風(fēng)化砂改良膨脹土路基施工關(guān)鍵問題探討

楊 俊，黎新春，張國棟，唐云偉，謝支鋼

（1．三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)作中心，土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002；2．宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北 宜昌443002；3．小鴉一級公路改建工程項(xiàng)目部，湖北 宜昌443002）

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊黏性土，在我國分布較廣泛。因其具有反復(fù)的吸水膨脹、失水收縮的特殊性質(zhì)，使得其在道路施工的過程中容易出現(xiàn)裂縫、流坍的情況，所以修建在膨脹土地區(qū)的鐵路、公路、橋梁及其它建筑物常常會遭受到強(qiáng)烈的變形破壞。當(dāng)前我國膨脹土地基或者膨脹土改良的試驗(yàn)性總結(jié)并不多見，對膨脹土地基和改良后填料的穩(wěn)定性及強(qiáng)度控制指標(biāo)、檢驗(yàn)方法等方面均缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)依據(jù)。因此在膨脹土地區(qū)路基施工的過程中有必要選擇代表性地段作為試驗(yàn)路段，進(jìn)行膨脹土路基現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)中各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的正確性。筆者旨在探討膨脹土路基改良方法和路基施工處理方案的關(guān)鍵性問題，提出滿足公路改建工程要求的改良方案；確定最終施工中膨脹土改良方案，提出相應(yīng)的基底處理、改良土拌和、壓實(shí)施工工藝以及路基填筑質(zhì)量檢驗(yàn)方法，確保路基的穩(wěn)定性和耐久性。

膨脹土路基在公路路基規(guī)范中被稱為特殊路基，其特殊性在于膨脹土在氣候性干濕循環(huán)作用下反復(fù)發(fā)生吸水膨脹、失水收縮等變形。膨脹土的脹縮特性受土體的初始狀態(tài)影響較大，一般認(rèn)為收縮量隨初始含水量的增大而增大，隨初始干密度的增大而減小；對于同一種土，其收縮變形主要與水分的散失量有關(guān)，含水率的變化是膨脹土路基的強(qiáng)度變化和變形產(chǎn)生的關(guān)鍵性因素。實(shí)踐表明，地下水位線的高低直接影響到路基填料的含水率，因此，在施工設(shè)計(jì)中，根據(jù)地下水位線的情況，采取相應(yīng)的處理措施，確保路基穩(wěn)定性和耐久性。

湖北省宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級公路沿線膨脹土分布廣泛，由于土地資源匱乏，周圍沒有其他可換填的材料，只能利用改良的膨脹土來填筑路基。結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)化砂分布較廣的實(shí)際情況，采用風(fēng)化砂對膨脹土進(jìn)行物理改良，通過改變原狀土中顆粒分布，增大膨脹土中粗顆粒的含量來增大膨脹土的強(qiáng)度性能，同時(shí)利用砂的摩阻力來抵消膨脹土的膨脹力，抑制膨脹土的膨脹，達(dá)到路基工程材料的標(biāo)準(zhǔn)。此舉不僅能夠充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造價(jià)，還能起到保護(hù)環(huán)境的作用。由于沿線地勢起伏，地下水位線分布情況不同，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘察報(bào)告，結(jié)合施工現(xiàn)場情況，對處于不同地下水位線的風(fēng)化砂改良膨脹土路基，提出了相應(yīng)的施工方案。

1 施工方案

小溪塔至鴉鵲嶺公路沿線膨脹土分布廣泛，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際勘察和取樣測試發(fā)現(xiàn)，沿線地下水位線隨著地勢的變化而發(fā)生變化，地下水位線較低的地段，膨脹土的天然含水率較低，黏性較小，具有一定的強(qiáng)度，如圖1所示；地下水位線較高的地段，膨脹土的天然含水率較高，呈淤泥狀，部分低洼地段表面有積水，黏性較大，基本上沒有承載力，如圖2所示。根據(jù)地下水位線的高低，課題研究小組提出了兩種風(fēng)化砂改良路基施工方案。

