姜石土工程特性及改良措施试验研究

李锡波，郑志超

(1.山东省交通规划设计院，山东济南 250031;2.济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司，山东 济南 250101)

姜石土由重黏性土包裹一些砂砾状的姜石(硅钙质结核)形成，在我国石灰岩与黄土分布区大量存在。工程实践证明，姜石土填筑路基压实后易返潮使其密实度降低，压实质量难以控制和保证。因此，加强对不同姜石含量土填筑路基的适应性和改良措施的研究，对于正确使用姜石土填筑路基，保护土地资源和生态环境，降低公路工程造价，具有重要的指导意义。

1 试验材料选取

本文依托山东省枣庄地区某在建公路工程，选取该地区具有代表性的姜石土进行试验分析研究。试验分析表明:其姜石含量一般在50%左右，颗粒粒径一般在0.5～50.0 mm，含水率在25%左右，烧失量8.90，pH值为8.02。其物质组成如表1所示。

表1 姜石土的组成 %

姜石土的矿物成分:非黏土矿物有石英、长石、云母;黏土矿物以蒙脱石为主，伊利石为次，并含有少量高岭石和绿泥石。土的化学成分以SiO2，Al2O3为主要成分，Fe2O3，CaO次之，属硅钙质结核。组成黏土矿物的颗粒极细，多呈片状，比表面积很大，与水作用具有活跃的物理化学特性。

2 姜石土工程特性的试验研究

根据姜石土施工过程中出现的不良现象，设计对不同姜石含量的填料进行室内颗粒分析试验、击实试验、CBR试验、毛细水上升试验，通过试验数据分析，确定主要影响因素，为工程改良提供依据［1-3］。

2.1 姜石土的可塑性

姜石土呈黄褐色，湿时极黏，干时坚硬，筛除姜石后进行了可塑性试验。界限含水率采用液塑限联合测定仪法测定，结果如表2所示。

表2 筛除姜石后姜石土的液塑性指标

由表2可见，筛除姜石的土属于高塑性黏土，可塑性很强，有强的吸水性，工程碾压时的和易性差。

2.2 颗粒组成及击实特性

姜石土颗粒组成采用筛分与比重计联合试验确定，击实试验采用标准重型击实Ⅱ-2法。

根据土的分类标准:姜石含量 ＞50%时为粗粒土，＜50%时为细粒土，＜30%时级配不良。图1和表3显示:不同姜石含量土的击实曲线具有类似的形状，说明其压实性状基本相同;随姜石含量的增加，驼峰左移，说明姜石含量是影响姜石土最大干密度和最佳含水率的主要因素。

图1 不同姜石含量土的击实曲线

表3 不同姜石含量土的最佳含水率和最大干密度

根据姜石土工程特性，用其填筑路基时应取击实曲线驼峰右侧的含水率作为现场控制含水率，这样压实后的路基孔隙很小，可吸入水量就大大减少，利于缓解路基返潮密实度降低的问题。

2.3 强度指标试验

1)CBR试验:采用重型击实法制件，击数分别为30击、50击、98击，饱水4昼夜后，进行CBR贯入试验，试验结果见图2。由图2可知:①随压实度的提高姜石土的承载比(CBR)值随之提高，但提升效果较小。说明姜石土作为一种悬浮结构，仅通过提高压实度不能有效提高其强度。②饱水4昼夜后姜石土的CBR值较低，较难满足公路路基设计规范［1］中对高速公路或一级公路路床填料最小强度的要求(上路堤CBR值≥4%)。仅姜石含量为30% ～40%时，在98击条件下其CBR值略 ＞4%。因此，对于该地区常见姜石含量为50%的姜石土需要进行土质改良。

图2 承载比随姜石含量变化曲线

2)回弹模量试验:根据试验规程采用路强仪法对姜石土的回弹模量进行测定，见图3。表3中有各姜石含量下最佳含水率时的试验结果。由图3可知:姜石含量相同时，姜石土的回弹模量随其含水率的增加而逐渐减小;在最佳含水率下，随姜石含量的增加，其回弹模量也随之降低，姜石含量20%时回弹模量最大。

图3 回弹模量和含水率关系曲线

2.4 毛细水上升高度试验

选取姜石含量30%的姜石土，按照94%压实度控制，进行了98 h的毛细水上升高度观测，见图4。由图4可知:该姜石土毛细水在前20 h内上升剧烈，达520 mm，占98 h总观测量的67.1%。98 h时毛细水总上升高度达775 mm，可见该类姜石土具有强烈的毛细作用，是路基返潮现象出现的重要原因之一。

