快速土壤固结技术Q4

2.3.6.1　Q4土物理性质以及砂化试验

(1)物理性质试验。

从响水涧抽水蓄能电站下库库区取得的Q4 土高含水率，黏土到实验室的初始含水率为26%～28%，比重2.71，液限35.04%，塑限20.42%，塑性指数14.6，其颗粒分析曲线如图2-21所示，属低液限黏土。从图2-21 的颗粒分析成果可见，Q4 土的黏粒含量约18%。

图2-21　Q4土料颗粒分析曲线

(2)砂化试验。

为了能够快速降低Q4 土的含水率、提高强度并改善压实特性，经试验验证，可以采用掺生石灰和其他外加剂的办法对土体进行改良。在天然含水率的土体中掺加不同剂量的生石灰3 天后，土体的状态都发生了明显的变化，主要是黏性降低，土体朝散粒方向变化，工程上称作砂化。素土呈泥块状，用手捏只发生形状改变，土体不能被压实;Q4 黏土掺石灰后，土体脆性增加，土块用手能捏碎。随着灰剂量增加，土块越来越容易捏碎，表明在外力作用下越来越容易碾压。

2.3.6.2　Q4土压实特性

(1)击实试验。

本研究从有效性和经济性考虑，仍然以研究工程上用得最多的石灰和粉煤灰改良Q4 黏土特性为基本立足点。在室内采用轻型击实试验的方法，研究确定高含水率黏土以及改良土体的最大干密度和相对应的最优含水率。研究素土和稳定土的压实特性和含水率合理控制范围，指导工程施工。

本次试验分为五种土样:素土，素土+3%生石灰，素土+5%生石灰，素土+2%生石灰+10%粉煤灰，素土+4%生石灰+10%粉煤灰。其中素土+3%生石灰，素土+5%生石灰分别焖料3d;素土+2%生石灰+10%粉煤灰，素土+4%生石灰+10%粉煤灰首先加石灰焖料3d，再加粉煤灰焖料两天。石灰、粉煤灰所占比例都是对应天然湿土的比例。

(2)压实特性分析。

由Q4 高含水率黏土和改良土的击实试验成果得到的最优含水率以及最大干密度成果见表2-15。

表2-15　Q4素土和改良土的最优含水率与最大干密度汇总

可见Q4 素土最大干密度为1.73g/cm3，最优含水率18.03%。素土最优含水率比天然土低8%～10%，在施工现场难以将土的含水率降低到合适的碾压范围，因此难以压实。采用“3%生石灰改良土”、“5%生石灰改良土”和“2%生石灰+10%粉煤灰改良土”的最优含水率均在23%到24%之间，改良土的最大干密度在1.57g/cm3～1.58g/cm3，比素土低9%～10%;改良土的最优含水率比素土提高5%～6%，仅比天然土含水率低3%～5%。这表明:天然素土与生石灰、粉煤灰按一定的配比率拌和以后就能使土体含水率达到最优含水率要求，可以从料场拌和生石灰、粉煤灰后直接将改良土料运到道路施工现场进行碾压，从而提高了Q4 土开挖弃渣施工效率。

2.3.6.3　Q4土变形特性

(1)压缩试验。

为得到土体的压缩模量、压缩曲线、压缩系数等，在室内进行了压实度为96%的高含水率黏土以及7d 龄期的改良土的压缩试验，得到的压缩系数、压缩模量见表2-16。

表2-16　Q4素土和改良土压缩试验参数汇总

由表2-16 可见，压实素土即使在最优含水率附近，仍然具有中等压缩性，而改良土都是低压缩性土。

(2)无侧限抗压强度。

为得到高含水率黏土和改良土的变形模量，在室内进行了含水率控制在天然含水率附近、压实度为96%的素土无侧限抗压强度试验，含水率控制在最优含水率附近、压实度为96%的四种改良土的无侧限抗压强度试验(其中改良土分别进行了龄期为7d、14d 和28d 的无侧限试验)，得到各土体的变形模量见表2-17。

表2-17　Q4素土和改良土无侧限抗压强度试验参数汇总

对龄期为7d 的改良土抽气饱和后进行了无侧限抗压强度试验，以便与非饱和状态的抗压强度加以比较。试验表明，改良土的变形模量和强度基本与土体是否饱和无关。

(3)变形特性分析。

由表2-17 可知，7d 龄期后的改良土，其变形模量基本稳定，与28d 龄期改良土的变形模量相差无几。且7d 龄期的改良土在饱和状态下变形模量与最优含水率附近下改良土的变形模量相差不大，说明改良土的水稳性较好。且通过比较改良前后土体的变形模量，发现7d 龄期的石灰粉煤灰改良土的变形模量较素土有了很大提高。

2.3.6.4　Q4土强度特性

(1)CBR 强度。(www.xing528.com)

为得到改良前后CBR 强度(California bearing ratio，加州承载比，表征路基土、粒料、稳定土强度的一种指标，以百分率表示)的变化，在室内进行了压实度为96%的Q4 高含水率黏土和改良土CBR 试验，其中改良土分别进行了龄期为7d、14d 和28d 的CBR 试验。CBR 试验过程中，直径5cm的圆柱刺入土体的深度(贯入量)与压力关系曲线如图2-22所示，各土体的CBR 强度见表2-18。由表2-18 可见，素土CBR 强度很低不能满足规范对路基填土CBR 的要求，而各种改良土的CBR都超过规范对路基和路床的CBR 要求。

