王继荣

（贵州顺康检测股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

目前，随着城市化进程及建筑行业的发展，软黏土给建筑业，尤其是在道路建设方面带来了巨大的挑战[1]。软土的特性是高压缩性、低抗剪强度和低渗透性。软土区道路施工存在的问题是地基承载力不足，施工后沉降过多以及开挖和路堤形成失稳，在这种地层中，通常硬层和基岩都很深，导致地基造价较高[2]。

为了解决这些问题，必须了解软黏土的工程特性。传统的地面处理方法，如软土置换；
通过插入预制垂直排水沟（PVD）和堆填来加快孔隙水消散和平台沉降；
通过安装石柱等来改变地下土壤的承载力。这些方法的应用受到技术可行性、空间、时间和施工成本的限制。尽早选择和应用最合适的地面改善技术不仅可以大大改善基础和土方结构的设计和性能，而且可以提高其成本效益。化学稳定方法具有提高土体强度、减少总沉降和差异沉降、缩短施工周期、降低施工成本等特点，这些特点可能影响其在软土地基上具体工程中的应用。该研究通过使用贵州省乌当至长顺高速公路PPP 项目施工过程中的软黏土创建纳米黏土并在软土研究中心使用软黏土创建的纳米黏土作为混合物进行实验室固化土壤测试，来解决这些不足。

此开发项目是在软黏土上建造的。该项目的土木工程组成部分包括全线房建工程、绿化环保境保护工程、机电工程的土建部分、交安等附属工程。由于缺乏适合基础设施和其他开发的土地，部分工程需要在软土上建设。该研究是在贵州省乌当至长顺地区进行的，该地区已知有丰富的软黏土。这种类型的软黏土可延伸到地下40m 的深度。研究表明，软土地区的道路经历了例如裂缝，较大的表面变形以及路面层和路基的结构变形等多种类型的破坏。为了避免和减少这些破坏，需要利用该种软黏土，以减少从其他地方运输土壤，并降低土壤运输对环境造成的破坏。软土的可塑性指数PI 越高，出现问题的可能性就越大。尤其是高塑性的黏土，当其水分含量增加时会膨胀。水分控制是收缩和膨胀黏土地基成功的最重要的单一因素。可以通过塑性指数定性地反映了土壤中黏土的百分含量和黏土矿物的活性。黏土矿物的含量越大，活性越高，其膨胀、蠕变和行为变化的潜力就越大。建筑研究机构表明，塑性指数超过35%的土体发生体积变化的潜力非常高。这些体积变化会引起地面运动，从而可能损坏建筑物。因此，为了防止这些问题，工程师必须在开始施工活动之前固化现有土壤，使土壤更适合作为道路路基和任何道路建设。

纳米颗粒作为一种新型添加剂，可有效地改善土体岩土性质，其在土壤改良方面的应用得到广泛的研究，但其在软黏土加固方面的研究却相对较少。因此本文从工程实际问题出发，研究纳米黏土对加州承载比（CBR）和软黏土渗透率的影响，研究结果以期为软黏土地基的工程建设提供指导。

1.1 土壤性质

土壤学家通过土壤中砂粒、粉粒和黏粒的含量来描述土壤类型，这被称为土壤质地。可以通过添加不同的物质来改变土壤质地。改变土壤质地有助于为植物提供生长所需的适宜条件。砂粒是土壤中最大的颗粒。粉土是粒径介于砂土和黏土之间的土颗粒。粉土质地光滑，呈粉末状，潮湿时，感觉光滑但不黏稠。黏粒是颗粒中最小的。黏土干燥时光滑，潮湿时黏稠。黏粒含量高的土壤称为重壤。黏土也含有大量的营养物质，但不能让空气和水很好地通过。粒径大小与土壤排水和养分固持能力有很大关系。

在软土地基上修建公路是世界许多地区公路建设中最常见的问题之一。通常的软土地基加固方法是将软土去除，换成强度更高的碎石材料。高昂的换填费用使得公路部门不得不对软土地基上公路建设的替代方法进行评估。

1.2 纳米黏土

纳米黏土的重要原料是蒙脱石，一种具有片状结构的二至一层状蒙脱石黏土矿物。每层厚度约为1nm，直径从10nm 到几微米，根据改性方法的不同，层间距在1nm 左右。由于其高长径比和良好的物理与热学性能，纳米黏土在阻隔性、阻燃性、热学和力学性能方面具有优异的改善潜力。

1.3 稳定性

稳定化是通过与土壤进行混合搅拌，改善土壤某些性质的过程。该过程可能包括将土壤混合以达到所需的级配或混合市售添加剂来改变级配、质地和可塑性，或作为黏结剂来固结土壤。

1.4 土壤分类

土的分类是根据土的可能工程特性对土进行系统分类的一种方法。土壤的分类是基于其颗粒分布，如果土壤是细粒的，则基于其可塑性（LL 和PL）。道路工程中应用最广泛的分类系统是统一土分类系统、AASHTO 分类和英国标准分类。土壤分类只应被视为获得土壤行为总体概念的一种手段，而绝不能替代土壤性质的详细调查。

