毕业设计高液限土改良试验研究.docx
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毕业设计高液限土改良试验研究
摘要
随着我国公路建设规模的不断扩大，公路等级要求的不断提高，路基的稳定技术将面临着许多复杂的问题。
其中，高液限土路基的稳定技术是亟待解决的重大问题之一。
高液限土在我国分布广泛、种类繁多并且成因复杂，给高速公路的修建带来很多麻烦。
高液限土的存在会给路基带来以下问题：
（1）天然含水率问题。
高液限土的含水率很难控制在最优含水率附近，含水率过高则压实困难，含水率低于塑限，则土体坚硬，难以粉碎。
（2）水稳定性问题。
高液限土的水稳定性差，当土体失水时，随着水分的丧失，表现为土体收缩开裂。
（3）强度问题。
高液限土的强度不高，难以满足规范的要求。
针对以上的问题，本文以广梧高速高液限粘土作为试验材料，通过向高液限土中添加高分子材料——聚丙烯酰胺（PAM）来达到改良的目的。
所做的研究工作主要有：
（1）研究了高液限土的物理力学性质及现场填筑过程中遇到的问题，筛选改良高分子材料——聚丙烯酰胺（PAM）。
（2）通过击实试验研究了素土及不同PAM掺量的改良土的压实性，得到最优含水率和最大干密度的变化规律。
（3）通过素土及不同PAM掺量改良土的界限含水率试验，研究了高液限土掺加PAM后的液塑限随PAM掺量的变化规律以及随养护时间的变化规律。
（4）通过自由膨胀率试验，研究了PAM对高液限土的膨胀性的影响。
（5）通过承载比（CBR）试验研究了PAM掺量及养护时间对改良土的强度影响。
关键词：
高液限粘土、聚丙烯酰胺（PAM）、击实试验、液塑限试验、自由膨胀率试验、CBR试验
Experimentalstudyonimprovementofhighliquidlimitsoil
ZhengHuawen
（CivilEngineeringInstitute,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu,210098）
ABSTRACT
AsthescaleofhighwayconstructioninChinacontinuestoexpand,andhigherroadlevelisrequired,theimprovementofthestabilityofroadbedwillfacemanycomplexissues.Amongthem,thestabilityofroadbedwhichfilledwiththehighliquidlimitsoilisoneofthemajorproblemsneededtosolve.HighliquidlimitsoilwidelydistributedinChina,andbroughtalotoftroublestotheconstructionofthehighway.Themajorengineeringproblemswhenthehighliquidsoilisusedasroadsub-gradefillingmaterialare:
（1）Thenaturalmoisturecontentproblem.Itisdifficulttocontrolitsmoisturecontenttonearoptimummoisturecontent.It’snoteasytocompactwhenthemoisturecontentisalittlehigher,andmeanwhilethemoisturecontentislowerthantheplasticindex,thesoilishardtobecrushed.
（2）Thewaterstabilityproblem.Highliquidlimitsoilhasapoorwaterstability,whenthesoilwaterloss,alongwiththelossofwater,theshrinkagecrackingbeginstoexpressinthesoil.（3）Thestrengthproblem.Thestrengthofhighliquidlimitsoilisnothigh;itisdifficulttomeettherequirementsofspecification.
Inviewoftheaboveproblems,thethesisusesthehighliquidsoiloftheGuangzhou-Wuzhouexpresswayastestingmaterial,andthroughaddingpolymermaterials-polyacrylamide（PAM）tothehighliquidlimitsoiltoachievethepurposeofimprovinghighliquidlimitsoil.Themainresearchesareasfollows：
（1）Thephysicalandmechanicalpropertiesandfieldfillingproblemsofhighliquidlimitsoilarestudied.Frommanykingsofpolymericmaterials,Ichoosepolyacrylamide（PAM）asamodifiedprogram.
（2）Throughcompactiontest,thecompactibilityofuntreatedsoilandimprovedsoilswithdifferentPAMdosageisanalyzed.ThevariationofoptimummoisturecontentandmaximumdrydensitywithPAMdosageisgained.
（3）ThroughexperimentalstudyofthewaterratiolimitofuntreatedsoilandimprovedsoilswithdifferentPAMdosage,getthelawofliquidlimitandplasticlimitchangingwiththevolumechangesofPAMandthelawofliquidlimitandplasticlimitchangingwithcuringtime.
