第13卷第33期2013年11月 科学技术与工程 Vo1.13 No.33 NOV.2013 1671—1815(2013)33—10054—06 Science Technology and En ̄neefing ⑥2013 Sci.Tech.Engrg. 交通运输 高液限土路基掺砂改良试验研究 徐奋强 郭先凯 (南京工程学院建筑工程学院 ,南京211167;南京勘察工程有限公司 ,南京210007) 摘要对细颗粒含量较高的高液限粉土进行室内掺砂改良试验。以塑性指数、CBR值、含水率、最大干密度、空气率、级配 作为研究对象,依据不同比例的掺砂量试验结果,选取含水率、空气率作为施工控制指标;压实度、CBR值作为工程质量检测 指标,通过分析不同掺砂量土样各参数指标的变化规律,确定经济合理的掺砂比以及施工质量评价指标体系。 关键词高液限土 掺砂改良 配合比 文献标志码B 中图法分类号U416.111; 高液限土在我国南方省份有较大范围的分 布 j,为减少弃方节省造价、保护自然环境,充分 的配比确定依据、各参数指标的变化特点进行试验 分析,以满足路堤压实度和强度(CBR值)为基准要 利用高液限土进行路堤填筑。国内外对高液限土 的工程应用也有较多的研究,但多侧重于具体的工 程应用和工程性质的研究,而对改良土的配比依 求,探讨合理掺砂比和施工评价指标的问题。 基于高液限土的液限高、颗粒细、强度低的工 程特点,界限含水率是研究高液限土路用特性的必 要指标,能较好地表达界限含水率变化特点;浸水 CBR值是判定路基水稳定性的重要参数;空气率指 标是从土体汽、液、固三相组成的角度考虑高液限 土压实困难,液限高、保水性强而汽相变化灵敏的 据,压实度、含水率、强度之间的优化关系,质量控 制和评价体系方面研究较少。如M.C.Tonoz等 J 认为,在高液限土中加入4%的石灰时,28d后土的 强度最大;黄灿森 结合广东省阳茂高速公路工 程,研究高液限土的物理和力学特性,介绍掺“康 优势特点来分析施工压实问题,含水率、最大干密 度是路基施工控制通用的主要参数。考虑与国家 规范对路基填筑质量验收的统一性,现仍以满足压 耐”土壤稳定剂的处治方法;章为民、戴济群、王芳 等 对高液限土路基改良设计方法进行了研究 总结。 实度设计为基准,以CBR强度值作为辅助评价指 标。按通常设计惯例及国家规范对特殊土的要求, 某公路高液限土下路堤改良后要求压实度满足90 区,强度CBR强度大于3,即施工质量检测指标标 准为:压实度满足90%,CBR值>3。 公路工程多采用掺无机料,如石灰、水泥改良, 包边处置等方案进行填筑[6, 。由于石灰和水泥改 良的土施工难度大、水稳定差,实践证明高液限土 的CBR值小于3%、细颗粒含量大于75%,液限介 于50%一65%之问,应优先采用掺砂改良填筑方 案 。目前随着环境保护意识的加强,高液限土改 良填筑路堤的工程应用在我国逐渐拓展,由于没有 1试验研究 试验土样取自广东省某高速公路k30+650一 k30+750路段,依据勘查报告数据,该路段高液限 土的液限为58.6%,塑限为28.6%,塑性指数为30, 天然含水率为25.8%,小于0.074 mm的细粒含量 为84.93%,不宜直接填筑,须进行改良处理。根据 相应成熟规程的借鉴,工程技术人员对于掺砂的合 理配比及施工控制问题仍感困惑。现就掺砂改良 2013年5月24日收到,6月24日修改 第一作者简介:徐奋强(1975~),男,汉族,山东菏泽人,博士研究 牛,研究方向:岩土工程技术。E-mail:xfql02@sina.com。 该高液限土细颗粒含量较高的特点以及当地环境 33期 徐奋强,等:高液限土路基掺砂改良试验研究 条件,并通过掺石灰、水泥试验的综合对比,确定采 用掺砂改良。 高液限土掺砂后土体的颗粒级配得到改良,粗 颗粒含量增加,土体从黏性土转变成非黏性土,颗 粒之问的相互作用发生改变,从而使得土体的性质 得到改良。 1.1土样物性指标试验 现场取土样进行室内重塑土试验,试验项目包 括干密度、液限和塑性指数、含水率、土粒比重、 CBR(Dmkl,l承载比)试验等。各项指标的试验获取 方法均按照《公路土工试验规程》(JTG E4O一 2007) 进行试验,试验过程不再详述。试验结果 详见表1。 