤積高液限粘土的X射線衍射圖譜：圖2.11#土衍射圖譜圖2.22#土衍射圖譜圖2.33#土衍射圖譜根據(jù)粘土礦物的X射線衍射特征及晶面結(jié)構(gòu)與土1#、2#、3#土的X射線衍射圖譜進(jìn)行對(duì)比分析，可以判斷出，1#、2#、3#土中的礦物成分類似，均含有伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物，以蒙脫石和伊利石為主。2.3湖淤積高液限粘土的顆粒分析固相顆粒的粒徑與級(jí)配是決定土的壓實(shí)與工程特性的關(guān)鍵因素。土的粒徑與級(jí)配常用顆粒分布曲線來反映，即粒徑（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）與小于該粒徑土粒的重量所占土總重量百分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。本實(shí)驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的甲種密度計(jì)法。2.3.1試驗(yàn)結(jié)果及分析本試驗(yàn)對(duì)濟(jì)徐高速沿線三個(gè)取土場(chǎng)的土樣分別進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)。其顆粒分析曲線如圖2.4~2.6：圖2.41#土的粒徑分配曲線圖2.52#土的粒徑分配曲線圖2.63#土的粒徑分配曲線為分析黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的顆粒組成特點(diǎn)，對(duì)比一般高液限粘土及黃泛區(qū)粉土的顆粒組成，列于表2.1：表2.SEQ表格\*ARABIC1黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土顆粒組成粒徑（mm）>0.0750.075-0.050.05-0.010.01-0.0050.005-0.002<0.002濟(jì)徐高速1#6.43.746.314.115.224.3濟(jì)徐高速2#5.82.1291519.428.7濟(jì)徐高速3#2.73.738.912.317.226.2南方高液限粘土3.15.818.315.511.445.9黃泛區(qū)粉土21275623土的粒徑分配曲線說明，黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的級(jí)配曲線較陡，顆粒分布的范圍較為集中，主要分布在粉粒及粘粒范圍內(nèi)。表2.1顯示黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土含有少量粉砂，以粉粒為主，有較高的粘粒含量，粘粒與粉粒的含量占90%以上。其中，0.075-0.002mm的粉粒含量大于65%，小于0.002mm的粘粒含量占25%左右。與黃泛區(qū)粉土相比，該類土小于0.005mm粒徑含量較高，粘粒含量高。較于普通的高液限粘土，其粘粒含量偏低但含有大量粉粒。黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的粉粒含量較高，毛細(xì)孔隙發(fā)達(dá)，具有良好的吸濕性。但因小于0.005mm的土粒含量高于40%，小于0.002mm的粘粒含量大于25%，土粒的比表面積大，表面能高，界面效應(yīng)強(qiáng)，表現(xiàn)出強(qiáng)的吸濕性，粘滯力大。黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的這種性質(zhì)，使其在碾壓過程中，表層會(huì)形成硬殼屏障，封閉了氣體通道，在含水率較高時(shí)，壓實(shí)能轉(zhuǎn)化為三相體之間的相互作用，一般的碾壓機(jī)械壓實(shí)效果較差。而且由于其較高粉粒含量，在振動(dòng)碾壓下產(chǎn)生水分上移現(xiàn)象。因此在工程實(shí)際中，宜使用凸輪壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，并且采用合適的振幅與頻率，控制合適的碾壓含水率范圍。在路基運(yùn)營期間，應(yīng)注意防水排水。2.4黃泛區(qū)粉粒的微觀結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)上認(rèn)為，粗粒土經(jīng)水流的長(zhǎng)距離搬運(yùn)作用，其磨圓度會(huì)明顯提高，細(xì)粒土由于其質(zhì)量較輕，搬運(yùn)過程中碰撞、沖刷的動(dòng)能較小，圓度一般不會(huì)發(fā)生變化。粉土顆粒盡管屬于細(xì)粒土，但其質(zhì)量、粒徑介于粗粒土和粘粒之間，經(jīng)水的長(zhǎng)距離搬運(yùn)后其顆粒結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生變化呢？為研究黃河沖淤積粉土顆粒的結(jié)構(gòu)，取濟(jì)徐高速周邊典型黃河沖淤積粉土與普通粉土顆粒（篩除粘土顆粒）進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，采用JXA-8800R型電子探針進(jìn)行顆粒微觀結(jié)構(gòu)的分析。拍攝的粉土顆粒微觀結(jié)構(gòu)照片見圖2.7～2.9。