0 引言

粉土作为一种分布广泛的不良路基填料，在我国新疆、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等地均有大面积分布。道路填筑时如果换填粉土，将产生高成本、长周期、重污染等多种工程问题。当前，科研人员对粉土的研究重点主要是针对粉土改良、粉土路基病害、粉土击实及压实特性、稳定性等方面开展研究，并取得了阶段性成果。秦雯^[1]研究了粉土的粒度分布分形特征；彭丽云^[2]等对黄河冲积粉土的吸力和强度特性进行了研究；武科^[3]、符策简^[4]通过击实、渗透、三轴试验分析了粉土的工程力学特性；边祥芹^[5]通过永久变形试验研究了偏应力、荷载作用时间、含水率等对永久变形的影响；徐东升^[6]揭示了黄河三角洲粉土路基病害的内因；尚新鸿^[7]、储诚富^[8]、朱志铎^[9]研究了粉土的砂砾、水泥、石灰等的改良配比方案。但是这些研究对象针对的主要是某一狭小区域粉土或某一单一性粉土，其数据来源单一、适用范围较小，不具有施工应用推广的宏观性和普遍性，且这些研究未针对粉土物理力学特点变化的内因进行深入探讨。同时，粉土分布又具有区域性，不同区域粉土需采用不同的施工工艺才能保证工程质量。因此，对粉土进行工程区域划分就具有十分重要的施工指导意义。

针对这些问题，本研究通过查阅大量相关文献进行数据统计，并依据粉土分布区的地形地貌特点分析其区域变化规律；通过分析粉土颗粒组成、液塑限与CBR、最大干密度、最佳含水率、线膨胀率的相关性，确定出影响粉土区域性质变化的内在决定因素；通过对比不同碾压工艺在不同粉土路基上的碾压效果，确定出适合于不同粉土路基的碾压工艺。

1 粉土区域变化规律 1.1 颗粒组成变化规律

基于不同地域粉土分布的地形地貌特点，通过相关文献的数据统计，选取各地形地貌粉土土样共140种进行分析。其中新疆土样15种、内蒙古土样36种、陕西土样32种、河南土样27种、山东土样30种。各区域粉土颗粒组成代表值见表 1。

根据各区域粉土颗粒组成统计代表值，按照从西向东的地理位置排列，得到粉土粒径组成变化规律见图 1。

从图 1可知，随着区域位置的变化，粉土粒径组成发生了明显改变：

(1) 就整体变化趋势而言，当粉土区域由西向东变化时，粉粒含量逐步增多，由8.8%增加到96.8%；砂粒含量逐步减少，由87.9%降低到0；黏粒含量较为稳定，基本保持在10%以下。

(2) 在局部区域(如河南黄河沿岸、内蒙古西部)出现了与整体变化趋势不同的现象。

河南黄河沿岸砂粒含量偏高是由于黄河中携带大量泥沙沉积造成的。内蒙古西部处于巴丹吉林沙漠地区，在风力携带作用下粉粒向东部转移，因此砂粒含量偏高。这也说明粉土粒径组成在特定的地形地貌环境中会出现和大趋势不同的变化规律，因此粉土颗粒组成还需要结合当地的地理环境进行具体分析。

1.2 液塑限变化规律

同样按照1.1的统计方法，搜集北方地区粉土的液塑限数据，整理得到各地域的粉土液塑限范围及代表值，见表 2。

根据各地域粉土液塑限统计代表值，按照从西向东的地理位置排列，得到粉土液塑限变化规律见图 2。从图 2可知，随着区域位置的变化，粉土液塑限值发生了明显改变：

(1) 就整体变化趋势而言，当粉土分布区域由西向东变化时，液限值和塑限值逐渐增大，液限值由22.4%提高到31.6%；塑限值由15.4%提高到21.6%；而塑性指数基本在10左右波动。

(2) 个别区域(如内蒙古西部、河南黄河沿岸)的液塑限变化规律与总趋势不同。而该区域内的粉土颗粒组成恰好出现异常变化。

2 粉土物理力学指标影响因素分析

由于粉土中黏粒含量较为稳定，颗粒组成变化主要是在粉粒和砂粒之间进行，而界限含水率主要是液限和塑限在变化，因此，选用粉粒含量、液限作为粉土物理力学指标影响因素进行分析。

2.1 试验统计数据

统计得到不同地区、不同粉粒含量粉土的基本物理力学参数，见表 3。

2.2 液塑限对粉土力学性能的影响

(1) 液塑限对最大干密度、最佳含水率的影响

从图 3～图 6中可知：

① 液限与最大干密度、最佳含水率的相关性较好。其中液限与最大干密度呈线性负相关，相关关系式为ρ_dmax=-0.02ω_L+2.37，R²=0.66；液限与最佳含水率呈线性正相关，相关关系式为ω_op=0.43ω_L+1.04，R²=0.65。液限值每增大5%，粉土的最大干密度就降低0.1 g/cm³，最佳含水率增大2%。