表1 高液限土基本物理性质指标 从物理力学指标上看,试验土样中,液限最高 值超过50%、塑性指数超过26;细粒含量所占比重 最高达85%。含水率远大于最优含水率预示着土 层的饱和度较高;液限高、塑性指数大说明土体塑 性大,难以压实;细粒含量高,土体渗透性低,翻晒 降低含水率难度大。这种土体不宜作为路堤填料 进行直接填筑,需进行改良处治。 1.2室内配比试验 定义掺砂率为干砂的质量与干土质量的百分 比。现以不同比例的掺砂量进行室内配比试验。 以液塑限、含水率、最大干密度、CBR值、空气率作 为分析指标,以压实度和强度为最终评价标准,探 索一适合现场土体的掺配比例。按照《公路路基施 工技术规范》(JTG F10—2O06)¨ 砂土混合料含水 率宜在最优含水率±2%附近进行填筑。试验将现 场取回的高液限土烘干,按照不同的掺砂比(0~ 30%)配料,分别掺入10%、12%、14%、16%、18% 的水拌合均匀后,用塑料袋密封养护24小时后在电 动击实仪上击实,用烘干法测定压实后的含水率, 获得最优含水率,而土样的液塑限、浸水CBR值、最 大干密度指标的试验获取方法均按照《公路土工试 验规程》进行进行试验,试验过程不再详述。控制 掺砂率为O%、15%、18%、20%、25%、30%几种不 同掺砂量的情况下,研究掺砂量对混合料最大干密 度、最优含水率、界限含水率、含水率、CBR值的影 响,选取高液限土随掺砂量不同而显著变化的分析 指标,进而选取作为控制指标。 1.3击实试验 试验用砂均采自珠江流域级配良好的中粗砂。 通过对砂样进行颗粒分析试验,见表2,其试验数据 均为三组平行试验的平均值。 从试验结果看来,珠江流域河砂属于中粗砂, 级配合理,不均匀系数C 。=7.8>5,C =2.1在 1~3之间,结果表明,砂的级配良好。高液限素土击 实试验结果见表3。 表2实验用砂各粒组含量表 垫堡 竺竺 : :垄 : !兰 小于该粒径的土粒含培/% 94 58 24 12 表3高液限土掺砂击实结果 断面 掺砂率 0% 15%18%20%25%30% k30+650 最大干密度1.698 1.755 1.764 1.803 1.833 1.841 高液限粉土最优含水率18.3 16.8 16.3 16.0 15.2 15.1 从室内击实试验结果表3看出,最大干密度随 着掺砂量的增加而逐渐增加,掺量从0%到20%左 右增加较缓慢,从20%~25%增加较快,而从25% 之后增加又开始变缓慢,掺砂率为30%时最大干密 度基本不再改变;最优含水率随着掺砂量的增加而 逐渐减小,且减小的幅度是先快后慢。由此可以初 步判断,掺砂率在20%~30%时对于改变土样最大 干密度和最优含水率比较合理。 1.4掺砂改良土界限含水率试验 改良材料对土料液、塑限,塑性指数的影响是 判断改良材料改良效果的重要依据,因此需对改良 土进行液塑限试验分析。 表4界限含水率随掺砂量的变化关系 断面 液塑限 O% 15%18%20%25%30% 液限 63.1 52.3 51.6 48.2 47 46.7 k30+650 塑限 28.3 30.1 30.5 3O.8 31.1 32.3 蝈性指数34.8 22.2 21.1 17.4 15.9 14.4 科学技术与工程 13卷 从表4数据看,高液限土的液限降低、塑限增 高,从而使高液限土塑性指数减小。液限降低使土 如图1所示。 由图1可知,随着掺砂率的增大,混合料含水率 加 m O 2 O 8 6 4 2 O 、《∞u 的路用性能得以改良,但塑限增高则增大了压实的 难度。改良土液限降低的幅度较大,塑限增高幅度 很小,因此材料的整体性能得到了改善。液限随着 掺砂量的增加而逐渐减小,且减小的幅度为:从0到 20%减小幅度较大;掺砂率在20%一30%时,液限 减小幅度较小。同样表现在塑性指数方面,掺砂 率在15%~25%时,塑性指数变化较大,而在 25%~30%的掺砂率时,塑性指数变化不大,如继 续增大掺砂率对改良效果补益不大。由此可以看 出,掺砂率在25%~30%时对于改善土样塑性指 数比较合理。 ~ 料 扪 O 5 1O 15 20 25 30 35 40 45 50 掺砂率/% 图1 含水率与掺砂率的关系 0 5 10 15 20 25 3O 35 4O 45 5O 55 60 掺砂率/% 图2 CBR 强度与掺砂率的关系 1.5掺砂改良土料含水率试验 由于含水率对于路堤填筑压实的质量评判比 较关键,为较宽泛获取掺砂率对土料含水率的影响 数据,采用拓宽掺砂比率范围进行试验,实验结果 的减小并不明显,掺砂率为30%时,土料含水率减 小的幅值仅为4.9%。掺砂改良降低含水率的原因 主要在于所掺砂的含水率小于高液限土,掺砂改良 土含水率为砂与高液限土的混合料含水率。因此 在较小掺量情况下,掺砂改良对土料含水率降低的 影响是较小的。 1.6颗粒分析试验 用四分法称取500 g代表性土样烘干,置于盆 中用清水浸泡,浸润后过2 mm筛,并把筛下溶液过 0.074 mm洗筛,将大于0.074 mm的砂土烘干称 重,进行筛分试验分析其颗粒组成;将小于0.074 mm的细粒土烘干,用比重计法分析颗粒组成。高 液限土颗粒分析成果如表5。 表5掺砂改良前后的颗粒组成 垫垦 堡 主 三 : ! : ! : : ! : 高液限素土 o 15.8 46.5 37.7 15% 30.1 47.6 22.3 l8% 32.2 46.4 21.4 砂 20% 33.5 46.3 20.2 25% 37.4 47.O l5.6 30% 40 1 47.2 12 7 表5试验结果可知,随着砂粒掺量增大,土体粗 颗粒含量逐渐增加,粉粒含量变化较小,黏粒含量 大幅度降低。掺砂改良土的颗粒分布随着掺砂率 增大,土料粗颗比例大,细颗粒含量比例减小,粒径 级配趋好。 1.7掺砂改良土料强度试验 采用重型击实仪和南京土壤仪器厂cBR一1型 承载比试验仪,素土样采用风干过筛2 mm高液限 土体,依据混合料的最优含水率参数制样,测得不 同掺砂率条件时的CBR:. 值,如图2所示。 从图2看出,掺砂率在15%一20%时,土样 CBR强度值变化幅值较大,而当掺砂率在25%~ 30%时,土样的CBR值提高明显,达到峰值,此后, 增大掺砂率并不能有效提高土料的强度。由此得 出结论,掺砂率在25%一30%时对于改善高液限土 样强度(CBR值)比较合理。 翌 『-——~ 堡窆 :箩:高液限土路基掺砂改良试验研究 L 8掺砂改良土料强度特性 选取掺砂率25%研究其压实度求,说明在低含水率情况下,要达到较高的 、含水率、e 度之间的关系特点。试样含水率以最优含水率 度和强度需要付出较大的压实功,含水率较底 为基准进行调配,具体为: 叩 一2,(£J ,∞ +2。制含水限土的改良填筑不理想但能满足要求;而控 , 0pI+3, opt+4, 。pt+5, 率在∞。 t+6时,压实度和强度也能满足设计 。p +6。依据击实桶体积、 土样含水率和最大干密度之间的关系计算土料总 要求,c 强度相对含水率为 。 一2时大,但其 量,制成不同压实度和含水率的土样进行浸 。 CBR强度相对设计要求的底限CBR>3相差不★ hC . 试验。试验测得土样强度参数如图3、图4 苎 能满足应用需求?3,区而言强度为设计值底限的1.6倍,其安全性 ,如再加大含水率,改良土强 度将不能满足设计要求。高液限土掺砂改良满 9 0区的含水率控制范围为:最优含水率~最优含水 —◆一∞oDt一2 哦n f竿+6%的范围。 ∞om+2 r』JoDr+3 — 一 ㈣+4 2掺砂改良土压实度分析 —●一∞oDt+5 +(【,0D£+6 掺砂改良土在填筑过程中,.土料的汽、液、固三 ,相和土颗粒是不可压缩的,压实其实就是 哪 .粒与液体重新排列,汽体挤出的过程匿实度 % 拿 的大小能准确反映土料的密实程度,堡单位体积内固体颗粒增加土中 。图3强度与压实度的关系 ,就使得汽相空气含 要 1。 过课题组试验尽量减小,但常规条件下汽象又不能减小至零,表明:空气体积占总体积比率为.4 通 )8 ,土体将很难再压实。空气率为土体中空气体积 ∞~~ 7 4 l l㈨ m 6 毒 4 实度皇 体积的比例,以百分比表示。工程上,可以压 、最大干密度、比重换算得到空气率的数值。 掺砂25%改良土空气率(%)成果 含水率/% 空气率/% 压实度/% 92 93 含水率/% 94 95 15.9 15.O 14.1 l3.1 图4强度与含水率关系 12.5 11.6 l0.6 9.7 9.】 