中国水利水电第九工程局有限公司 贵州贵阳 550000
摘要：高液限黏土具有天然含水量高、容重轻、稳定性差、强度低、遇水膨胀、失水收缩等特点，按照常规的施工工艺压实度难以达到规范和设计要求，因此现行施工规范已明确规定高液限黏土不能直接作为路基填料或基底土（清表后土质基础）使用，如需使用必须采取措施进行改良处理。本文结合工程实例，通过现场工艺试验对高液限黏土的处治与应用进行探索与研究，确保填石路堤施工质量满足规范和设计要求的前提下，雨期完成路基快速封闭施工。施工工艺简单、高效、快速、经济，具有较好的推广和应用前景。
关键词：高液限黏土；路基填筑；处治；应用
1 工程概况
贵安大道（开发区至镇宁段）道路工程线路处于安顺市镇宁县范围内，起点接黄果树大道延伸段，终点接镇宁南北大街，道路等级为城市主干路，主路设计行车速度60km／h，辅路设计行车速度40km／h，路基宽度分别为40m或45m，双向六车道或八车道。本标段起讫桩号为K8+700～K16+980，全长8.28km，施工项目主要包括路基工程、桥涵工程、排水工程、管综工程等。
本项目路堤填筑区域大部分处于田地、低洼、溪流等土层较厚的软弱地质区域，其中土质以高液限黏土为主，部分为淤泥、淤泥质土、腐殖土、杂填土，不良地质居多，对路堤填筑施工质量影响很大，施工中必须采取切实有效的措施进行控制，才能保证质量。
2 研究背景
根据《城镇道路工程施工质量验收规范》（CJJ1-2008）及设计文件，本项目路基填料的相关规定如下：
表1 设计路基压实度及填料要求
本项目属于原贵黄公路改造，低填浅挖区域较多，清表后路基填筑区域压实度要求大多数位于95区或93区，然而清表后基底土主要为高液限黏土，天然含水量很高，要想达到最佳含水量需要长时间翻晒，但由于施工正值雨期，根本无条件长时间翻晒，很多时候必须快速开挖、快速封闭，避免雨水浸泡土基，因此最优含水量无法有效控制，基底土填前碾压压实度很难达到规范和设计要求，我们经过大量基底土填前碾压压实度试验检测，最终统计得到压实度基本在81%-86%之间，连90区的要求都无法满足，因此必须采取措施进行改良，否则工期、造价、质量均无法得到保证。
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图1 高液限黏土施工病害照片
3 施工方法
1）在填筑前，在借土场每5 000m3取样一次，按《公路土工试验规程》(JTJ 051293)规定的方法进行颗粒分析、含水量与密实度、液限和塑限、有机质含量、承载比(CBR) 试验和击实试验。
2）测量原地面中桩标高及横断面,放出填筑边缘线。
3）在填方和借方地段的原地面要进行表土清理,清理深度应根据种植土厚度来确定。清除的种植 土须运到路基范围以外。
4）清表后，须平整压实到规定要求才可进行填土，压实度不小于有关规定。
5）做好原地面的临时排水设施，并与永久排水设施相结合，不得引起水沟淤积和路基冲刷。
6）路堤原状土的强度若不符合规范要求,应进行换填。
7）填方路段的填土，应选用满足.级公路路基填料要求的材料进行填筑。
8)路基土方的填筑。①土方路堤应分层填筑压实，90区填筑时含水量在最佳含水量士4%以内。②土方路堤根据设计断面分层填筑压实，并要求路基两侧立杆挂线施工，路堤填土宽度每侧应宽于填层设计宽50cm,压实宽度不小于设计宽度。③填筑路堤采用水平分层填筑法施工，即按照横断面全宽分成水平层逐渐向上填筑，如原地面不平,应由最低处分层填起，每一层须经监理工程师的检验合格后才能进行.上一层填筑。
9)压实。土质路堤及土石路堤的压实度不低于标准要求。
4 高液限黏土特点、病害及处治方式
4.1 高液限黏土工程特性