图4 毛细水上升高度与时间关系曲线

3 姜石土改良措施的试验研究

为了在改善姜石土工程特性的同时，提高改良措施的经济性，根据工程经验，拟通过掺加石灰、粉煤灰(两者质量比取1∶3)对姜石土进行改良处治［4-7］。通过液塑限试验、击实试验、强度指标测试和水稳定性试验，对不同掺加比例下的试样进行了效果对比分析。

3.1 改良后姜石土的可塑性

试验方法与改良前液塑限测定方法相同。由表4可知，通过掺加石灰、粉煤灰，姜石土的塑性指数能够明显降低，改善了姜石土的可塑性、黏结性与施工的和易性。

表4 改良后姜石土的液限、塑限指标

3.2 改良后姜石土的击实特性

由图5可知:加入石灰、粉煤灰后，击实曲线较图1变得平缓，随二灰含量增加驼峰愈加宽缓，表明石灰、粉煤的加入改变了姜石土的水敏感性，可碾压的含水率范围变宽。石灰、粉煤灰的加入，增加了重黏土中粉砂粒级的含量，改变了土的颗粒级配，可有效改变压实性状。从降低姜石土的可塑性和水敏感性方面来看，3%的石灰、9%的粉煤灰加上一定时间的闷料(3～4 d)，碾压是比较合适的。

图5 不同掺灰剂量姜石土的击实曲线

3.3 强度指标试验

试件制备及试验方法同上。图6为掺加3%石灰、9%粉煤灰改良后不同姜石含量姜石土的测试结果。图7为50%姜石含量姜石土不同掺料含量时的测试结果，其中石灰:粉煤灰质量比为1∶3(图中仅用石灰掺量表示)。由图6和图7可知:①掺加二灰改良后材料的CBR值具有显著的提升，均能够满足高速公路路床填筑要求(上路堤CBR值≥4%);②相同灰剂量下，CBR值随姜石含量的增加而缓慢增加，同一姜石含量下，CBR值随灰剂量的增加呈减小趋势;③相同材料配比下CBR值随击实次数的增大而明显提高。因此，从提高路基填筑强度角度考虑，应提高其压实质量并适当减少石灰、粉煤灰掺量。

图6 CBR值与姜石含量关系曲线

3.4 水稳定性试验

按照94%压实度控制，制备姜石含量30%、石灰剂量3%、粉煤灰剂量9%的试件进行毛细水上升高度试验，由试验结果可知:改良后姜石土毛细作用显著降低，98 h毛细水上升高度为324 mm，仅为改良前的41.8%。因此，掺加石灰、粉煤灰对姜石土进行改良能够有效改善其水稳定性，减小其毛细水上升高度。这可以从减少水源的角度缓解其返潮压实度降低的现象。

图7 CBR值和掺料含量关系曲线

4 结论与建议

1)不含姜石的纯土属于高塑性重黏土，由于姜石含量的影响，不能按塑性土分类，应划归特殊土，名为含姜石重黏土。

2)当姜石含量 ＜30%时，属于重黏土，具有黏性土的压实性状，压实可采用低频弱振或静压;含量30%时，土的级配最好，强度最高;含量30% ～50%时，压实处于细粒土与粗粒土的过渡状态，压实可采用低频强振;含量 ＞50%时，属于粗粒土，可采用高频强振压实。

3)姜石土击实后CBR值较低，毛细作用比较强烈，不宜直接用于高速公路及一级公路路床填料。掺加石灰、粉煤灰(质量比1∶3)后姜石土物理、力学性质得到明显改善，将其作为路基填料具有良好的压实效果、强度特征和水稳定性，可用作高速公路及一级公路路床填料。考虑经济因素，石灰剂量宜控制在3%～7%之间。

［1］中华人民共和国交通部.JTG D30—2004 公路路基设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中华人民共和国交通部.JTG E40—2007 公路土工试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］中华人民共和国交通部.JTG E51—2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［4］曹培，王芳，严丽雪，等.石灰改良黏性土CBR值的试验研究［J］.岩土工程学报，2011，33(增刊):298-301.

［5］杨广庆，管振祥.高速铁路路基改良填料的试验研究［J］.岩土工程学报，2001，23(6):659-662.

［6］刘峥嵘.高液限黏土路用填料的改良研究［J］.路基工程，2010(1):131-133.

［7］柳墩利，赵有明.击实延迟时间对水泥改良土压实系数影响的研究［J］.铁道建筑，2008(8):91-94.