（a）普通粉土含較多的針片狀顆粒（500倍）（b）黃河沖淤積粉土片狀顆粒極少（1k）圖2.7普通粉土針片狀顆粒與黃河沖淤積粉土顆粒的對(duì)比（a）普通粉土（放大倍數(shù)1k）（b）黃河沖淤積粉土（放大2k倍），表面因水的長(zhǎng)距離搬運(yùn)，沖刷和顆粒間的碰撞，磨圓度較高，表面易剝落圖2.8黃河沖淤積粉土與普通粉土的圓度對(duì)比（a）普通粉土顆粒（放大倍數(shù)2k）存在堅(jiān)硬棱角，磨圓度低，表層無剝落現(xiàn)象（b）黃河水的長(zhǎng)距離搬運(yùn)長(zhǎng)距離時(shí)，水的浸泡、沖刷和顆粒間的碰撞作用，使得黃河沖淤積粉土（放大倍數(shù)4k）顆粒，的表層強(qiáng)度較低圖2.9黃河沖淤積粉土與普通粉土顆粒表層侵蝕剝落現(xiàn)象對(duì)比由上圖可見，與普通粉土相比，黃河沖淤積粉土顆粒磨圓度較高；其針片狀顆粒少；經(jīng)水的長(zhǎng)時(shí)間浸泡侵蝕、顆粒撞擊和水流沖刷作用，顆粒表層破碎、剝落嚴(yán)重，強(qiáng)度較低。由此可以判斷，盡管粉性土屬于細(xì)粒組，在長(zhǎng)距離的水流搬運(yùn)過程中，由于粉性土顆粒相對(duì)粘粒具有較大的質(zhì)量、粒徑，仍會(huì)形成足夠的水流的沖刷和顆粒間碰撞能量，使得粉性土顆粒的圓度明顯提高。由于黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土中含有較高含量的粉土顆粒，其磨圓度高，粒度均勻，顆粒表面強(qiáng)度低，使得在碾壓時(shí)顆粒間難以形成有效的顆粒嵌擠，在外力作用下容易發(fā)生顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)。尤其是在浸水作用下，磨圓度較高的粉土顆粒強(qiáng)度降低顯著，導(dǎo)致湖淤積高液限粘土的強(qiáng)度和變形特性受水的影響顯著。2.5湖淤積高液限粘土的液塑限試驗(yàn)土的稠度是指粘性土的干濕程度或在某一含水率下抵抗外力作用而變形或破壞的能力，是粘性土最主要的物理狀態(tài)指標(biāo)。粘性土的狀態(tài)根據(jù)含水率的增加依次劃分為固體狀態(tài)、半固體狀態(tài)、可塑狀態(tài)與流態(tài)。粘性土從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)，可用某一界限含水率來區(qū)分，成為稠度界限。工程上常用的稠度界限一般為液限和塑限。必須指出，粘性土的狀態(tài)是逐漸過渡的，并無明確的界限，目前工程上只是根據(jù)某些通用的試驗(yàn)方法來測(cè)定這些界限含水率。本實(shí)驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）規(guī)定的液限塑限聯(lián)合測(cè)定法，落錐的質(zhì)量為100g，錐角30°，取沉入深度為20mm時(shí)的含水率為液限。表2.2為黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土與黃泛區(qū)粉土及南方紅粘土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。表SEQ表格\*ARABIC2.2黃泛區(qū)高液限粘土液塑限試驗(yàn)結(jié)果土樣編號(hào)液限/%塑限/%塑性指數(shù)濟(jì)徐高速1#45.421.923.5濟(jì)徐高速2#58.127.131.0濟(jì)徐高速3#47.723.424.3德商高速60.235.724.5黃泛區(qū)粉土27.017.29.8紅粘土58.830.828.0表2.2顯示，黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的液限在45%~60%之間，塑限在21%~27%之間，塑性指數(shù)在23~30之間。與南方紅粘土及一般的高液限粘土相比，黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土由于粘粒含量相對(duì)偏低而粉粒含量很高，其液限并不高，多數(shù)在45~50%左右，僅部分液限可達(dá)60%左右，在細(xì)粒土分類的塑性圖上處于高液限土與低液限土分類的過渡范圍。圖2.10塑性圖土的塑性指數(shù)表示在可塑狀態(tài)時(shí)土的含水率可變化的幅度，塑性指數(shù)愈大，說明土中弱吸著水的含量可能較高，它與土粒大小、土粒礦物成分及水膜中陽離子成分和濃度等有關(guān)。黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的顆粒組成以粉粒、粘粒為主，礦物組成中伊利石、蒙脫石含量高，因此其塑性指數(shù)較高，在毛細(xì)作用與粒間薄膜水的雙電層效應(yīng)的共同作用下，具有較高的可塑性與粘滯性。但是，與南方紅粘土相比，黃泛區(qū)高液限粘土的塑限較低，即可塑狀態(tài)的下限含水量較低，這說明該類土具有較高的水敏感性，在現(xiàn)場(chǎng)碾壓時(shí)，含水量與飽和度就成為控制彈簧現(xiàn)象的關(guān)鍵指標(biāo)。2.6燒失量的測(cè)定本實(shí)驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）規(guī)定的燒失量測(cè)定方法。試驗(yàn)結(jié)果見表2.3表2.3燒失量試驗(yàn)記錄土樣編號(hào)1#2#3#灼燒溫度（oC）950950950試驗(yàn)次數(shù)121212土樣質(zhì)量1.09001.56811.21541.87432.02631.4621灼燒殘?jiān)?干鍋質(zhì)量21.566522.011022.481923.070525.424124.9082空干鍋質(zhì)量20.560720.560721.402721.402723.567723.5677燒失量（%）7.727.5111.2111.028.388.32平均燒失量7.6211.128.35土的燒失量包括有機(jī)質(zhì)和結(jié)合水，不包括吸濕水。