高液限土是灰岩经物理、化学风化作用而残留在原地的残积物。因此，高液限土的工程特性不仅与其母岩灰岩有关，而且还与其受到的风化作用有关。在工程中判别高液限土的3个指标为：液限大于50%，塑性指数大于26，小于0.075mm的颗粒含量大于50%的土。高液限土粒径小，毛细水上升高度大，但速度较慢，土中含有的矿物成分带有较多的负电荷，亲水性强，造成土粒结合水膜厚度较大，而渗透系数较低。这表明高液限土中的水分在正常情况下不易溢出，且不容易压实。当土体失水时，土体收缩开裂，其开裂程度随粘粒含量的增加而加大，体现出高液限土的收缩特性。
土的强度由粘聚力和土颗粒间的摩擦力两部分组成。高液限土的强度主要取决于土的粘聚力，试验表明，高液限土处于干燥状态时稍微具有粘结力，但容易被压碎；处于浸水状态时，则容易形成流体状态，整体稳定性差。高液限土的土质力学特性表现在工程上就是：透水性差，毛细现象显著，亲水性强，浸水后能较长时间保持水分，孔隙率大，干密度小，干时坚硬不易挖掘、不易压实。因此，压实干密度越大，其遇水膨胀率也越大，变形大，脱水后干缩率低，变形小。这类土天然含水量往往是最佳含水量的2倍以上，因此若不经过翻晒或其他改良措施处理，很难压实，而且含水量过大极易形成“弹簧儿土”。
4.2 高液限黏土的常见问题
（1）天然含水量过大，难以碾压达到规定的压实度，如果压实功过大会导致土体内部产生剪切破坏。
（2）雨期施工，不具备条件翻晒，宜快速封闭，如排水不及时或受雨水浸泡，易造成车辙、“弹簧”、翻浆等不良病害。
（3）干缩性大，太阳爆晒易造成表面开裂，裂缝宽最大超过2cm，降低了路基整体强度。
（4）若处理措施不当，压实后路基即处于不稳定状态，吸水后路基发生膨胀，含水量升高，强度降低，在活载和路堤自重作用下，路堤易发生不均匀沉降，导致路面开裂。
4.3 高液限黏土的常见处理方式
目前国内外对于高液限黏土的处理方法主要有以下几种：
（1）翻松晾晒法：将土体表面20-30cm进行翻松、晾晒，接近最优含水量时再碾压密实。
（2）掺拌粒料法：主要是在高液限黏土中掺拌中粗砂等颗粒材料，通过改变土中中粗颗粒的含量，使中粗颗粒产生骨架作用，削弱细颗粒对土体的影响，稳定土体从而达到改良的目的。
（3）掺拌无机结合料法：主要是在高液限黏土中掺拌石灰、水泥等无机材料，通过无机材料与土体中的水分发生化学反应，产生固化和板结的作用，提高土体的整体稳定性。
（4）掺拌新型化学改良剂法：通过化学改良剂在水中溶解，并在土壤中通过离子交换作用吸附在土颗粒表面，在土颗粒表面形成油性保护膜，使水分子不能吸附在土颗粒表面从而促使土体的亲水性能变成憎水性能，大大减少土的保水性，降低水对土体强度的影响，使土体密实度增加，不再吸收水分，增强了土体水分子之间的结合力，土体的抗剪强度和承载力均有明显的提高。
5 本项目高液限黏土处治与应用方案研究
5.1 高液限黏土室内标准试验
为了充分掌握高液限黏土的特性，我们对不同桩号部位的清表过后的高液限黏土分别进行了现场取样，并对样品进行了系统的室内标准试验。主要内容包括：填料筛分试验，液塑性指标，CBR值，最佳含水量，最大干密度，填料膨胀量分析等等。试验数据汇总如下：
表2 高液限黏土土工试验数据
通过以上土工试验数据可以看出，本项目高液限土具有以下几方面特征：
（1）液限偏高，均在50%以上，部分液限甚至超过了70%，塑性指数大，均在26以上。
（2）细颗粒含量偏大，普遍在70%以上，其中少数细颗粒含量超过了90%，最高达93.7%。
（3）天然含水量偏高。天然含水率普遍超过了40%，且天然含水量普遍是最佳含水量的2倍以上或甚至更多。
（4）天然稠度普遍较低。表明土体的分散压实性差，需要晾晒才能分散压实。
