改良用高液限红粘土作回填土填料性质的方法研究

杨建华，唐锡彬，王 强

(贵州电力设计研究院，贵州 贵阳550001)

在典型的喀斯特地貌区，高液限红粘土分布于较纯的碳酸盐岩(主要为白云岩、灰岩)地区，且无泥岩、页岩混杂的地层地带。据本人所作多个岩土工程条件类同的工程取样试验(化验)资料揭示，高液限红粘土矿物成份主要为朦脱石，其含量大于80%，具有强亲水性、高含水量、高孔隙率、低密实度特性。

据试验资料分析，该类土孔隙比一般大于1.0;压缩系数一般为0.3 MPa－1以下，最小可达 0.03 MPa－1;内聚力高值可达110～130 kPa，相应内摩擦角为37°～40°。具有弱－中胀缩性，自由膨胀率一般为30% ～40%，在50 kPa压力下，膨胀率多呈负值，而体缩率和线缩率则分别达10% ～15%和1.3% ～3.3%，缩大于胀。而工程应用上一般不考虑膨胀率，其收缩率大、固结稳定的时间很长是引起不良工程问题的主要原因。本文提出应用按一定比例掺和粗粒料并提高压实功等级，可缩减粘土的固结时间，增加红粘土的压实度，提高地基处理质量。

1 高液限红粘土的不良工程特性

在高液限红粘土区域，一般红粘土表面为上硬下软的分布性质，从上到下性状呈现出坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑状的“反均衡剖面”特征。在地质条件复杂的地区，其不良工程特性主要表现为软土、土洞、地面塌陷、胀缩性破坏。

1.1 软土

软土是高液限红粘土地基中常见的一种不良工程地质现象，分布于峰林、孤峰平原区及河谷两岸的溶沟溶槽中，是一种在接近完全封闭还原环境条件下，由原来的红粘土经地下水长期溶滤浸泡而形成的次生红粘土。溶沟溶槽中的软土在天然状态下其含水量大于液限含水量，呈现软～流塑状;压缩系数大多高于0.05 MPa;力学强度极低，内聚力很小。软土厚度一般为2～3 m，埋深则较浅，一般为5～8 m，其中不少为位于一般建筑物的持力层范围内，对建筑物的稳定性影响较大，不宜直接作为建(构)筑物地基基础持力层，否则应对其作地基处理。

1.2 地面塌陷

高液限红粘土地基中的土洞较发育，与地下水力特性和运动状态有关。洞径发育规模一般，洞径集中多在10～50 cm之间，且主要发育于岩土交界面上。土洞改变了地基土的应力状态，而且还改变了地基土的介质结构，为地基土的变形破坏乃至引发地面塌陷提供了空间场所。在自然或人为条件下，地表下土洞的顶板突然发生失稳陷落便形成地面塌陷。

1.3 红粘土地基的胀缩性破坏

测试发现如“引言”中所述，红粘土普遍具有弱膨胀性，自由膨胀率一般在20% ～30%，在50 kPa荷载作用下，膨胀率有相当部分显示出多呈负值。但比较而言，体缩率则较大，约有63%的土样体缩率大于10%，最大者可达28%。剖面上，红粘土胀缩具有下层较上层大的特点。

1.4 难排水、难固结稳定

高液限红粘土颗粒极小，主要为粘粒，有混少量粉粒，土体结构呈致密状，层状构造，保水性能好，渗透性小，固结时间长，导致了高液限红粘土难排水、难固结稳定的不利工程特性质。

2 改良高液限红粘土的处理方案

现场采取计划用于回填土试样，掺予不同比例粗粒料(碎石)作击实试验分析，用击锤以不同击实功对击实筒内的粗粒料含量不同的填料进行夯实，从而使粘性土填料达到不同的击实程度。通过试验，一方面可以得到击实功与填料击实程度之间的关系，同时也可得出外掺粗粒料对击实程度的影响规律，从而为回填土料红粘土现场碾压质量控制提供理论依据。

本人所做某电厂工程，按设计场平条件，场地挖填方量较大且多为高液限红粘土，而设计方案采用的是挖填方就地平衡处理措施。经取样试验，该红粘土液限均大于80%，天然含水率49% ～60%，均为硬塑状，试验成果见表1。经现场试验，其自然特性不能满足工程回填土料压实要求。为此，为了充分利用挖方土料并确保满足工程要求，特设计以下试验。

试验分别采用轻、超重型击实试验设备:击实筒内径1 512 cm，高12 cm，筒容积2 177 cm3。击锤锤底直径5 cm，锤质量415 kg，击实锤落高45 cm。试样制备:依照《公路土工试验规程》(JTJ051－93)的干土法(土不重复使用)进行试样制备。试验时将击实筒放在刚性基础上，取制备好的试样分3次倒入筒内。然后整平表面，并稍加压紧，然后按规定分3次对筒内的试样进行击实。击完后测试样含水量w，密度ρ，并计算干密度ρd。干密度按下式计算:

式中:ρd为击实后试样的干密度(g·cm－3);ρ为击实后试样的密度(g·cm－3);w为击实后试样的含水量(%)。

根据回填土的性质，结合本场地红粘土特征，特采用碎石，规格＜100 mm，所用高液限红粘土的含水率控制在最佳含水率±5%范围内，碎石掺量按15%、30%、45%、50%和55%五种掺配率(质量比)设计击实试验。试验成果表见表2。

表1 碎石与击实功对高液限红粘土的影响

表2 高液限红粘土常规试验结果

2.1 击实试验分析判断

纯自然高液限红粘土，采用轻型击实试验(击实功:592.2 kJ·m－3(98击))在最大干密度及最优含水率条件下，其压实度为71.3，不能满足工程回填地基要求，且最大干密度随着击实功增加而增大，可趋于一个稳定值，所以纯场地自然高液红粘性土不宜作为场地平场、建(构)筑物地基回填土填料。试验揭示，对于含不同比例粗粒料的高液限红粘土，当采用轻型变动时，粘性土的干密度变化较大，相应的土石比为100∶0;而采用超重型击实试验，在相应最大干密度及最优含水率条件下，其压实度均能达到工程要求，但最经济的击实功为2 680 kJ·m－3(98击)、掺和粗粒料土石比当击实功改用重型的含粗粒料粘性土的最大干密度趋于稳定，此时对应的土石比为7∶3。

2.2 掺和碎石对高液限红粘土影响机理分析

当碎石(粒径＜100 mm)掺入高液限红粘土中时，不同的掺配量可形成三种结构:悬浮结构、悬浮密实结构和密实结构。当碎石掺配率＜30% 时，混合料以细粒为主，粒径较大的碎石之间没有接触，就像悬浮在细粒之中，不能起到骨架作用，只为包裹体形式存在，碎石的掺入对提高土体强度和抗裂性能贡献较小。随着碎石掺配率的增大(30% ～50%)，细粒比例的减小，粒径较大的碎石之间开始接触，形成骨架，土体强度和密实度便提高，收缩性减小，形成悬浮密实结构。当碎石掺配率大于50%时，细粒含量进一步减小，碎石之间紧密接触，粒料骨架完整，粒径较大的碎石之间的空隙由细颗粒填充密实，土体强度和密实度显著提高，同时收缩性显著降低，形成密实结构。

此外，随着碎石与土的比例增加，土体裂缝宽度逐渐变细，板块整体性效果也逐渐变好，说明粗粒料的加入，粘土的粒间连接，得到了加强，土体抗裂性能得到了提高。因此，通过掺碎石的办法，还可以有效地预防回填地基地表出现开裂现象，进而提高回填土体地表的整体稳定性和整体强度。

3 结语

(1)对高液限红粘土回填材料的改良，可采取同时增加击实功和掺和碎石。在掺和碎石的条件下，达到96%的压实度时，一定程度可减少单位击实功的功率;提高击实功，在达到96%的压实度时，也可减少掺和的碎石用量。

(2)对于高液限红粘土(液限＞80%)，可选择掺和30%的碎石，击实功选择2 680 kJ·m－3，一般可以达到96%的压实度，实现了工程中充分利用真正把高液限红粘土的目的变为可用行的回填材料。

(3)提高掺和碎石与土体的比例并增大击实功，不仅可以对提高高液限红粘土的压实度有很好的效果，而且可以增强回填土地基地表稳定性及整体强度，但掺和碎石比例及击实功的强度需要试验确定。

［1］李辉，孙进忠，夏柏如等.高液限粘土路基填土压实特性研究.岩土工程办.第九卷.第四期.

［2］李辉，孙进忠，夏柏如.高液限粘土路基填土压实特性研究.岩土工程界.第9卷.第5期.

［3］刘鑫，洪宝宁，高液限土工程特性与路堤填筑方案.河海大学学报(自然科学版).第39卷.第4期

［4］罗斌，赵雄.碎石改良高液限红粘土的试验研究.公路工程.第34卷.第2期.

［5］易平，高液限黏土作路基填料改良方案现场试验研究.山西建筑.第34卷.第23期.

［6］刘前明，贵州红粘土工程地质特征探讨.中国煤田地质.第14卷.第2期.

［7］秦刚，廖义玲，红粘土的“反剖面”特征及其形成条件分析.贵州地质.第11卷.第1期.

［8］唐鹏程，掺加粉煤灰和砂砾联合改良高液限黏土研究.山西建筑.第36卷.第8期.