8.2 7.2 6.2 从图3、图4可知,高液限土掺砂25%改良后7.4 6.5 5.5 4.5 , 度值随压实度的增加而增加5.8 4.8 3.7 ,基本呈线性 4.1 3.1 式增加,而在同一压实度情况下,改良土料的c 度值随含水率先增加后减小,强度峰值发生含水 警控制含水率为最优含水率+ ̄:(-Oopt+4,这与常规黏性土路堤填筑时,…,高液限2%有所不同规范要 ,这说明 土路堤填筑受液限高、颗粒细等因素的影响 所致;土料含水率为 。 一2时, CBR强度随压实度 L.L增I.X ̄加t,能够满足设计要求,但强度增加的幅度很 小,且安全储备较小,若再降低含水率强度将不能 “ ^^ 科学技术与工程 13卷 低于4%,现实中难以发生,过压将导致土体结构破 坏;当含水率为 +4时,虽然强度达到峰值,但空 气率的值随含水率增加而减小的幅度较小,说明土 体已达到较好的密实度,继续击实(碾压)将导致土 体结构改变强度降低。故此,可知:掺砂率为25% ~30%时,含水率为 ~ 。 +4,压实度90%一 93%、CBR强度4~10,各参数均比较理想,是最优 的施工条件。 3掺砂改良土填筑质量控制 通过室内掺砂改良的一系列试验表明,要使改 良高液限土压实度和强度同时满足要求,必须严格 控制含水率在一定的范围。土体压实度、含水率、 强度三者是互相关联的,并不是任意两两之间关 系,三者之间存在最优的匹配状态,该状态时土料 的强度、密实度、水稳定性达到最佳状态。 通过试验分析可知,含水率指标是控制高液限 土改良施工的关键,只有把含水率控制在稍大于最 优含水率条件下,改良土才能达到较好的强度和密 实度。而CBR值能够反映土体的强度和水稳定性, 因此,把含水率指标作为施工控制指标是施工的关 键性,操作也比较方便,把压实度和CBR指标作为 施工检测指标则是顺应规范,完全可行。即:满足 90区压实度的含水率范围为:最优含水率~最优含 水率+6%的范围;强度检测指标为:压实度满足设 计要求,CBR值>3。但在含水率为:最优含水率~ 最优含水率+4%时,土体强度、压实度为最佳。 4结论 (1)掺砂改良后的高液限土,由于粗颗粒的增 加,液限的降低,改良土体的密实度、强度、水稳定 性均有较大程度的改善。 (2)掺砂后的高液限土,同一含水率条件,强度 随压实度的增加基本呈线性增加,而强度随含水率 的增加呈先增加后减小,存在峰值。峰值随含水率 的增大而增大。 (3)改良土体压实度、含水率、强度三者是互相 关联的,且存在最优的匹配状态,该状态时改良土 的强度、密实度、水稳定性达到最佳。 (4)掺砂改良土的施工最佳状态为:掺砂率为 25%一30%,含水率为: 。p1~ 。p{+4%,压实度: 90%~93%,CBR强度:4一lO。 参考文献 1 黄正昌,王书伟.高速公路高液限土填筑路基施工技术.广东建 材,2005;(6):47—49 2曾胜.高液限土室内改良试验研究.中外公路,2007;27(3): 2O8—21O 3 Tonoz M C.Effects of Lime Stabilization On Engineering Properties of Expansive Ankara Clay.Each and Environment Science,2004; (104):466---474 4黄灿森.高液限土的特性分析及其处治方法.公路交通科技应 用技术版,2008;(39):64—67 5章为民,戴济群,王芳.高液限路基土改良设计方法研究.路 基工程,2006;(5):67—7O 6赵朝阳石灰改良高液限土试验研究.公路工程,2010;35(2): 70—_73 7雷剑,王朝辉,高志伟,等高速公路煤矸石路基包边土厚度分 析长安大学学报(自然科学版),2011;31(1):22—25 8 曾宪新,钟扬有.掺砂改良高液限土修筑路基技术研究.广东交 通职业技术学院学报,2005;4(1):13—15 9《公路土工试验规程》(JTG FAO--2007).北京:人民交通出版 社.2007 10《公路路基施工技术规范》(JTG F10--2006).北京:人民交通出 版社,2006 1l李书华.高液限土填筑及压实控制标准研究.