（5）CBR强度普遍较低。一般在4%左右，不能满足路基95区和93区压实度要求。
通过土工试验数据结合本项目高液限黏土基底土填前碾压出现的问题，我们分析并总结导致高液限黏土压实度不足的主要症结有两个：①天然含水量过大②颗粒级配不合理，细颗粒含量严重偏高，透水差、承载能力低。需要从这两方面入手，采取改良措施，提高土体承载能力。
5.2 常规处理措施试验
5.2.1 翻晒试验
本项目选取k16+500-k16+600路基作为翻晒试验路段，由于施工正值雨期，累计翻晒时间最长只达到7d，我们每天现场实测数据统计详见下表：
表3 翻晒天数与含水量和压实度的关系
从表中的数据可以看出，随着翻晒时间的增加，土体的含水量逐渐减少，前3天翻晒效果比较明显，后几天效果不明显，趋于平稳。但经过7d时间的翻晒，含水量为38.4%比起最佳含水量22.8%仍偏高很多，而且从现场的压实情况来看，含水量过大导致高液限黏土基底土压实过后形成“弹簧土”，压路机轮迹明显。有些甚至达到2cm以上。由此可见，本项目高液限黏土天然含水量过大，现场翻晒解决不了压实度不足的问题，而且工期较长，况且雨期施工，根本无条件长时间翻晒，需要快速开挖快速封闭才能避免土体受雨水浸泡，因此该措施不可行。
5.2.2 掺拌中粗砂试验
通过室内标准击实试验，确定掺入32%的中粗砂进行改良，混合料最大干密度为1.82g/cm3，最佳含水量为18.4%，压实度能够满足93区、95区的要求。该措施理论上可行，但是实际施工过程中，同样面临控制含水量的问题，仍然需要土体翻晒，而且需要翻晒的时间更长，同时掺拌中粗砂需要先将土体翻松、晾晒，然后撒布中粗砂，再用旋耕机翻拌，最后用振动压路机碾压密实，施工工艺比较复杂，工期较慢，而且成本预计增加25元/m3，因此该措施不可行。
5.2.3 掺拌水泥试验
通过室内标准击实试验，确定掺入3%的水泥进行改良，混合料最大干密度为1.94g/cm3，最佳含水量为12.3%，压实度能够满足93区、95区的要求。与前两种方法相同，实际施工过程中也是无法从根本上解决控制含水量的问题，仍然需要土体翻晒，而且掺拌水泥不仅施工工艺复杂、工期慢、成本高，在水泥的撒布、翻拌过程中会造成大量的扬尘，十分不利于环保，因此该措施不可行。
5.3 本项目高液限黏土处治与应用
5.3.1 石渣贯入挤密试验
通过上述三种常规处理措施试验可以看出，想要快速、高效解决高液限黏土含水量偏高的问题，存在一定的技术难度，都需要长期翻晒至接近最佳含水量才能满足压实度。因此我们调整思路，从改变土体颗粒组成和持力结构进行改良，选取k16+300-k16+500作为试验路段进行试做，具体措施如下：
（1）清表后用挖掘机将基底土翻松30cm。
（2）用推土机摊铺粒径10cm-20cm石渣一层，厚度控制30cm。
（3）用20t振动压路机开启强振进行振冲、贯入、挤密、压实，振动压实10遍，形成复合式基底，利用石渣自身的强度刚度以及颗粒之间嵌挤力和摩擦力承受荷载、抵抗形变，利用高液限黏土填充空隙并提高颗粒之间粘结力，从而提高整体承载能力。
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图2 基础处理施工照片
（4）碾压完成后，采用沉降差观测法（参照填石路基的压实度检测方法）进行质量检验。
试验路段碾压完成后，我们采用水准仪进行沉降差观测，沉降观测从第7遍碾压完成开始观测，记录高程，第8遍、第9遍、第10遍碾压完成各观测一次，记录高程。最终计算每次沉降量，小于5mm视为合格，具体观测数据如下：
表4 沉降差观测试验数据
沉降差观测结果表明，采用试验段试做石渣贯入挤密方法进行改良，方案可行。
5.3.2 确定持力层总厚度试验