一般來說，土中結(jié)合水的含量占5%左右。從上表可以看出，三個(gè)土樣中均含一定量的有機(jī)質(zhì)，屬于含有機(jī)質(zhì)土。2.7壓實(shí)特性土的壓實(shí)性是指在一定的含水率下，以人工或機(jī)械的方法，使土能夠壓實(shí)到某種密實(shí)程度的性質(zhì)與性狀。黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土作為一種特殊的路基填料，含有較高的粉粒及粘粒含量，且經(jīng)黃河水長(zhǎng)距離的搬運(yùn)，顆粒磨圓度較高，這種特殊的顆粒組成與成因決定了其壓實(shí)特性與一般粘性土有較大差別。研究該類土的壓實(shí)機(jī)理與特性對(duì)確定實(shí)體工程的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制指標(biāo)及壓實(shí)工藝優(yōu)化具有重要的理論和工程意義。本研究對(duì)取自濟(jì)徐高速沿線的三種土樣進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)，以揭示黃泛區(qū)高液限粘土的壓實(shí)機(jī)理與性狀。試驗(yàn)方法采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)。2.7.1試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果圖2.8為濟(jì)徐高速沿線1-3#土重型擊實(shí)的試件情況，其中試件含水率從左至右依次遞加，第三個(gè)試件為最佳含水率下的試件，有如下特點(diǎn)：（1）當(dāng)含水率小于最佳含水率時(shí)，試件質(zhì)地堅(jiān)硬，存在有較大孔隙，表面難以刮平。（2）當(dāng)試件處于最佳含水率時(shí)，其密實(shí)度很高。（3）當(dāng)含水率高于最佳含水率4%以后，擊實(shí)過程中出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象，試件壓而不實(shí)，但沒有發(fā)生水分滲出現(xiàn)象。圖2.11重型擊實(shí)試驗(yàn)制得的試件取自濟(jì)徐高速沿線的高液限粘土標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)曲線見圖2.12~圖2.14：圖2.12濟(jì)徐高速1#土擊實(shí)曲線圖2.13濟(jì)徐高速2#土擊實(shí)曲線圖2.14濟(jì)徐高速3#土擊實(shí)曲線取自濟(jì)徐高速沿線的土樣標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表2.4：表2.4濟(jì)徐高速沿線土樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果土樣編號(hào)最大干密度/gcm-3最佳含水率/%濟(jì)徐高速1#土1.86314.77濟(jì)徐高速2#土1.77618.73濟(jì)徐高速3#土1.82416.612.7.2試驗(yàn)結(jié)果分析圖2.15顯示：該類高液限粘土的擊實(shí)曲線駝峰較寬，在最佳含水率左側(cè)，擊實(shí)曲線較寬緩，表現(xiàn)出粉性土的性狀；在最佳含水率右側(cè)，擊實(shí)曲線趨于直線下降。當(dāng)擊實(shí)含水率超過20%后，隨含水率增高，擊實(shí)曲線趨近甚至重合于飽和線，干密度迅速下降，擊實(shí)出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象。該類土在低于最佳含水率時(shí)，由于顆粒表面的水膜較薄，表面張力產(chǎn)生的毛細(xì)壓力增大了顆粒間的剪切阻力，需要消耗很大的能量才能使顆粒產(chǎn)生相互移動(dòng)，碾壓效率較低。當(dāng)含水率增加至最佳含水率附近時(shí)，水膜變厚，水對(duì)土粒表面的潤(rùn)滑降低了粒間摩擦力，擊實(shí)功能迫使顆粒移動(dòng)、粒間距減小、孔隙壓縮，干密度達(dá)到最大。含水率繼續(xù)增大，土中僅余少部分氣體且呈封閉狀態(tài)，夯擊瞬間，孔隙水、氣承擔(dān)和傳遞大部分應(yīng)力，土骨架承擔(dān)的荷載很低，導(dǎo)致土體很難壓實(shí)；而當(dāng)含水量超過22%時(shí)，擊實(shí)曲線幾乎與飽和線重合，此時(shí)土顆粒間的孔隙全部由水填充，由于該類土滲透系數(shù)低、持水性強(qiáng)，土中的超靜孔隙水壓力不易消散而迅速增加，土體壓而不實(shí)，受力的土體回彈變形較大，出現(xiàn)的彈簧現(xiàn)象消減了壓實(shí)能。說明該類土擊實(shí)過程表現(xiàn)出高液限粘土并兼有粉質(zhì)土的壓實(shí)性狀，即在最佳含水率（-2~+5%范圍內(nèi)），土體孔隙中的空氣易被壓縮排出，土體的壓實(shí)度較高，可達(dá)94%以上；而當(dāng)含水率較高時(shí)，壓實(shí)效率因孔隙水難以排出的原因而急劇降低，控制合理的含水率范圍是保證壓實(shí)的關(guān)鍵。（a）普通粉土（b）粘土圖2.15普通粉土和粘土的壓實(shí)曲線與普通粉土和粘土的壓實(shí)曲線相比（如圖2.15），該黃泛區(qū)高液限粘土在含水率較高時(shí)，壓實(shí)曲線非常接近飽和線，表明土體三相介質(zhì)中的氣相成分容易被壓縮和排出，土體壓實(shí)后的空氣體積率要較普通粉土和粘土低。因此，高含水率壓實(shí)下空氣體積率低，是黃泛區(qū)高液限粘土區(qū)別于其他粉土和粘土的顯著特點(diǎn)。