低液限粉土压实特性及施工技术

低液限粉土压实特性及施工技术摘要：针对靖安高速公路含砂低液限粉土作为路基填料时的问题，分析了其特点，绘制了粉土的击实曲线和级配曲线，并得出了粉土的击实特性。利用冲击振动复合压路机模型，通过试验分析了粉土的冲击振动压实特性和压实机理，得出了粉土的压实工艺，并就靖安高速公路现场的粉土进行了水泥改良试验，为粉土路基设计、施工规程规范等的制定提供了科学依据，同时为粉土路基施工、养护、设计等方面提供了技术指导。关键词：机械工程；粉土；压实机理；冲击振动0引言近年来，高速公路建设的不断发展，使得高速公路对路基填方量的需求也越来越大。然而在靖安高速公路靖边段的土壤大部分为粉土［1］，其工程性质极差。当使用这种粉土作为路基填料时，由于路基主要承受路面传来的载荷，因此要求路基必须具有足够的强度、稳定性和耐久性，否则路面在行车载荷作用下会产生永久变形，直接影响道路的养护质量和服务水平，而路基填筑时的压实度是路基强度与稳定性的关键。如果换填，不仅会花费巨大的运输费用，提高工程造价，而且会延误工期。因而全面、系统的对粉土的物理力学特性及可压实特性等方面进行试验研究及理论分析，揭示其本构关系、动态形变特性，探索其正确的压实方法和压实机理，并对压实设备本身工作参数进行合理地匹配是非常必要的。其研究内容能对粉土路基设计、施工规程规范等的制定提供科学依据，也可为粉土路基施工、养护、设计等方面提供技术指导。从目前和长远来看，它产生的经济效益和社会效益都是十分显著。1试验用粉土的特性试验用粉土机械物理性质(1)粉土的定义及试验用粉土的来源粉土是工程中最常见的土类之一，有着独特的工程特性，它既不同于粘土，又有别于砂土。《建筑地基基础设计规范》(GB50007--2002)中对粉土的定义为：粉土是介于砂土和粘土之间，塑性指数Ip小于等于10,且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总量的50%。此次试验所用的粉土土样取自陕北靖安高速公路靖边段LK0+700处，为黄河冲积所形成的，又有自身的特殊性。粉土颗粒中含有大量的粉粒和极细砂粒，粒径主要集中在0.074mm以下，粉粒的含量很高，粘粒的含量很小。粉土的物理特性由于粉土颗粒中含有大量的粉粒和极细砂粒，所以表面积不大，但是它们的毛细现象却很显著，使得土颗粒之间因毛细压力而相互连接，表现出很弱的内聚力。同时，粉土的内摩擦角很小，毛细作用很大，毛细水上升很高。因此在寒冷地区，冬季的时候容易发生冻涨。到春季的时候又容易翻浆，极易造成公路的早期破坏。不利于道路使用性能的提高和使用寿命的延长。粉土的双重性质由于粉土的组成成分中既有砂粒又含有粘粒，使得粉土具有接近砂土和粘土的双重特性［2］。当粉土中砂粒成分含量较高时，它的特性与砂土的特性相似；当粘粒的成分较高时，粉土的特性与粘土的特性相似。因此，可依据粉土中颗粒的级配情况将其分为砂质粉土和粘质粉土。粒径小于0.002mm的颗粒含量不超过全重的10％为砂质粉土，反之则为粘质粉土，本次试验所取靖安高速粉土经试验确定为砂质粘土。粉土的天然含水量粉土表面的水分极易散失，干燥后凝结成块，极易破碎，破碎后的粉土变成粉尘状，但5cm以下的土体天然含水量一般在5%〜7%之间。粉土的天然干密度一般在1.55〜1.58g/cm3之间。粉土的低饱和含水性粉土的饱和含水量主要取决于孔隙比的大小，而粉土孔隙比在0.60〜0.75之间，相对较小。因此，粉土的饱和含水量一般在20%〜30%之间，属于低饱和含水量。粉土的低强度特性土颗粒之间的连接力与土的含水量有直接的关系，当土中的结合水逐渐蒸发而减少小时，粘粒变会干燥凝结，从而内聚力很弱。外在表现就是干燥的粉土易于破碎；然而当粉土的含水量过大时，土颗粒间的结合水的连接力会减弱，从而强度也会降低。粉土的稳定性低液限粉土是工程中常见的一种土。