南京:河海大 学,2009 (下转第10063页) 33期 杨存祥,等:基于Simulink的汽车电子节气门控制系统的建模与仿真 1oo63 Modeling and Simulation of Car Electronic Throttle Control System Based on Simulink YANG Cun—xiang,HE Kang,FENG Xue (College 0f Electric and Information Engineeri“g,Zhengzhou University。f Light Industry,Zhengzh0u 450002.P.R.China) [Abstract]The nonlinear influence。f electronic throttle is analyzed,and the mathematica1 m。del of electI0.nic throttle is deduced.The simulation m0del of the eontr01 system is established in matlab/simulin k.PID contm1 and reVersal c。ntrol are adopted t。realize the simu1ati。n。f electr。nic throttle.Simu1ati。n resuhs。f different c。ntm1 sys. tem which can proVide theoreti。guide for product devel。pment。f electronic throttle are c。mpared and analyzed. [Key words] electronic throttle nonlinear PID eontrol simulation 、 \ 、 p、 \ \ 、 、 、 、 \ 、 、 (上接第10058页) ) e Experimental Research on Mixing Sand Improvemented High Liquid Limit Soils of Expressway Embankment XU Fen—qiang ,GUO Xian kai (College of Architecture and CiVil Engineeri”g,Nanjing Institute of Technol。gy ,Nanjing 21 1 167,P.R.China Nanjing Exploration Engineering Co.,Ltd ,Nanjing 210007,P.R.China) [Abstract]The improvement experiment characteristic of blending diffelre.nt quantity 0f sand is I.esearched t0 ifne particles high liquid limit silt.According to plasticity index,CBR value,water content,the maximum dry densi— ty,alr rate and the grading of soil as the analysis parameters,by laboratory test,studying on project characteristic of controlling indices of the fluid plasticity index,for CBR value,moisture content,degIlee 0f compacti0n.Physics nature and change rule of mixing sand improvemented high liquid limit silt are analyzed and the 0ptimum pr(】porti0n of mixing sand are obtained. Key words]high liquid limit sih mixing sand improvemented s。il mix pr0p。rti。n