由上分析可知，該類土的特殊的物理性質(zhì)及壓實(shí)性狀，決定了含水率和飽和度成為壓實(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)。在實(shí)際工程中，一般的碾壓機(jī)械及工藝的壓實(shí)質(zhì)量和效率較低，宜采用凸輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，以打破硬殼層的屏障作用，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定適合的振幅、頻率與碾壓遍數(shù)，防止彈簧現(xiàn)象的發(fā)生及已壓密穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)在過度壓實(shí)后破壞。2.8CBR值特性CBR(CaliforniaBearingRatio)又稱加州承載比，是指標(biāo)準(zhǔn)試件(材料在標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)層次與次數(shù)、含水量、密度)下成型后，標(biāo)準(zhǔn)飽水96h后，進(jìn)行貫入試驗(yàn)，當(dāng)貫入量達(dá)2.5mm時(shí)的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。它是一種評(píng)定材料承載能力的試驗(yàn)方法，表征了材料抵抗局部荷載壓入變形的能力，以確保路堤填筑壓實(shí)后的浸水整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。加州承載比(CBR)試驗(yàn)是1928年美國加州在進(jìn)行瀝青路面破壞調(diào)查時(shí)，為比較材料的強(qiáng)度而提出的。日本在1970年也將其列入國家土質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程。我國1995年發(fā)布的交通行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ0132-95)和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ0332-95)中修訂了1986年版本的規(guī)定，明確將CBR試驗(yàn)作為技術(shù)要求列入規(guī)范。在此之前，《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ0512-93）中則規(guī)定了進(jìn)行CBR試驗(yàn)的程序。目前，CBR試驗(yàn)已成為評(píng)價(jià)土基和路面材料強(qiáng)度及穩(wěn)定性的重要技術(shù)指標(biāo)，是柔性路面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。試料貫入量達(dá)2.5mm時(shí)，單位壓力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值，即：（2-1）式中：P——對(duì)應(yīng)于貫入度為2.5mm或5.0mm時(shí)土基單位壓力，MPa；PS——標(biāo)準(zhǔn)碎石貫入深度為2.5mm或5.0mm時(shí)的單位壓力(分別為7.0和10.5)，MPa。CBR值是一種評(píng)定土基承載能力的指標(biāo)，是路基和路面材料的強(qiáng)度指標(biāo)，是柔性路面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。路基土的CBR值是反應(yīng)土基抗垂直位移的能力指標(biāo)，當(dāng)接近極限平衡條件時(shí)，則兼而反映土體抗剪力的相對(duì)度量。在我國的柔性路面設(shè)計(jì)中，雖然以路基土和路面材料的回彈模量值作為設(shè)計(jì)參數(shù)，但在路基路面施工規(guī)范中仍將CBR作為一項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)。表2.5為我國公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的路基填料CBR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表2.5路基填料最小承載比要求項(xiàng)目分類路面底面以下深度（m）填料最小承載比（CBR）（%）高速公路、一級(jí)公路二級(jí)公路三、四級(jí)公路路床區(qū)0~0.38650.3~0.8543上路堤0.8-1.5433下路堤1.5以下322本研究選用具有代表性的濟(jì)徐高速沿線3#土與德商高速沿線土樣，在不同含水率與壓實(shí)度條件下，分別進(jìn)行了不浸水與浸水4天后的貫入試驗(yàn)，測(cè)定其CBR值。2.8.1試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果濟(jì)徐高速與德商高速沿線高液限粘土具有相同的試驗(yàn)現(xiàn)象：在浸水4d后，試件均表現(xiàn)出一定的吸水膨脹性，試件吸水后變松軟。表2.6為試件浸水4天后的CBR值：表2.6浸水4d的CBR值取樣地點(diǎn)含水率（%）壓實(shí)度（%）吸水率（%）膨脹率（%）浸水CBR（%）濟(jì)徐高速沿線3#土179012.45.80.7179310.95.60.817968.14.90.8209011.36.10.520939.65.70.620966.44.40.623908.75.30.423936.34.70.5德商高速178514.54.61.5168913.55.41.516959.34.71.8表2.7為濟(jì)徐高速沿線3#土在不同含水量、不同壓實(shí)度下的不浸水CBR值：表2.7濟(jì)徐高速沿線3#土不浸水CBR值含水量/%壓實(shí)度/%17209630.718.99328.215.19026.512.68514.7-圖2.16濟(jì)徐高速沿線3#土不浸水CBR值與含水量壓實(shí)度關(guān)系曲線表2.8為德商高速沿線土樣在不同含水量、不同壓實(shí)度下的不浸水CBR值：