图2-22　Q4土及其改良土(7d)单位压力与贯入量的关系曲线

表2-18　Q4素土和改良土CBR强度参数汇总

(2)三轴剪切试验。

试验土体的压实度都控制为96%，其中改良土的龄期分别为7d、14d、28d，得到的三轴UU 抗剪强度参数见表2-19。

表2-19　Q4素土和改良土三轴抗剪强度(UU)成果表

(3)强度特性分析。

由表2-19 可知，7d 龄期后的改良土，其无侧限抗压强度基本稳定，尤其是石灰粉煤灰改良土，无侧限抗压强度基本达到最大值。饱和状态下的改良土7d 龄期的无侧限抗压强度与最优含水率下改良土无侧限抗压强度相差不大，说明其水稳性较好，尤其是石灰粉煤灰改良土，两种饱和度下的无侧限抗压强度相差很小。与素土相比，石灰改良土和石灰粉煤灰改良土的无侧限抗压强度都有较大增加，特别是石灰粉煤灰改良土的无侧限抗压强度是素土的4 倍以上。

由表2-19 可知，改良土的CBR 强度比素土有了明显的提高。而7d 龄期的改良土的CBR 强度，与28d 龄期的改良土的CBR 强度相差不大，7d 龄期的CBR 大体是28d 龄期强度的80%左右。说明7d 龄期下改良土的CBR 强度已经基本稳定。

由表2-19 可知，饱和状态下的改良土三轴抗剪强度参数与最优含水率附近的改良土三轴抗剪强度参数相差不大;而素土在饱和状态和非饱和状态下，强度参数相差很大。说明改良后的土体比素土的水稳性有了明显的提高。

2.3.6.5　室内试验小结

综上所述，结合室内试验情况，小结如下:

(1)素土最优含水率比天然土低8%～10%，在施工现场难以将土的含水率降低到合适的碾压范围;天然素土与生石灰、粉煤灰拌和以后就能使土体含水率达到最优含水率附近，尤其是“3%生石灰改良土”、“5%生石灰改良土”和“2%生石灰+10%粉煤灰改良土”的最优含水率仅比天然土含水率低3%～5%，可以从料场拌和生石灰、粉煤灰改良后运至道路施工现场进行碾压。

(2)中压缩性的高含水率黏土经过改良后压缩系数明显降低，压缩模量显著增长，改良后土体都变为低压缩性土;7d 龄期后的改良土变形模量基本稳定，且其在饱和状态下变形模量与最优含水率附近下相差不大，尤其是7d 龄期的石灰粉煤灰改良土变形模量较素土提高了约4 倍。

(3)与素土相比，改良土的无侧限抗压强度都有较大增加，特别是石灰粉煤灰改良土的无侧限抗压强度达到300kPa;改良土的CBR 强度比素土有了明显的提高，7d 龄期下CBR 强度达15%以上，28d 龄期CBR 强度参数基本在20%以上。

2.3.6.6　生产性试验情况

按照室内试验方法和手段，在施工现场进行“素土，素土+3%生石灰，素土+5%生石灰，素土+2%生石灰+10%粉煤灰，素土+4%生石灰+10%粉煤灰”五种土样的生产性试验。二次掺灰改良土首先加生石灰焖料3d，再加粉煤灰焖料2d。石灰所占比例都是对d 然湿土的比例(外掺法)。每种比例土样取Q4 素土20t，然后按比例掺入生石灰，用挖掘机搅拌均匀、成堆、覆盖，焖料3d。通过轻型击实试验，求得最大干密度ρdmax和相对应的最优含水率ωop见表2-20。

依据《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)规定，本次Q4 改良土路基压实度采用95%控制，20t 振动碾碾压密实，压实变数6 遍控制，铺料厚度300mm。焖料3d 后采用挖掘机再次搅拌，按层厚400mm摊铺平整，待碾压完成后采用环刀法对每种比例进行取样，且每种比例取样组数不少于6 组，通过室内得出的最大干密度ρdmax计算出现场碾压后的实际压实度，从表2-21 试验数据可以看出，掺生石灰改良后的Q4 土经过现场20t 振动碾碾压密实后，压实度达到98.7%～100%，均大于95%的规定，满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)规定要求。

表2-20　各种料源最大干密度ρdmax和最优含水率ωop数据汇总表

表2-21　各种料源环刀法平均含水率、平均干密度和压实度数据汇总表

2.3.6.7　应用情况

2009年4月份，在下水库弃渣场中试验性的采用“砂化+二次掺灰”技术手段快速固结后的改良土修筑了一条长约200m、宽10m、厚2m的弃渣施工主干道，同时在下水库库盆开挖Ⅲ区范围内修筑了一条长约300m、宽8m、厚2m的开挖施工主干道。经过一年多的施工运行结果表明，施工道路可以满足弃渣施工车辆及重型设备过往要求，此改良技术可行。

Q4 土快速固结技术研究成果的成功应用，为南方气候湿润地区类似抽水蓄能电站工程建设提供了宝贵经验，尤其是对在大型土石方开挖工程中石渣料源紧缺时施工临时道路修筑，特别平原地带在无可直接利用的黏土情况下需要用Q4 土填筑围堤、修筑围堰等情况，既具有良好的技术价值和经济价值，又具有广阔的工程运用前景。