其粉粒含量高,粒径比较均匀,粘土颗粒含量极少,塑性指数低,毛细管发育,水稳定性差，常规的压实方法和工艺难以压实。而且粉土往往不存在一定的稳定界限，不同的初始孔隙比有不同的稳定界限，其稳定性非常复杂。当以粉土作为路堤填料时，由于粘粒含量少。与水胶结作用能力差，土体渗透系数较高，粘聚力低，因此抗冲刷性低。如遇强降雨，雨滴连续的冲击会破坏颗粒之间的连结，且坡面上水流的冲刷会带走粉砂土颗粒，在路面、坡面上形成沟槽［3］。因此，为了增强粉土路基的稳定性，通常需要对粉土路基掺入水泥、石灰等材料进行改良。试验用粉土的粒径组成及级配分析试验所采用的粉土取样地点为靖安高速公路LK0+700路段。表1为该段粉土的颗粒分析。图1为相应的级配曲线。表1和图1，均给出了该段粉土的具体颗粒组成。根据《公路土工试验规程》(JTJ051—93)［4］可知，当粒组范围在2〜0.5mm为粗沙；0.5〜0.25mm为中沙；0.25〜0.074mm为细沙；0.074〜0.002mm为粉粒，0.002mm以下为粘粒。从以上图表可以看出，试验用粉土主要是由细沙和粉粒两种组成。表1试验用粉土的物理性质粒径分析液塑限粒径范围(mm)2—0.50.5〜0.250.25〜0.0740.074〜0.002<0.002名称液限(%)塑限(%)塑性指数含量(％)0.61.736.457.14.2数值26.5179.510.10.010.001土粒粒径10.10.010.001土粒粒径(mm)〈％〉咽如<RKn£4q^黛帐十十图1试验用粉土级配曲线从图1可知：试验所用的粉土的不均匀系数为C=23.3，曲率系数为C=0.69。所卩 S以靖安高速公路现场粉土属于不良级配土。1.3粉土的压实标准压实度是评价路基质量好坏的重要指标之一,其标准对于保证路基的强度、刚度、稳定性和耐久性具有举足轻重的作用，同时也会对路面结构层产生一定的影响［5］。目前我国通常用K来表示被压材料的密实程度，即压实度：PK二场Pmax式中，P为现场压实土的干密度；P为击实试验所得的土的最大干密度。因此，为了现场 max得到本粉土的压实度，必须知道本粉土的击实试验所得的土的最大干密度。1.4粉土的击实试验所得最大干密度和特性分析当用粉土填筑路基时，需要在模拟现场施工条件下，确定该粉土的最佳压实密度以及相击实过程中发现,当含水量较小时,粉土易从击实筒挤出,试件松散,当含水量超过17%左右时,底部已有水溢出,出现弹簧现象,难以击实。当含水量在最佳含水量的左侧时，曲线比较平缓。而在右侧时则比较陡，表明当含水量超过最佳含水量时，粉土对水非常敏感。因此击实试验表明：该粉土土样的最佳含水量为13.1%，最大干密度为1.78g/cm3。2试验用粉土的室内压实研究此次试验通过2种工况：(1)冲击+静碾工况；(2)振动+冲击+静碾工况；来分别研究振动和冲击作用对粉土压实度的影响规律。在粉土含水量基本相同的情况下，本试验对每一工况碾压12遍，并测量其上、中、下3层的压实度。［2］2.1试验用压路机振动频率的确定同时参考有关资料的粉土共振响应频率的特征和在路基土施工压实时所用的振动压路机的频率范围，在试验中除了做频率响应试验以外，一般采用30Hz固定振动频率。而又从经济性和实用性考虑，现在市场上用于路基压实的单钢轮压路机工作频率大多在33Hz以下，我们可以直接对其进行改造，加入冲击机构成为冲击振动复合压路机［7］，所以在这次粉土的冲击压实试验中以30Hz作为冲击振动复合压路机模型工作频率进行试验研究。冲击+静碾压实工况试验表2为在冲击+静碾工况下，进行碾压12遍后所得到的各层的平均压实度值。