② 塑性指数与最大干密度、最佳含水率的相关系数很低，基本无相关性。

(2) 液塑限对CBR、线膨胀率的影响

从图 7～图 10中可知：

① 液限与CBR、线膨胀率的相关性较好。其中液限与CBR呈线性负相关，相关关系式为CBR=-1.41ω_L+46.12，R²=0.61；液限与线膨胀率呈线性正相关，相关关系式为Y_线膨胀率=0.28ω_L-5.17，R²=0.81。液限值每增大5%，粉土的CBR降低10%，线膨胀率增大1.5%。

② 塑性指数与CBR、线膨胀率的相关系数很低，基本无相关关系。

2.3 粉粒含量对粉土力学性能的影响

(1) 粉粒含量对最大干密度、最佳含水率的影响

从图 11、图 12中可知：

① 随着粉粒含量的增大，最大干密度呈现出先增大后减小的抛物线变化规律，二者的相关关系式为ρ_dmax=-0.000 1X_粉粒含量²+0.01X_粉粒含量+1.57，R²=0.81，相关性良好。

② 随着粉粒含量的增大，最佳含水率呈现出先减小后增大的抛物线变化规律，二者的相关关系式为ω_op=0.001 6X_粉粒含量²-0.15X_粉粒含量+13.95，R²=0.71，相关性良好。

(2) 粉粒含量对CBR、线膨胀率的影响

从图 13、图 14中可知：

① 随着粉粒含量的增大，CBR值呈先增大后减小的抛物线变化规律，二者的相关关系式为CBR=-0.007 3X_粉粒含量²+0.78X_粉粒含量-5.74，R²=0.75，相关性良好。当粉粒含量在60%左右时，粉土的CBR值最大。

② 粉粒含量与线膨胀率呈指数关系增长，相关关系式为Y_线膨胀率=0.52e^{0.02X_粉粒含量}，R²=0.75，相关性良好。这说明粉粒含量越多，粉土的线膨胀率越大。粉粒含量每增加10%，粉土的线膨胀率约增加0.7%。

2.4 粉粒含量对液塑限的影响

从2.1和2.2的研究中发现，粉土粉粒含量变化的区域，其液塑限值同样也发生变化。二者的相关关系见图 15～图 17。

从图 15～图 17中可知：

① 粉粒含量与液限值的相关性较好，而与塑限、塑性指数的相关性较差。其中液限和粉粒含量的相关关系式为ω_L =0.13X_粉粒含量+16.37，R²=0.61。

② 塑性指数与土中的黏粒含量有关，黏粒含量越多，土的可塑性就越大，塑性指数也就越高，而由于粉土中的黏粒含量很少且较为稳定，因此塑性指数与粉粒含量的相关性较差。

3 粉土路基施工工艺 3.1 光轮+振动碾压工艺

(1) 含砂低液限粉土碾压效果对比分析

光轮+振动碾压工艺在新河、太长、河北衡大3条高速公路含砂低液限粉土路基压实中得到应用^[10-12]，具体的碾压工艺及效果评价见表 4。

通过光轮+振动碾压工艺在含砂低液限粉土路基中的碾压效果对比，可知：

① 各碾压组合虽然稍有差异，但总体的碾压方法为静压→低频强振→高频弱振→静压。这也与相关文献研究所得的粉土自振频率变化规律相同。

② 推荐的碾压机械为18 t三轮光轮压路机、20 t振动压路机。

③ 含砂低液限粉土的保水性差，根据3个试验路的现场施工经验，建议将大面积施工改为区域施工，先轻压整型封水，之后再振动碾压成型。

④ 对于含砂低液限粉土，推荐的碾压工艺为静压1遍→低频强振2遍→高频弱振3遍→三轮压路机一档2遍、二档1遍→静压1遍。

(2) 粉土质砂碾压效果对比分析

光轮+振动碾压工艺在忻保、菏泽、齐秦3条高速公路粉土质砂路基压实中得到应用^[13-15]，具体的碾压工艺及效果评价见表 5。

通过光轮+振动碾压工艺在粉土质砂路基中的碾压效果对比，可知：

① 当采用强振工艺时，粉土质砂路基压实度可达到94%，96%，如菏泽、齐秦公路。而当采用强振、弱振变频工艺碾压时，即使最后增加静压遍数，压实度仍然仅为90%，如忻保高速。当强振若干遍后，粉土质砂表层会出现振散现象，此时可通过静压对振散层进行补压。因此，对于粉土质砂，适合采用静压→强振→静压的压实工艺。

② 适合粉土质砂的碾压机械为20 t以上的振动压路机和18 t胶轮压路机。当振动压路机吨位较小时，不论如何改变松铺厚度、增加碾压遍数，都不能有效提高粉土质砂的压实度，因此推荐的振动碾压机械为20 t振动压路机。18 t胶轮压路机通过静压可以有效消除强振过后的粉土质砂表层松散现象。