表2.8德商高速沿線土不浸水CBR值擊實(shí)次數(shù)含水率（%）壓實(shí)度CBR值（%）3*30160.8629.23*5016.10.9046.63*9816.30.9664.63*3020.70.9225.763*5020.60.9625.43*9819.910.9828.73*3021.50.9214.63*5023.50.92123*9823.30.956.93*3026.60.899.53*5024.80.926.13*9825.20.903.62.8.2試驗(yàn)結(jié)果分析 上述表中顯示，濟(jì)徐高速與德商高速沿線的高液限粘土具有同樣的CBR值變化規(guī)律：（1）黃泛區(qū)高液限粘土浸水4d后的吸水率隨試件初始含水率在6~15%之間變化，膨脹率在4~6%之間，具有弱膨脹性。（2）濟(jì)徐高速沿線土浸水4d后的CBR值在0.4~0.8%之間，德商高速沿線土浸水4d后CBR值在1.5-1.8%之間，均不足3%。試件的浸水CBR值受初始含水率及壓實(shí)度影響很小，浸水后試件強(qiáng)度喪失，達(dá)不到《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于高速公路及一級(jí)路路堤填料最小CBR值要求的3%。（3）濟(jì)徐高速沿線土的不浸水CBR值隨含水率與壓實(shí)度的變化規(guī)律見圖2.16。不浸水的CBR值隨含水率增加而降低，隨壓實(shí)度的提高而增加。在含水率不高于最佳含水率3%、壓實(shí)度大于90%時(shí)，其CBR值在12~30%之間。德商高速沿線土的不浸水CBR值變化于4~60%之間。濟(jì)徐與德商高速湖淤積土的CBR值都隨壓實(shí)度和含水率變化幅度都較大。在我國《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-E40-2007）對(duì)CBR試驗(yàn)的條文說明中指出：做CBR試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)模擬材料在使用過程中處于最不利狀態(tài)，在一般情況下，可按飽水4d作為設(shè)計(jì)狀態(tài)。但是，在干燥地區(qū)，如能結(jié)合地區(qū)、地形、排水、路面排水構(gòu)造和路面結(jié)構(gòu)等因素，論證土基潮濕程度和土樣飽水4d的含水率有明顯差異時(shí)，則可適當(dāng)改變?cè)嚰査椒ê惋査畷r(shí)間，使CBR試驗(yàn)更符合實(shí)際狀況。綜上所述，由于黃泛區(qū)的高速公路大部分為填方路基，只要做好路基的防滲排水，控制合理的壓實(shí)含水率，該類土路基在不浸水的情況下，其CBR值滿足路基的強(qiáng)度穩(wěn)定要求。2.9壓縮指標(biāo)土的壓縮性是指土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，土的骨架顆粒之間相互擠密，封閉氣泡的體積也將縮小，從而引起土層的壓縮變形，土在外力作用下體積縮小的特性。土的壓縮性的高低決定于土本身的性質(zhì)，即土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征；同時(shí)，與土的受力條件有關(guān)。分析計(jì)算路基與地基土層的沉降，最重要的是土的壓縮性指標(biāo)。圖2.18固結(jié)儀本試驗(yàn)采用單軸固結(jié)儀快速試驗(yàn)法，試驗(yàn)儀器見圖2.18，對(duì)不同含水率、壓實(shí)度的重塑土進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果如圖2.19~2.21所示。圖2.19壓縮模量與含水率關(guān)系曲線圖2.20壓縮模量與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖2.21壓縮系數(shù)與含水率關(guān)系曲線可見，黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的壓縮模量隨含水率的增加而降低，隨壓實(shí)度的增加而增加，對(duì)含水率的變化更加敏感。在含水率為17~20%時(shí)，壓縮系數(shù)受含水率的影響較小，不同壓實(shí)度下的土體壓縮系數(shù)均在0.1MPa-1以下，屬于低壓縮性土；但一旦含水率超過20%，壓縮系數(shù)隨含水率的增長(zhǎng)顯著發(fā)展，介于0.1~0.25MPa-1，屬于中壓縮性土。因此，對(duì)于該類型的土體，當(dāng)含水率超過20%時(shí)，路基由于濕水軟化引起壓縮模量降低，導(dǎo)致路基僅在自重作用下就會(huì)產(chǎn)生較大的壓縮變形。由于黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的天然含水率較高，往往在23%以上，故將該類土定義為中壓縮性土。2.10本章小結(jié)由黃河沖、湖淤積形成的高液限粘土，或以湖相沉積層、或以粉土夾層廣泛分布于魯西南-魯西北平原區(qū)。其顆粒粒級(jí)主要分布在粉粒及粘粒范圍內(nèi)，含有少量粉砂。