改良土试验的几点体会

浅谈改良土试验的几点体会

改良土作为一种建筑施工材料，大量用于路基的碾压填方，主要控制指标一是其强度要求(以美国加州承载比CBR表示)，二是它的水理性能(胀缩总率及水稳定性)。由于天然土的性质大都不适于直接用作填压路基的材料，需要实施必要的改良措施。改良材料的掺入剂量亦并非多多益善，以能够达到设计控制要求且经济合理为宜。

1常用的改良配比材料及作用机理

最常用的改良材料有石灰、水泥和粉煤灰等，既可以单独掺加，也可配合使用，如石灰稳定土、二灰稳定土、水泥稳定土。掺入适量的石灰能增强土的抗贯入强度和减小土的胀缩性，适用于多种土类，是最常用的改良材料，其改良作用机理可分为离子交换作用、凝絮作用、碳化作用、胶结作用等四种作用，其中胶结作用对土强度的提高起决定作用。水泥的改良作用是由于钙酸盐和铝的水化物和颗粒间的胶结作用及胶结物的逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，掺入水泥可显著提高土的抗压强度和耐久性，改善土的水稳定性。水泥和粉煤灰主要用于粘性土的改良，也有在砂性土或粉土中掺入水泥和粉煤灰的改良实例。粉煤灰改良土的作用机理主要是灰－土反应，包括短期反应和长期反应，这些反应的结果使土颗粒的结合水膜变薄，粘土胶粒絮凝，产生晶体胶结物，经过长期作用这些胶结物逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，从而改善土的刚度、强度和水稳定性。

石灰质量是试验中需要严格控制的环节。根据设计要求，有时采用生石灰，有时指定采用消石灰，甚至对石灰的质量也有明确要求，以模拟今后的现场施工。尤其注意消石灰若长时间存放，容易变质形成碳酸钙，直接影响到改良的效果，条件允许的话，最好是现制，并用化学方法检测石灰的有效含量。水泥质量一般还是有保证的，应注意选择正规的厂家，采用指定标号的水泥，如没有特别的要求，一般多采用325普通硅酸盐水泥。水泥应在干燥环境下保存，防止吸潮板结。粉煤灰一般取自干燃煤电厂的工业废碴，至于粉煤灰如何控制和鉴别质量，笔者也缺少经验。若能由委托方提供试验的配比用料，当然最好。材料的质量及来源应在报告中注明。

2掺入剂量对改良土性能的影响

石灰的掺入量对改良土的强度有较大影响，通常的石灰掺入量2%～8%甚至更高，随着石灰掺入量的逐渐增大，土的强度表现为：显著增大à趋稳à衰降，一般在6%左右达到最佳掺量（强度最大），土性不同或有差别。过多的石灰掺量使得成本增加且对强度的改善无益。

图1：石灰剂量对改良土强度的影响

水泥的掺入量一般在2%～5%，水泥改良土对强度的提高较石灰改良土更为显著，且随着剂量的增大而增大，水稳定性亦有所改善，但水泥改良土的无侧限抗压曲线呈硬脆性破坏的形态，这一点与石灰改良土有所区别（石灰改良土的无侧限抗压曲线的破坏形态较为钝缓）。添加粉煤灰对强度的贡献效果不及石灰和水泥（一般与石灰或水泥配合使用），但掺加适量粉煤灰对改善土的水稳定性效果明显。图2中的示例为一粉质粘土（I P≈10）的实例，掺入粉煤灰后的最优含水率明显增大,且密度与含水率关系曲线在最优含水率之前有较长一段平缓的变化阶段，表明其水稳定性得到较好的改善。

图2：改良前后的击实曲线形态之比较(实例)

3室内试验中的压实度控制

压实度控制是路基设计中的重要概念，用干密度与最大干密度的比值以百分数表示。室内试验通常有静压法和击实法两种方法控制试件的压实度。制备指定压实度的试件以采用静压法方便可行，可以通过液压脱模机的反力框架实现静压制样，按笔者的经验，按静压法制样时，其总体块密度虽符合压实度控制要求，但内部不同位置的密度仍存在相当的误差，表明压制的试件内部密实程度并不一致，大致呈现中间小两端大的分布。采用静压法制样再按环刀法制备胀缩试验试件时，这种误差直接影响到试验的结果。为消除试件内部不同位置用环刀切制样品的密度差异，我们曾尝试采用直径10cm高度10.2cm的金属压块代替高度为2.7cm 的金属压块，按静压法将样品制备成径高比为1:4的薄试件，再按环刀法切制样品，由于试件的体积较小，由此引起的静压制样的误差被放大了，实际效果似乎并不理想，因此某种意义上实现压实度的精确控制仍是一道难题。