1.5 土壤工程性质

土的工程性质分类是根据土作为基础材料或建筑材料的适宜性而发展起来的。土的工程性质作为土的工程行为的初步指导是非常重要的。因此，在任何重要的工程中，应结合土壤的用途进行工程土壤分类，因为不同的性质决定了在不同的情况下土壤的行为。许多学者对固化土的基本工程性质进行了试验研究，研究了低成本建造房屋和道路基础设施中，水泥窑灰和火山灰对混合水泥掺和土强度的影响。

1.6 道路施工

道路是由路基、底基层、基层和面层组成的多层结构。路基是土体的最上层，由天然或进口土组成，以支撑上覆土层传递的荷载。因此，底基层在将荷载传递到路基之前，起到了分散底基层荷载的作用。覆盖于底基层之上的基层对交通荷载的支撑和分散作用突出。面层由黏结层和磨耗层组成。黏结层起支撑、分散交通荷载和抵抗剪切的作用，而最上层(磨耗层)起抗磨损和防止打滑的作用。道路施工中的软土路基是世界上许多地区公路建设中经常遇到的问题之一。这些问题土无论是在施工中还是在路面使用寿命期间，都不具备足够的强度来支撑其承受上部荷载。通常的软土地基加固方法是将软土去除，用碎石等强度较高的材料代替。高昂的换填成本使得公路承包商不得不探索软基上公路建设的替代方法。因此，必须对这种土进行处理，为路面的施工提供稳定的路基或工作平台。实现这一目标的策略之一是土壤稳定化。土壤稳定化包括物理稳定化（如强夯法）和化学稳定化（如与水泥、粉煤灰、石灰混合等）。道路最重要的一层就是路基，当路基建立在固有的弱土中时，这种材料通常被移除，代之以更强的颗粒材料。

2.1 阿特伯格极限

阿特伯格极限是测定土的塑限和液限的室内试验。采用圆锥贯入仪试验测定纳米黏土的塑限和液限。得到纳米黏土的塑性和液限值，即可得到纳米黏土的塑性指数（PI）。

2.2 渗透性

渗透试验是测定渗透系数k 或水流通过土样的速率的室内试验。所采用的渗透试验类型为落头试验，因其适用于细粒土。本文采取了该方法，试验方法如图1所示。

2.3 加州承载比CBR

CBR 是评价道路路基和基层力学强度的渗透试验。试验采用如图1所示的设备，用标准面积的柱塞测量土样贯入所需的压力。CBR 等级是为衡量道路用土的承载能力而制定的。表面越硬，CBR 等级越高。

图1 渗透性和CBR 测试设备岩心切割机

本章对完成的试验测试得到的数据进行了分析和讨论。试验过程中，记录了土体的最大干密度、塑性指数、渗透系数k、CBR 值等原始数据。然后对它们的数据进行处理和分析，以确定使用膨润土和纳米黏土作为掺和料的土壤是否获得了更大的强度。

3.1 纳米黏土的最佳水分含量

由图2可知，纳米黏土（BPSC）的最优含水率（OMC）为16%，最大干密度为1.774Mg/m3。图中所示的击实曲线给出了纳米黏土在特定压实作用下，干密度与含水率的关系。

图2 纳米黏土的最佳水分含量图

3.2 不同外加剂掺量的渗透系数k

图3为不同比例的外加剂通过纳米黏土的渗透系数或渗透速率。由图3可知，渗透系数由外加剂比例的0%减小到外加剂比例的15%。表明随着外加剂比例的增加纳米黏土的水通过土样的渗透速率几乎呈线性减小。表1为0%、5%、10%和15%外加剂比例的渗透系数值。

图3 外加剂百分比与渗透系数的关系

表1 不同外加剂比例下的平均渗透系数值

3.3 不同外加剂比例对CBR 值的影响

通过加州承载比（CBR）试验评价纳米黏土的强度是否适用于道路路基的施工。试验通过用标准面积的柱塞测量穿透土样所需的压力来进行。CBR 等级是为了衡量道路用土的承载能力而制定的。图4为不同外加剂比例下纳米黏土的最大干密度对应的加州承载比。

表2给出了由图4解释的CBR 值。基于该值，表明CBR 值随着纳米黏土中外加剂比例的增加而增加。然后将这一结果与CBR 的总体评分表3进行比较。

图4 不同外加剂比例下纳米黏土的最大干密度对应的加州承载比

表2 不同外加剂比例下CBR 占95%干密度的百分比

表3 CBR 总体评分表

其一，膨润土和纳米黏土的增加减少了土壤混合物中的空隙。当土壤混合物中的空隙减少时，流经土壤的渗透系数也会降低，从而改善了土壤，适合用于道路路基。其二，当膨润土和纳米黏土的百分比增加时，土壤混合物的加州承载比值增加，从而增加了土壤混合物的强度。加州承载比的越高表明土壤的强度越好。其三，所采用的膨润土和纳米黏土是一种适宜的强化添加剂，可用于改善软土道路路基的质量。

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