其粘土礦物含量主要以伊利石、高嶺石、蒙脫石、綠泥石為主。其顆粒組成與礦物成分決定該類土兼有粉土與高液限粘土的性質(zhì)。粉粒含量較高，毛細(xì)孔隙發(fā)達(dá)，具有易吸濕性；小于0.002mm的粘粒含量高于25%，與水作用的界面效應(yīng)強(qiáng)，表現(xiàn)出高的粘滯力、強(qiáng)的吸濕性和保水性。因此該類土水穩(wěn)定性差，干時(shí)堅(jiān)硬，吸水立刻濕軟強(qiáng)度降低。該類土的液限在50%左右，處于高液限與低液限分界線處。與一般的粘性土相比，其塑性指數(shù)高而塑限偏低，即可塑狀態(tài)的下限含水量較低。該類土含有少量有機(jī)質(zhì)，根據(jù)細(xì)粒土分類圖，其土質(zhì)介于含有機(jī)質(zhì)低液限粘土和含有機(jī)質(zhì)高液限粘土之間。該類土擊實(shí)過程表現(xiàn)出高液限粘土并兼有粉質(zhì)土的壓實(shí)性狀，即在最佳含水率（-2~+5%范圍內(nèi)），土體孔隙中的空氣易被壓縮排出，土體的壓實(shí)度較高，可達(dá)94%以上；而當(dāng)含水率較高時(shí)，壓實(shí)效率因孔隙水難以排出的原因而急劇降低，控制合理的含水率范圍是保證壓實(shí)的關(guān)鍵。該類土當(dāng)含水率超過20%時(shí)，路基由于濕水軟化引起壓縮模量降低，導(dǎo)致路基僅在自重作用下就會(huì)產(chǎn)生較大的壓縮變形。由于黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的天然含水率較高，往往在23%以上，故將該類土定義為中壓縮性土。黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土特殊的物理性質(zhì)，決定其水穩(wěn)定性較差，壓實(shí)時(shí)對(duì)水敏感性強(qiáng)。含水率與壓實(shí)度是控制壓實(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)，也是影響其力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。

第三章湖淤積高液限粘土強(qiáng)度與模量特性3.1湖淤積高液限粘土的強(qiáng)度特性3.1.1概述土的抗剪強(qiáng)度是指土體對(duì)外荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力，是表征土體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。在公路工程中，土的抗剪強(qiáng)度是決定路基邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。土的抗剪強(qiáng)度主要受土的類型、密度、含水量、受力條件及應(yīng)力歷史等因素影響。由于在公路路基施工期與運(yùn)營期，土體受降水、蒸發(fā)、荷載等影響，其密度與含水率狀態(tài)有較大差異，因此研究黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的抗剪性狀，揭示其抗剪強(qiáng)度在不同含水率、壓實(shí)度下的變化規(guī)律，對(duì)該類土填筑路基的穩(wěn)定性分析有重要意義。本次試驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的三軸不固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)(UU)，試驗(yàn)用土樣取自濟(jì)徐高速沿線3#土，以靜壓方法制備不同含水率與不同壓實(shí)度的試件，免去試件的飽和過程，對(duì)試樣施加周圍壓力后，即施加軸向壓力，使試樣在不固結(jié)不排水條件下剪切。試驗(yàn)設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ全自動(dòng)應(yīng)變控制式三軸儀，由周圍壓力系統(tǒng)，反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力測(cè)量系統(tǒng)和主機(jī)構(gòu)成，如圖3.1所示。圖3.1全自動(dòng)三軸儀3.1.2試驗(yàn)工況為揭示不同含水率與壓實(shí)度下填筑土體的強(qiáng)度特性，分別選取含水率為17%、20%、23%、26%和29%，壓實(shí)度為85%、90%、93%和96%進(jìn)行三軸試驗(yàn)。考慮到碾壓過程時(shí)間短暫，此時(shí)土體孔隙水來不及排出和消散，故采用不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。具體試驗(yàn)工況如表3.1所示。表3.1三軸試驗(yàn)工況含水率/%圍壓/kPa壓實(shí)度/%飽和度/%孔隙比空氣體積率/%體積含水率/%171008558.630.8018.3526.012003001009067.020.7013.5527.542003001009372.730.6410.6728.462003001009679.050.597.7929.38200300201008568.980.8013.7630.602003004001009078.850.708.6932.402003004001009385.570.645.6533.482003004001009692.990.592.6034.56200300400231008579.320.809.1735.192003004001009090.680.703.8337.262003004001009398.400.640.6338.50200300400261008589.670.804.5839.7820030029100851000.80044.37200300黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土試件剪切前后對(duì)比如圖3.2，左側(cè)為剪切前試件，右側(cè)為圍壓300kPa下剪切破壞時(shí)的試件，圖3.3為不同圍壓下剪切破壞時(shí)的試件對(duì)比，從左至右分別為圍壓300、200、100kPa，試樣均無明顯破裂面，表現(xiàn)為過大的塑性變形。