（4）Throughthefreeswellingratiotest,theeffectofhighliquidlimitsoil‘sexpansionafterPAMadded.
（5）ThroughtheCBRtest,PAMcontentsandcuringtimeontheimprovementofthestrengthofhighliquidlimitsoilisstudied.
Keywords：
Highliquidlimitclayeysoil;Polyacrylamide（PAM）;Compactiontest;Moisturecontentlimitstest;Freeswellingratiotest;CBRtest.
第一章绪论
1.1高液限土及其特征
1.1.1高液限土的定义和分类
按照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）[1]的规定，应该以下列特征作为土的分类依据：
（1）土的颗粒组特征。
（2）土的液限（ωL）、塑限（ωp）和塑性指数（Ip）。
（3）土中有机质存在情况。
当液限大于50%，即图1-1-1中的B线以右，处于此区间的都被称作高液限土。
根据土的颗粒组成，高液限土可以细分为高液限粘土、含砂高液限粘土、含砾高液限粘土、高液限粉土、含砂高液限粉土、含砾高液限粉土。
具体情况详见下表。
表1-1高液限土的划分[5]
液限ωL
塑性指数ωP
粗粒组组成
土代号
土名称
ωL>50%
IP≥0.73（ωL-20）
粗粒组≤25%
CH
高液限粘土
25%<粗粒组≤50%且砂粒≥砾粒
CHS
含砂高液限粘土
25%＜粗粒组≤50%且砂粒＜砾粒
CHG
含砾高液限粘土
IP＜0.73（ωL-20）
粗粒组≤25%
MH
高液限粉土
25%＜粗粒组≤50%且砂粒≥砾粒
MHS
含砂高液限粉土
25%＜粗粒组≤50%且砂粒＜砾粒
MHG
含砾高液限粉土
图1-1土的塑性图[1]图1-2特殊土塑性图[1]
1.1.2高液限土的特征
（1）物理性质
①液限和塑性指数较高，液限一般在50%—80%之间，塑性指数一般在26以上。
②天然含水率较高，一般情况下接近于塑限，远远高于最优含水率，范围一般为30%—60%。
③颗粒细而均匀，粘粒含量较高。
④饱和度较大，一般在85%以上。
（2）力学性质
①保水性强，胶结体吸水后难以排出，通过翻晒的方法很难降低含水率。
②抗剪强度低，水稳定性差。
③具有胀缩性，失水收缩明显，产生裂缝。
由于高液限土中含有的矿物成分（如蒙脱石）带有较多的负电荷，亲水性较强，造成土粒结合水膜厚度较大[2、3]。
该种土塑性区含水率范围较宽，浸水后持水时间长；CBR值较小，且水稳定性较差；干燥状态下强度较高，一旦遇水强度则迅速降低。
这些特征表明高液限土中的水分在正常情况下不容易逸出，干时坚硬不易挖掘，不易压实，并具有较大的可塑性、粘结性和膨胀性，浸水后能较长时间保持水分，因而承载力较小，稳定性较差[3、4]。
1.2高液限土分布情况及其危害
1.2.1高液限土分布情况
高液限土的形成和分布主要取决于地质历史的气候温热条件[5]，主要集中在我国长江以南地区，即北纬33°以南的地区，西起云贵高原，经过四川盆地南缘、鄂西、湘西、广西向东延伸到粤北、湘南、皖南、浙西等丘陵山地。
但是，即使在我国的南方，各地区的高液限土在外观和分布厚度上，都有一定的变化[4]。
1.2.2高液限土的危害
由于高液限土的特殊性质，若不加处治直接用于填筑路堤，可能会引起多种病害。
主要有以下几种[4]：
（1）不均匀沉降。
高液限土含水率较高时呈块状存在，不容易粉碎。
含水率较低时，又比较坚硬，外干内湿，粉碎效果不佳，导致压实效果较差。
路堤填筑完成后，受外界条件影响（如土体自重、路面行车动荷载等），路堤容易发生不均匀沉降，严重危害行车安全。
尤其是高填方路堤，这种不均匀沉降造成的潜在危害就越发明显，一旦发生事故，后果不堪设想。