图3：静压法样品制备示意图

通过调整击实锤击数的方法亦可控制压实度在大致的范围，因不同土质样品被压实的难易程度差别较大，砂性土较容易被密实，即使控制每层锤击数为20击或更少，其实测压实度也可能大于95%，需要凭经验或通过多次试验找到适当的控制锤击数，达到控制压实度的目的。采用这种方法制备的试件，其内部密度也同样具有不均匀性，自上而下呈增大趋势。两种制样方法各有优劣，适用于不同的试验目的。因土的强度通常随着压实度的增大而增大，因此强度试验中可通过测定相邻压实度的强度按内插法求得指定压实度的强度。试验规程中规定承载比试验应按击实法制备样品，用内插法求得指定压实度的CBR强度，无侧限抗压强度试验应按静压法制备指定压实度的样品，那么，无侧限抗压强度试验能否参考承载比试验的方法，亦采用击实法制样，按插值法计算，这个问题值得探讨，关键是何种制样方法更接近于工程施工的实际情况。

改良土的胀缩性试验应按何种方法制备样品，规范中未见明确规定，但为了与强度试验中的压实度控制相一致，按静压法制样较为适宜，但据笔者的经验，按此方法制样测得的胀缩性指标与压实度的相关性不明显，是由于方法不当还是另有原因，需要更深入的探讨研究。

4不同制样方法对试验结果的影响

按不同的制样方法进行一些比较试验是有趣的设想，为此笔者对一组试样首先按击实法制样并实测压实度，再按静压法控制相同的压实度，与相同条件下养护，分别进行了相同压实度下素土和掺石灰土的承载比和无侧限抗强度的比对试验，试验结果见表1(粉质粘土，塑性指数12，实际压实度95%)。结果表明，两种制样方法的试验结果相差较大，缺少可比性。当然，单个样品的比较缺乏说服力，只有取得大量的比对数据才有可能建立两种方法的对比关系，这种工作量远非个人能力所及。因此，至少在目前，两种制样方法不宜通用或混淆，如规范和设计要求未明确指明制样方法，试验中具体采用了何种制样方法应在提交资料时应加以注明。

表1：两种制样方法的对比试验结果

另外，采用击实法制样时，建议采用相同规格的击筒，即使不考虑土的适用性，虽然大小两种规格的击实筒理论上的单位击实功是相同的，实际上由于锤击时对土的覆盖位置不同，对筒内土的有效做功可能并不相同，两种方法击实后的土密度存在偏差，经验表明，小筒的密度可能会略高于大筒。

图4：大小击筒锤击覆盖的示意图

5室内试验的几点经验

总结一些试验案例，得到这样几点经验或者教训：第一，取土量要充足，以满足试验和可能的补点及返工需土量，这一点很关键。如果样品不足，重复补取时，很难保证两次取土的一致性；第二，石灰的质量的重要的控制要点，确保其符合试验及设计的要求，多次试验所用石灰的质量应保持一致；第三，试验前应进行必要的物理性质试验以掌握土的性质，并根据具体土性按经验预估其最优含水率和最佳改良剂量，精心设计试验方案，避免试验的盲目性；第四，碾制加工样品时要充分拌和均匀，对于含大颗粒的混石土，切勿随意舍弃，注意保持土样的代表性。配料、加水，拌和，闷制，压实，养护，测试，每一个环节都至关重要，不容差错，争取一次成功，返工或补点时，应保持试验方法和试验样品的一致性；第五，严格控制试验的环境条件，尤其是收缩试验所需的试验周期较长，温湿度变化及轻微振动对试验进程和结果的影响都是可想而知。

6结语

室内改良土试验是一个环节较多、影响因素复杂、工作量十分烦重的试验项目，在诸多控制要素中，样品的加工制备对试验的成功至为重要，对于压实度的控制，现有的方法各有优劣，适用于不同的试验目的。建立静压法和压实法两种制备方法的比较关系可能是土工试验和设计人员感兴趣的。