圖3.2試件剪切前后對(duì)比 圖3.3試件在不同圍壓下剪切破壞后對(duì)比3.1.3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1.3.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖3.4為黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土典型的三軸不固結(jié)不排水剪切主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的增大而增大，曲線的初始階段（軸向應(yīng)變小于2%）近似于直線增長(zhǎng)，說明黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土有較大的初始模量。隨后，應(yīng)變的增加主應(yīng)力差增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，曲線表現(xiàn)出明顯的非線性，說明此時(shí)土樣進(jìn)入塑性變形階段，且塑性變形階段較長(zhǎng)，這說明黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土在發(fā)生一定的塑性變形時(shí)，抗剪強(qiáng)度仍較好。土樣在軸向應(yīng)變達(dá)到15％左右時(shí)出現(xiàn)不明顯的峰值，試件達(dá)到屈服。在整個(gè)剪切過程中，黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型，主應(yīng)力差隨應(yīng)變?cè)黾佣粩嘣黾印D3.4黃泛區(qū)高液限粘土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖3.5~圖3.16為黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土在不同含水率ω及壓實(shí)度K時(shí)的不固結(jié)不排水剪切主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線及強(qiáng)度包線。圖3.5ω=17%，K=85%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.12ω=17%，K=90%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.6ω=17%，K=93%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.7ω=17%，K=96%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.8ω=20%，K=85%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.9ω=20%，K=90%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.10ω=20%，K=93%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.11ω=20%，K=96%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.12ω=23%，K=85%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.13ω=23%，K=90%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.14ω=23%，K=93%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線圖3.15ω=26%，K=85%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線

圖3.16ω=29%，K=85%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及強(qiáng)度包線上述圖表可以看出：試件含水量為最佳含水量17%，試件為硬塑狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大；試件含水率為20%，壓實(shí)度一定時(shí)，其抗剪強(qiáng)度隨圍壓增加呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象；試件含水量為23%，壓實(shí)度一定時(shí)，隨圍壓增加其抗剪強(qiáng)度略微增加，部分試件抗剪強(qiáng)度降低；試件含水量為26%、29%時(shí)，試件接近飽和狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度變化很小，其莫爾圓強(qiáng)度包絡(luò)線近似為水平直線。這是由于在受荷載后，含水率的變化引起了土體的三相體結(jié)構(gòu)的變化。