不均匀沉降使得路面高低不平，修复困难。
（2）开裂。
水分在路堤内变化方式有两种，一是由于蒸发作用水分从路堤边坡或路基顶部向上蒸发，另一个是降雨或者其他形式的渗水造成的水分向下移动。
水分的入渗和蒸发使得路堤填土含水率反复变化，并最终造成高液限土路堤的开裂，严重影响使用。
（3）滑坡。
受降雨、蒸发、温度和风化作用的影响，常产生边坡变形，风化愈严重，边坡变形愈普遍。
路基的初始的地形地貌条件，地表水和地下水的渗流与排泄条件，对路堤的稳定性有直接影响。
一般填筑在斜坡上的路堤或者在水田、池塘基底上的路堤，若基底没能彻底处治，尤其是排水不当，地下水或者地表水渗入路堤时，都将导致路堤边坡产生变形，有时甚至促使整个路堤边坡产生滑动。
有的路堤边坡受气候风化作用，使填土产生裂隙，边坡不稳定因素逐渐积累，降雨地表径流沿裂隙渗入土体，造成土体吸水膨胀软化，从而加速路堤边坡的变形导致边坡丧失其稳定性。
此外，直接填筑的高液限土还有可能造成路面的波浪变形、翻浆、冒泥以及路堑的剥落、冲蚀、坍滑等病害。
1.3工程背景
本文以广梧高速公路河口至平台段沿线高液限土利用和改良为研究背景，研究高液限土改良的室内试验。
广梧高速公路河口至平台段是国家高速公路“7918”网中的第十八横——广州至昆明高速公路的组成部分，同时本项目也是《广东省高速公路网规划》中的横，惠州至（广西）梧州高速公路的一段。
本项目路线为东西走向，起点位于云浮市云城区河口镇，接广梧一期高速公路，终点位于郁南县平台镇古同村，与广西苍梧至郁南高速公路相连，路线全长98.71km，经国家发展和改革委员会核定，广梧高速公路河口至平台段项目总投资73.6亿元。
全线分为河口至双凤段和双凤至平台段，其中双凤至平台段被列入部省联合勘察设计典型示范项目，同时本项目还被列入广东省交通厅首批科技示范工程。
广梧高速公路河口至平台段是国家重点公路网的组成部分，它串联了广肇高速公路、国道G324线、省道S368线、省道S352线、省道S279线，它的建设对改善广东西部山区路网结构，完善广东省高速公路网具有重要意义；它的建设能加强广东西部城镇与珠江三角洲的联系，加强广东与广西、云南、贵州的运输往来，促进“泛珠江三角洲”经济、社会发展具有重要意义。
由于本项目处在两广的交界处，属于低纬度地区，全年受海洋暖湿气流和北方变性冷气团的交替影响，是国内气温较高、降水较多的地区。
属亚热带季风气候，多年降雨量在973～2277mm之间，雨量季节分配有明显的季风气候特点，3～9月降雨量一般较多，12月至次年2月一般较少。
总体而言，夏天时间长，气温高，降水多；冬天时间短，气候干暖，气温变化大。
高液限土的形成与地理环境、气候条件、地质成因、历史过程、物质成分和次生变化等密切相关，正是由于这样的地理位置决定了高液限土的大量存在。
根据设计部门初步统计，全线高液限土填挖方量达200多万方，若对其进行弃方处治，不但增加工程造价，也势必造成公路周边环境污染。
加之高液限土区域性分布比较强，附近很难找到合适的填筑土源。
图1-3广梧高速公路路线地理位置图
为确保工程质量和建设工期，降低工程造价，需采取切实可行的方法对广梧高速公路沿线高液限土进行合理处治并加以利用。
高液限土路基的填筑与稳定技术是当前公路建设领域所必须面临和解决的技术难题之一。
目前，对高液限土的改良方法有多种，但其适应性如何以及各自的特点尚不清楚。
为此，本文通过试验寻找一种有别于以前的掺石灰、水泥、砂等的传统方法，能够达到提高高液限土强度和水稳定性，并减小高液限土的膨胀性。
通过室内试验，研究掺加高分子水溶性材料聚丙烯酰胺（PAM）对高液限土改良的效果。
1.4国内外研究情况
目前，国内外对于高液限土的研究很多，研究内容涉及到分类方法、微观结构、测试手段、工程特征、加固方法、改良途径、边坡稳定、数值分析以及施工工艺等诸多方面。