③ 对于粉土质砂路基，现场一般洒水至表层从外观看不液化、不松散即可。

④ 对于粉土质砂，推荐碾压工艺为静压1遍→强振6～8遍→静压1～2遍。

(3) 低液限粉土碾压效果对比分析

光轮+振动碾压工艺在朔州环城高速、济南机场高速低液限粉土路基压实中得到应用^[16]，具体的碾压工艺及效果评价见表 6。

通过光轮+振动碾压工艺在低液限粉土路基中的碾压效果对比，可知：

① 不论是提高压路机吨位，还是增加碾压遍数，低液限粉土的压实度最大只能达到93%，压实度较小。

② 光轮+振动碾压工艺不适合碾压低液限粉土。

3.2 冲击碾压工艺

冲击碾压工艺在滨德、平阿、高邢3条高速公路中的低液限粉土路基得到应用^[17-19]，具体的碾压工艺及效果评价见表 7。

通过冲击碾压工艺在低液限粉土路基中的碾压效果对比，可知：

(1) 冲击碾压工艺通过合理的松铺厚度、足够的冲压遍数可以使低液限粉土满足路基压实要求。

(2) 低液限粉土的最佳松铺厚度为80 cm，冲压遍数为30遍。

(3) 滨德高速松铺80 cm低液限粉土，冲压遍数小于20遍时，沉降量较大，超过30遍之后趋于稳定。平阿高速需冲压40遍时沉降量才趋于稳定。滨德、高邢高速冲击碾压结束时，表层15 cm土层松散，可通过重型压路机静压补强。

(4) 通过滨德高速低液限粉土冲压过程中的含水率变化可知，在冲压20遍之前，低液限粉土失水较大为2%。当超过20遍之后，含水率损失变小，仅为0.5%。因此，当使用冲击压路机碾压低液限粉土时，在冲压前期应及时补充洒水，冲压20遍之后可停止洒水。

(5) 冲击碾压结束时，表层15 cm土层松散，可通过重型压路机静压补强。

3.3 不同粉土推荐的施工工艺

(1) 光轮+振动碾压工艺

通过新河、太长、邯临、忻保、菏泽、齐秦、朔州环城高速、济南机场高速8条高速公路、3种粉土类别的碾压效果对比分析可知，光轮+振动碾压机械适合的碾压粉土为含砂低液限粉土、粉土质砂，不适合碾压低液限粉土。推荐的光轮+振动碾压工艺为：

① 对于含砂低液限粉土，推荐碾压工艺为静压1遍→低频强振2遍→高频弱振3遍→三轮压路机一档2遍、二档1遍→静压1遍。碾压机械推荐18 t三轮光轮压路机、20 t振动压路机。

② 对于粉土质砂，推荐碾压工艺为静压1遍→强振6～8遍→静压1～2遍，碾压机械需采用20 t以上的振动压路机和18 t胶轮压路机。

(2) 冲击碾压施工工艺

通过对比滨德、平阿、高邢3条高速公路低液限粉土路基的冲击碾压效果可知，冲击碾压工艺较为适合低液限粉土，其推荐的冲击碾压工艺为：

① 冲击碾压工艺可使低液限粉土压实度达到96%，其最佳松铺厚度为80 cm，冲压遍数为30遍。

② 冲压30遍后沉降量仍然未稳定在1 cm左右时，可继续增加冲压遍数，直至稳定。冲击碾压结束时，表层15 cm松散土层可通过重型压路机静压补强。

③ 冲压初期应及时对低液限粉土补充洒水，冲压20遍之后方可停止。

4 结论

本研究通过研究粉土区域变化规律和不同物理指标对粉土力学性能的影响，得到了以下主要结论：

(1) 揭示了北方粉土分布区域的变化规律，当粉土由西向东变化时，粉粒含量由8.8%增加到96.8%，砂粒含量由87.9%降低到0，黏粒含量稳定在10%以下，液限值由22.4%提高到31.6%，塑限值由15.4%提高到21.6%，而塑性指数基本在10左右波动。局部区域受地形地貌影响，粉土颗粒组成、液塑限值发生突变。

(2) 通过研究粉粒含量、液塑限值与粉土最大干密度、最佳含水率、CBR、线膨胀率等参数的相关性，揭示了粉土各物理力学指标变化的内在本质是粉粒含量的变化。

(3) 含砂低液限粉土推荐的碾压工艺为静压1遍→低频强振2遍→高频弱振3遍→三轮压路机一档2遍、二档1遍→静压1遍。碾压机械推荐18 t三轮光轮压路机、20 t振动压路机。

(4) 粉土质砂推荐的碾压工艺为静压1遍→强振6～8遍→静压1～2遍，碾压机械需采用20 t以上的振动压路机和18 t胶轮压路机。

(5) 低液限粉土推荐的碾压工艺为冲击碾压+重型压路机静压补强，最佳松铺厚度为80 cm，冲压遍数为30遍。