在低含水量時(shí)，表現(xiàn)為非飽和土的剪切性狀，應(yīng)力主要由土骨架承擔(dān)，土的骨架發(fā)生變形；隨著圍壓增大，空隙水壓力增大，受剪過程為土顆?？朔w粒間的界面摩擦與薄膜水的粘滯力，其抗剪強(qiáng)度逐漸增大。在較高的含水量下，土處于非飽和土向飽和土過渡的狀態(tài)，應(yīng)力由孔隙水壓力承擔(dān)的部分增加，其抗剪性狀發(fā)生變化；隨著圍壓的增加，顆粒間的薄膜水層變厚，水的潤(rùn)滑作用變明顯，摩阻力下降，其抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。在試件接近其飽和含水率時(shí)，表現(xiàn)出飽和土的抗剪性狀，即隨圍壓的增大，其抗剪強(qiáng)度不再變化，摩擦角接近為零。（1）圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響圖3.17~圖3.20為黃泛區(qū)湖淤積高液限粘土在含水率w=17%，壓實(shí)度K=85%、90%、93%和96%時(shí)不同圍壓下的不固結(jié)不排水剪切主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變、孔隙水壓力與軸向應(yīng)變及摩爾強(qiáng)度包線。對(duì)于非飽和土而言，土體中氣、水兩相的存在形式和含量往往決定了土體的強(qiáng)度發(fā)展特征。含水率為17%的高液限粘土，當(dāng)壓實(shí)度由85%提高至96%時(shí)，飽和度由58.6%增加至79.1%，仍處于低飽和狀態(tài)；空氣體積率由18.4%降低至7.8%，表明在該含水率下土體內(nèi)部孔隙中的氣體含量較高，即使在高壓實(shí)度下，空氣仍占土體總體積的7.8%；體積含水率由26%提高至29.4%。當(dāng)壓實(shí)度較低（K=85%）時(shí)，隨著軸向應(yīng)力的增長(zhǎng)，孔隙水壓力緩慢發(fā)展，遠(yuǎn)低于施加的圍壓，此時(shí)荷載主要由土骨架承擔(dān)，有效應(yīng)力增大，土體抗剪強(qiáng)度提高。即使圍壓由100kPa增加至300kPa，孔壓的增長(zhǎng)仍小于圍壓的增加，這主要是由于土體內(nèi)的氣相含量很高，荷載的增加主要引起氣相的壓縮和骨架的壓密，表現(xiàn)為土體強(qiáng)度的發(fā)展。當(dāng)壓實(shí)度進(jìn)一步提高，氣相壓縮，體積含水率增大，在低圍壓條件下（100kPa），氣相含量仍較高，孔隙水未連通，軸向施加的荷載大部分仍由氣相和土骨架承擔(dān)，孔隙水壓力較低，土骨架有效應(yīng)力增大，土體強(qiáng)度提高；隨著圍壓的增大，土體中的氣相被進(jìn)一步壓縮，孔隙水逐漸連通，并承擔(dān)較大的荷載，當(dāng)增加的圍壓完全由孔壓承擔(dān)時(shí)，土體有效應(yīng)力不再增加，土體接近于飽和土的工作模式，土體強(qiáng)度不隨圍壓的增加而增大。圖3.17ω=17%，K=85%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變、孔壓-應(yīng)變及強(qiáng)度包線圖3.18ω=17%，K=90%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變、孔壓-應(yīng)變及強(qiáng)度包線圖3.19ω=17%，K=93%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變、孔壓-應(yīng)變及強(qiáng)度包線圖3.20ω=17%，K=96%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變、孔壓-應(yīng)變及強(qiáng)度包線圖3.21~圖3.24為高液限粘土在含水率w=20%，壓實(shí)度K=85%、90%、93%和96%時(shí)不同圍壓下的不固結(jié)不排水剪切主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變、孔隙水壓力與軸向應(yīng)變及摩爾強(qiáng)度包線。土體的氣、液相特征指標(biāo)為：當(dāng)壓實(shí)度由85%提高至96%時(shí)，飽和度由69%增加至93%，空氣體積率由13.8%降低至2.6%，體積含水率由30.6%提高至34.6%。在低圍壓條件下（100kPa），孔隙水壓力隨軸壓的增長(zhǎng)并未出現(xiàn)較大幅度的發(fā)展，軸向施加的荷載大部分由土骨架承擔(dān)，有效應(yīng)力增大，土體強(qiáng)度提高；隨著圍壓的增大，孔隙水逐漸承擔(dān)較大的荷載，當(dāng)增加的圍壓完全由孔壓承擔(dān)時(shí)，土體有效應(yīng)力不再增加，土體接近于飽和土的工作模式，土體強(qiáng)度不隨圍壓的增加而增大；而對(duì)于三相體承擔(dān)荷載的非飽和土而言，會(huì)出現(xiàn)孔壓的增加量超過圍壓的增幅的情況，如圍壓由200kPa增加至300kPa時(shí)，孔壓增量超過100kPa，此時(shí)土骨架的有效應(yīng)力反而降低，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。這也是非飽和土強(qiáng)度發(fā)展過程中所特有的現(xiàn)象，即當(dāng)荷載由土骨架和氣相承擔(dān)時(shí)，有利于土體強(qiáng)度的提高；而當(dāng)荷載由氣相承擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫端袚?dān)時(shí)，土體強(qiáng)度