表2冲击+静碾工况下各层的压实度分层 各测量点的压实度(％) 平均压实度(％)上层测量点位置123492.6测量点压实度93.9892.6391.3892.41中层测量点位置123491.1测量点压实度90.3590.7791.7791.82下层测量点位置123488.2测量点压实度87.3088.2589.4288.09从表2中的压实度数据可以看出：冲击+静碾作用下，各层的平均压实度随深度的增加而降低在冲击的作用下，粉土的压实度逐渐提高，但当粉土达到一定的密实度以后，冲击不能增大粉土的压实度，这是因为冲击作用不能破坏粉土颗粒之间的粘聚力，粉土不能克服粘聚力发生重新排列、移动，从而压实。分析其原因，冲击作用减少粉土颗粒之间空隙的体积，降低孔隙气体体积，提高密实度。但在整个碾压过程中，随着冲击次数的增加，粉土的孔隙体积在减小，又因为空气体积在增大，所以孔隙体积减小是由于水体积减小的缘故，从而也引起了饱和度的减小。对于粘性土和其他级配较好的土，随着冲击次数的增加，土中颗粒嵌挤充填，气体被排除，孔隙率减小，空气体积减小，从而饱和度增加，土变得更密实和稳定。而粉土的孔隙率减小是因为水体积减小的缘故，空气体积增大，饱和度减小，说明这类型的土冲击只能排除空气中的部分水，而不能减小空气率，提高饱和度，不能改变毛细管径［8］。因而经过碾压的土，孔隙发育，水稳定性很差。在行车的振动作用下还可以引起颗粒的错位和排列，表现出变形的不均匀性和强度的不稳定性。冲击+振动+静碾压实工况试验表3为在冲击+振动+静碾工况下，振动频率为30Hz时，进行碾压12遍后所得到的各层的平均压实度值。表3冲击+振动+静碾工况下各层的压实度分层各测量点的压实度(％)上层测量点位置1234测量点压实度95.0694.77测量点压实度95.0694.7795.0495.29测量点位置1234测量点压实度94.1994.5493.5794.50测量点位置1234测量点压实度92.7992.9692.3092.43下层92.6从表3中的压实度数据可以看出：冲击+振动+静碾作用下，粉土各层的平均压实度依旧随深度的增加而降低，但数值明显提高。两种压实工况试验结果比较面层的平均压实度由92.6％提高到95.1％，提高了2.7％。中层的平均压实度由91.1％提升到94.2％，提高了3.4％。下层的平均压实度由88.1％，提升至92.6％,提高了5.1％。从上面的比较可以看出，随着深度的增加，冲击+振动+静碾工况下的压实度提升的幅度较冲击+静碾工况增大，说明在冲击+振动的情况下，粉土颗粒之间的联结力减弱，更易产生颗粒间的移动，因而能更好地吸收能量，使得整体的压实度都有很大的提高。冲击振动压实机理分析冲击作用可以对被压材料施加比静压力、振动力大得多的瞬间作用力，从表面传至土层内部的压力波也比振动波更深、更强。振动则为压实创造了较好工作条件，振动作用使土颗粒从静止的初始状态进入运动状态，土颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦力转变成动摩擦力，颗粒之间的摩擦力变小，联结力减弱。从而使被压材料更好地吸收冲击作用所施加的巨大能量，二者的复合作用极大地强化了压实过程［9］。(1)冲击振动对剪切应力T的影响剪切压力主要由压路机本身决定，与被压材料无关。压路机在压实过程中，作用于风积沙上的总压力P为静压力P、激振力P与冲击力P之和，即：P=P+P+P，因为激jfcjfc振力为一简谐力，冲击力为一脉冲力，所以总压力存在最大值和最小值：maxminj fmaxmaxminPfmax总的压应力增加，则施加于粉土上的剪切应力增加，可以通过增加压路机重量、激振力和冲击质量来提高剪切应力。冲击力为动作用力，增加很小的质量就可以得到较大的冲击力，得到较好的压实效果。(2)冲击振动对粉土的压实机理在冲击振动情况下，粉土颗粒在这种复合作用下，由静止的初始状态过渡到运动状态，另外粉尘颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦力转变成动摩擦力，颗粒之间的摩擦力变小。同时，由于材料颗粒的外层包围了一层水膜，形成了粉土颗粒运动的润滑剂，为粉土颗粒的运动提供了有利的条件。