由于本项目大部分填方区域处于低填浅挖、零填零挖，很多部位清表或开挖后，路床范围全部是高液限黏土，必须采用石渣换填才能确保路床顶面弯沉值满足设计要求。具体石渣换填深度通过试验路段k16+300-k16+500现场试做进行确定，我们初拟换填深度分别为60cm、80cm、100cm，再分层填筑石渣，确保每层压实度，最终填筑完成后采用后轮轴载10t双桥载重汽车和贝克曼梁弯沉仪进行完成检测，小于248 （0.01mm）视为合格，具体检测数据如下：
表5 弯沉值试验检测数据
通过弯沉检测数据表明，仅做60cm换填，最终路床弯沉检测无法满足要求，换填80cm及以上，弯沉值才能满足设计要求。因此，我们确定持力层总厚度控制标准为80cm，意味着路床范围内必须全部采用石渣填筑。
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图3 路基沉降差试验检测照片 图4 路床弯沉值试验检测照片
通过两项试验研究，我们确定路基填筑质量控制标准，当清表后路基填方高度大于80cm时，仅将基底做石渣贯入挤密处理即可，再分层填筑。当清表后路基填方高度小于80cm或开挖至路床基底为高液限黏土时，将路床80cm范围进行石渣换填同时基底做石渣贯入挤密处理，施工质量能够满足要求。
5.3.3 石渣掺配高液限黏土填筑试验
石渣作为路基填料，颗粒级配不连续，孔隙率较高，我们尝试掺配适量的高液限黏土，不仅可以填充孔隙，而且可以增加颗粒之间粘结力，提高路基整体性，减少不均匀沉降。初拟掺量分别为10%、20%、30%进行试验，选取k16+200-k16+300作为试验段，采用沉降差和弯沉值两项指标进行质量检验，具体数据如下：
表6 沉降差观测试验数据
沉降差观测数据表明，按照10%、20%、30%的比例掺配高液限黏土，路基填筑每层压实度均能满足设计要求。
表7 弯沉值试验检测数据
弯沉值检测数据表明，按照30%的比例掺配高液限，路床弯沉值达不到设计要求。按照20%及以下的比例掺配，路床弯沉值能够满足设计要求。由于施工正值雨期，为了确保路床施工质量，避免出现起弹、翻浆，路床（0-80cm）范围不掺配高液限黏土，路床范围以下掺配20%及以下的高液限黏土进行填筑。
6 本项目高液限黏土处治与应用措施技术经济比较
本项目石方填筑共有138.892万方，其中石方借方（外购石料）73.28万方，土方弃方共51.96万方，通过本项目对高液限黏土的处治与应用研究，预计可以减少土方弃方27.78万方，单价13元/m3，同时减少石方借方22.46万方，单价49元/m3，节约成本合计27.78*13+22.46*49=14616800（元）。
7 结束语
本项目通过工程实例，对高液限黏土处治与应用方法进行研究，确保施工质量的前提下，雨期路基填筑能够快速、高效完成封闭施工，避免土基受雨水浸泡，同时通过对填筑石渣合理掺配一定比例的高液限黏土，能同时减少一定量的石方借方填筑和土方弃方外运，预计节约成本1461.68万元。目前我们已完工的K15+980-K16+980一公里路段已于2016年7月15日正式通车，未出现任何质量问题，足以证明方案的可行性，方案高效、快速、经济、环保，工艺简单、操作方便，具有较好的推广和应用前景。
参考文献：
[1]王穗平.路基施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[2]张闽,国有刚.城镇道路工程施工与质量验收规范 CJJ1-2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
作者简介
黄琳1971-），男，贵州修文人，本科，高级工程师，长期从事工程项目技术管理，施工管理工作。