近20年来，高分子聚合物作为改良粘性土工程性质的土壤稳定剂已经在一些国家得到研发并应用，如NadlerandLevy采用聚丙烯酰胺来提高粘性土的水稳定性[6、7]，Kukal采用少量的聚乙烯醇来提高侵蚀区域的土体稳定性等[8]，在国内也有一些成果，如方祥位采用GT型土壤固化剂改良土体的工程特征[9]，王银梅等利用新型高分子材料SH有效的提高黄土强度等[10、11]。
这些成果显示出高分子材料是一种有效的土壤稳定剂，能够提高土体的工程性质。
1.4.1高液限土的微观结构
矿物成分是高液限土的重要特征之一。
高液限土的工程特性与其本身具有的矿物成分有着及其密切的关系，研究高液限土的矿物成分有利于于认识其复杂的工程特性原因、变化机理，并且对高液限土地基加固及调查研究的新技术与新方法也是必不可少的。
和膨胀土类似，目前高液限土矿物成分鉴定的方法主要有差热分析[12]、X-射线衍射[12、13、14]、红外光谱（IR）以及扫描电镜（SEM）等分析手段和方法。
化学成分的研究手段主要有全量化学分析和微量元素分析等手段和方法。
到目前为止，国内外对黄土、膨胀土的微观结构研究方面已经做了大量的工作[15-18]，但对高液限土微观结构分析和研究却非常少。
杨树燕[19]利用土体微观结构具有分形的特征对高液限粘土展开研究，以分形维数作为土体微观结构量化的指标，并把其与加固土的宏观物理性质指标相联系，建立宏观与微观之间的联系。
周密[20]通过电镜切片试验研究了阳茂高速沿线高液限土的微观结构，并将其与改良土进行了对比，分析了二者之间的差别。
微观结构的发展已经从定性描述到定量研究阶段，关键的问题是定量研究如何向简化测试的方向发展，以便为工程所用。
1.4.2高液限土的强度特征
土的强度是土重要的力学性质之一。
高液限土的强度普遍偏低，这是由于其特殊的成因及矿物组成决定的。
高液限土通常具有弱膨胀性、裂隙性、一定的崩解性及水作用强等特点，使其强度特性较一般土更为复杂。
结合国内外在建或已建工程中遇到的高液限土的情况来看，高液限土的强度一般不能满足工程需要，要对其进行改良处治。
赵纯健[21]等通过室内开裂试验对高液限粘土进行开裂和不开裂状态下的无侧限抗压强度试验得出了其强度损失率。
吴立坚[22]、贾邦中[23]、曾建民[24]等通过试验得出了高液限土的含水率、击实功与强度的关系以及泡水前后土的CBR值的变化规律。
龙森[25]通过直接剪切试验和无侧限抗压强度试验证明，高液限土的抗剪强度、无侧限抗压强度很低，不能满足工程要求。
李结全[26]通过对广西南宁高液限土的试验表明，当高液限粘土的含水率大于20%时，强度随含水率的变化值相对比较平稳；当粘土的含水率小于20%时，强度随含水率的变化值而剧烈变化。
1.4.3高液限土的水稳定性
国外的一些研究人员通过研究发现，在干湿循环作用下高液限土土体强度会发生疲劳效应，最后达到一个平衡状态，一般3～5个循环下来就基本上维持在这个平衡状态，其主要的原因就是在干湿循环作用下土体的结构发生了改变[20-23]；李结全[19]针对广西地区的高液限土对高液限土的长期水稳定性做了大量的试验研究，提出路基建设前均应进行不同含水率的CBR试验，以根据CBR强度确定最佳含水率。
1.5本文主要研究内容
本文以改良高液限土的强度和稳定性为目的，依托室内试验，所做的研究内容主要有以下的几方面：
（1）通过查阅有关于高液限土微观结构和性质的材料，联系化学材料方面的知识，进行改良剂的选择。
改良剂的选择本着以下的目的：
能够改变高液限粘土的微观结构，使土的颗粒的亲水性降低，以此来降低塑性指数，提高水稳定性和强度。
（2）通过室内试验研究PAM作为改良剂的改良效果，研究了素土及改良土的界限含水率、自由膨胀率随掺量以及时间的变化情况，
（3）通过击实试验研究PAM掺量对改良土压实性的影响。
（4）通过CBR试验研究PAM掺量及养护时间对改良土强度的影响。
第二章高液限土的工程问题和处治方法
2.1概述
据设计部门统计，广梧高速公路河口至平台段第十八合同段用于路堤填料的高液限土数量约有140万方，其中高液限粘土约占高液限土总量的一半，高液限粉土约占30%，含粗粒高液限粘土及含粗粒高液限粉土约为20%。