当压路机振动频率达到粉土颗粒的共振频率附近时，粉土颗粒之间的粘聚力就会被破坏，粉土的抗剪强度也随之降低，粉土颗粒能最大限度的吸收能量，从而更好的吸收冲击的能量，单纯的振动作用对于压路机的剪切应力的提高不大，冲击的能量比振动的能量大很多，能很大的提高压路机的剪切应力，并能将能量传递到更深的深度，从而使粉尘颗粒继续移动和重新排列，达到密实［10］。在冲击振动作用下，粉尘颗粒的位置出现变化，出现了相互填充的现象，即较大的颗粒形成的空隙由较小的颗粒来填充，粉尘颗粒的也在振动冲击过程中减少，粉尘颗粒之间空隙的减小，意味着压实度的提高；而粉尘颗粒之间空隙的减小是的颗粒之间的接触面积增大，从而使材料的内摩擦力增大，承载能力提高。3粉土的现场压实研究3.1粉土压实的现场施工工艺3.1粉土的施工工艺可分为3个部分，如图3粉土压实施工流程图所示在碾压路段上振动平板夯压实6遍，随机选取2点测压实度。采用冲击振动压路机进行压实，振动+静碾1遍，冲击+振动静碾5遍。在同样深度下所得试验结果见表4所示。表4粉土现场压实对比表冲击振动压实测量点位置123

压实度(％)96.195.596.194.493.3平均压实度(％)95993.9从表4可以看出，冲击振动符合压路机的压实效果明显高于振动平板夯的压实效果，可以满足现行施工规范的要求，并符合公路路基施工标准。3.3粉土现场的改良试验(1)粉土的改良的原因由于低液限粉土粘粒含量少，塑性指数低，稳定性差。但粉土往往不存在一定的稳定界限，不同的初始孔隙比将会有不同的稳定界限，其稳定性非常复杂，当以粉土作为路填材料时，由于低塑性粉土中蒙脱石、伊利石等粘粒含量少，与水胶结作用能力差，颗粒间联合强度低，土体渗透系数较高，粘聚力低，抗冲刷性低。当降雨强度达到一定值时，首先雨滴连续冲击破坏粉土颗粒之间脆弱的联结，当降雨在坡面上形成水流时，又因水流冲击并带走粉砂土颗粒，在路面、坡面上形成沟槽。因此，为了增强粉土路基的稳定性，需要对粉土路基进行改良。同时粉土也表现出低强度的特性，当土中结合水由于蒸发渐渐减少时，粘粒产生干燥凝结现象，但是粉土的粘粒很少，这种由于失水而产生的内聚力很弱，表现出来就是干燥的粉土很容易破碎，破碎后呈粉尘状［11；］当粉土中的含水量过大的时候，颗粒间的结合水连接力减弱，连接力减弱，其强度也大大降低，在封层时若采用粉土素土强度过低，需要对其进行改良。对粉土进行改良，采用添加剂是一种可行的办法，一般采用的添加剂有石灰、水泥、粉煤灰等，也有采用几种添料按照不同配合比同时添加。(2)常用的改良材料①石灰:采用石灰进行粉土的改良，其主要优缺点见表5所示。表5使用石灰改良粉土的优缺点缺点优点缺点改良后的土壤具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度,具有板体作用和较好的水稳定性；可以用来改良不适宜用其他结合料稳定的塑性指数高的粘性土；改良后的土壤具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度,具有板体作用和较好的水稳定性；可以用来改良不适宜用其他结合料稳定的塑性指数高的粘性土；便于施工，既可以使用就地拌和法施工，也可以采用集中拌和法施工，还可以用人工拌和；在缺少优质粒料的地区，采用石灰比较经济就一般的土而言，强度有的一定的限度，强度的可调节范围不大，特别是抗拉强度较低；塑性指数小的土，采用石灰改良也达不到较高的强度；收缩系数大，裂纹比较严重；石灰土的早期强度低。②水泥：采用水泥进行粉土的改良，其主要优缺点见表6所示。表6使用水泥改良粉土的优缺点缺点优点缺点强度高，稳定性好，且强度受水分变化的影响不大，强(1)容易产生收缩裂纹;

度越高，稳定性越好；强度可以调整，以适应不同交通量的需要；除高塑性粘土和有机质含量大的土外的绝大多数土类都可以用水泥改良，适应各种不同气候条件和水文地质条件；在缺乏优质粒料的地区，比较经济；便于机械化施工，质量容易保证。粉土的现场改良由于水泥的水化和结硬作用进行的比较快，因此对施工要求比较严格；不适宜在雨季施工，或在雨季施工比较困难;施工和养护用水较多，因此在干旱地段或缺水路段，使用困难较大。靖安高速公路施工现场试验采用的是水泥改良。所采用的水泥型号为青铜峡由于水泥的水化和结硬作用进行的比较快，因此对施工要求比较严格；不适宜在雨季施工，或在雨季施工比较困难;施工和养护用水较多，因此在干旱地段或缺水路段，使用困难较大。为了比较粉土在各种水泥含量下抗压强度的变化，添加的水泥含量分为1%，2%，3%，4%四种情况，每种情况下制备6个试样，试样的规格为50mmx50mm的圆柱形，所有试样均在最佳含水量下按照最大干容重的95%静力成型。经检测四种情况下的无侧限抗压强度值，如图5所示。图5无侧限抗压强度值与水泥含量的关系由图5表明：随着水泥量的增加，土样的抗压强度有了大幅度的提高，改善了粉土的低强度的特性，很大幅度的提高了它的抗压强度。当水泥用量高过4%时，经济性下降，且由于水泥的凝固将很容易产生收缩裂缝，这一点是很不利的，所以4%的水泥用量最为合适，效果最好。4结语靖安高速公路LK0+770段粉土的颗粒粒径主要集中于0.074mm〜0.002mm内，颗粒的不均匀系数C=23.3，曲率系数为C=0.69，说明靖安高速公路现场粉土为不良级配卩 s土。该粉土具有低强度、低稳定性等特性，冬季的时候容易冻涨，到春季的时候易翻浆极易造成公路的早期破坏，是一种工程性质极差的土，常规的压实设备很难对其进行处理该段粉土土样的最佳含水量为13.1％，最大干密度为1.78g/cm3。单纯提高压实功不能经济有效地提高土的密实度和改善水稳定性。冲击振动的复合作用对于粉土的压实效果很明显，比单纯一种的压实效果要好。冲击作用的能量能达到更深的深度，而振动作用使粉土颗粒之间的内摩擦力降低，从而更好的吸收能量。用水泥对现场的粉土进行改良，可以明显地提高土样的抗压强度。当水泥的含量为4%时为最佳。当超过4%时，不但经济性下降，而且由于水泥的凝固将容易产生收缩裂缝。参考文献：References：[1]洪毓康.土质学与土力学(第二版)[M].北京:人民交通出版社，2003.235-244.[2]曹卫东，商庆森，宋修广.低液限粉土路基压实机理及性能的研究J]•华东公路，2003(3)：55—57CAOWei-dong，SHANGQing-seng，SONGXiu-guang.Lowliquidlimitpowdersoilsubgradecompactionmechanismandperformancesofresearch[J].EastChinaHighway,2003(3)：55—57[3]Rollins,KyleM.OptimumMoistureContentforDynamicCompactionofCollapsibleSoils[J].JournalofGeotechnicalEnvironmentEngineering,1998.124(8)[4]JTGE40—007公路土工试验规程[S].[5]孙祖望.压实技术与压实机械的发展与展望[J].筑路机械与施工机械化，2004(4)SUNZu-wang.Developingandprospectiveofcompactiontechnologyandmachinery[J].RoadMachinery&ConstructionMechanization，2004(4)[6]邓学均•路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2002.46-48.[7]杨人凤.冲击振动复合压实技术与设备[M].北京：中国科学技术出版社，2003.[8]申爱琴，郑