用高液限土作为路堤填料时，往往会遇到下列问题：
含水率控制问题。
高液限土的天然含水率高，要降低其含水率至最优含水率附近困难，碾压时若含水率过高则难以压实，如果含水率低于塑限，则土体坚硬，难以粉碎[27]；
强度问题。
高液限土的强度（CBR）低，一般难以满足规范[28]要求；
水稳定性问题。
高液限土的水稳定性差，当土体失水时，随着水分的丧失，表现为土体收缩开裂。
鉴于上述问题，我国现行《公路路基设计规范》（JTGD30—2004）[29]规定：
“高液限土不能直接作为路堤填料”。
2.2工程中的高液限土性质和危害
广梧高速公路河口至平台段第十八合同段所遇到的高液限土，液限介于52%～85%之间，且随着深度变化改变：
表层土的液限较高，随着深度的增加，液限在逐渐降低，液限高于70%的土基本都分布在表层0～5米范围内（图2-1）。
高液限土受气候和水作用的影响比较大。
图2-1液限随深度变化图图2-2塑性指数随深度变化图
高液限土的天然含水率很高，基本介于26%～45%之间，大部分含水率在30%以上，而通过现场随机选取的9组土样进行的击实数据来看，素土的最优含水率一般在20%左右，天然含水率一般远高于最优含水率，从表2-1中可以清楚看出这种规律。
表2-1高液限土的天然含水率和最优含水率的关系
土样
天然含水率
ω（%）
最优含水率ωop（%）
差值
ω-ωop（%）
1
38.0
21.0
17.0
2
38.4
20.6
17.8
3
36.1
19.8
16.3
4
36.4
19.5
16.9
5
32.2
18.2
14.0
6
35.0
19.5
15.5
7
34.3
18.7
15.6
8
30.9
19.2
11.7
9
37.8
19.6
18.2
工程施工过程中，含水率的控制效果将直接影响到土的压实效果。
为了降低含水率，现场对素土填料进行了翻晒，从得到的数据来看，翻晒效果并不明显，详见表2-2。
晾晒10天后含水率从34.5%～36.7%下降至25.6%～31.2%，晾晒10天后高液限土的含水率仍然高于最优含水率6.1%～11.7%。
表2-2晾晒期间土料的含水率变化情况
晾晒天数
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
含
水
率（%）
平均值
35.0
33.5
34.0
35.4
34.2
30.5
29.9
29.7
28.2
27.2
27.1
最大值
36.7
33.8
34.1
36.7
34.8
34.0
33.3
32.9
31.5
31.0
31.2
最小值
34.5
32.9
33.9
33.3
30.3
28.6
28.8
28.7
27.5
25.6
25.6
图2-3高液限土含水率和晾晒天数的关系
从图2-3中可以看出，含水率虽然处于下降的趋势，但是下降速率缓慢，实际工程中并不允许进行这么长时间的晾晒，而且，土样的细颗粒含量较大，土颗粒的比表面积大，因此土颗粒表面有较多的吸附水，吸附水是难晾晒干的，所以土料的含水率降低缓慢。
土料的含水率居高不下，从而导致难以压实，从现场的碾压试验数据来看，素土的压实效果很不理想。
碾压试验所用的YZ18C型单钢轮振动压路机的工作质量为18800kg，振动频率为29Hz/35Hz，名义振幅为1.9mm/0.95mm，激振力为380kN/275kN；宝马BW226DH型单钢轮振动压路机工作质量为26吨，振幅为2.5mm，激振力为41吨。
压实度检测结果见表2-3：
表2-3素土压实度检测结果
压路机
吨位
碾压
遍数
检测点
含水率（%）
干密度（g/cm3）
压实度（%）
BW226DH
6
LK132＋458
29.1
1.43
87.0
LK132＋450
31.1
1.34
81.7
LK132＋445
31.1
1.38
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