圖1 地下水位線低的地段

圖2 地下水位線高的地段

1．1 施工方案一

對于地下水位較低的路段，由于路基基底的膨脹土處于半飽水狀態(tài)，但具有一定的強(qiáng)度，強(qiáng)度較低，不適合大型機(jī)械進(jìn)場施工。因此在路基開挖之后，先攤鋪200cm的碎石，采用沖擊夯夯實(shí)，提高基底承載力；然后在碎石層上攤鋪20cm厚的黏土，整平找坡之后碾壓密實(shí)；然后在黏土層上鋪復(fù)合土工布防水（兩布一膜），其上再攤鋪100cm后摻風(fēng)化砂改良的膨脹土，施工比例（質(zhì)量比）為膨脹土∶風(fēng)化砂＝8∶2，分四層攤鋪碾壓密實(shí)，壓實(shí)度要求達(dá)到96%以上。在改良土層上再攤鋪20cm厚黏土，碾壓密實(shí)，起到封水作用。其上填鋪80cm厚炮渣，最后鋪筑72cm厚路面。為保證路基橫向排水，設(shè)置路基橫坡為4%，在路基右側(cè)挖方地帶，設(shè)置60cm×60cm的片石邊溝。

1．2 施工方案二

對于地下水位較高的路段，膨脹土天然含水率較高，處于飽和含水狀態(tài)，呈現(xiàn)為淤泥狀，基本上沒有承載力，為保證路基的穩(wěn)定性，先對路基基底采取打碎石強(qiáng)化處理，樁徑50cm，樁長10m，間距2m；然后再拋填100cm碎石，采用沖擊夯夯實(shí)；夯實(shí)之后在其上填20cm黏土，整平找坡之后碾壓密實(shí)，在其上鋪復(fù)合土工膜（兩布一膜），然后攤鋪100cm后摻風(fēng)化砂改良的膨脹土，比例（質(zhì)量比）為膨脹土∶風(fēng)化砂＝8∶2，分四層攤鋪碾壓密實(shí)，壓實(shí)度要求達(dá)到96%以上；然后在改良土上攤鋪80cm厚炮渣，其上再鋪筑72cm厚路面。為保證路基橫向排水，設(shè)置路基橫坡為4%。

2 路基基底強(qiáng)化處理施工工藝

當(dāng)?shù)鼗恋挠嘘P(guān)力學(xué)指標(biāo)不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，必須對基底部進(jìn)行強(qiáng)化改良處理。

風(fēng)化砂改良膨脹土路基基底拋石夯實(shí)分為主夯、副夯、滿夯兩遍三道工序，其中主、副夯點(diǎn)正方形布置間距均為5m，夯擊能2 500kN·m，主副夯完成后再進(jìn)行全幅滿夯，滿夯采用低能量 （為前兩遍能量的1／4～1／5），以達(dá)到加固前兩遍之間松動表層的作用。

基槽開挖完畢后，進(jìn)行拋填碎石，從路基邊線兩側(cè)同時(shí)向路基中線拋填碎石至200cm以上，拋填高度要考慮強(qiáng)夯夯沉量，碎石粒徑不大于40cm，材質(zhì)滿足相關(guān)要求；拋石寬度比路基寬度加寬50cm。在重錘夯擊施工前，應(yīng)進(jìn)行試夯，以便校核選定的夯錘重量和確定的落距，同時(shí)初步確定最后下沉量以及相應(yīng)的最小夯擊遍數(shù)和總夯實(shí)下沉量；根據(jù)測量放樣用白灰精確標(biāo)出第一遍夯擊點(diǎn)位置，并測量場地標(biāo)高，為確保夯實(shí)質(zhì)量，夯錘距離現(xiàn)況碎石上坡腳≤1m；將夯錘起吊到預(yù)定高度，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時(shí)，及時(shí)將坑底整平。夯擊時(shí)注意保持落錘平穩(wěn)，夯位準(zhǔn)確，當(dāng)夯錘氣孔被土堵塞時(shí)，及時(shí)進(jìn)行清理，以免影響夯擊效果。施工中，為防止吊車臂桿在較大仰角時(shí)因突然釋重而后傾，在臂桿頂端加了兩根鋼繩系在推土機(jī)上。

強(qiáng)夯質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)主要包括以下幾方面：

1）夯擊點(diǎn)檢測。強(qiáng)夯處理夯擊點(diǎn)布置應(yīng)滿足相關(guān)要求。

2）滿夯搭接檢測。低能量滿夯的搭接不得小于三分之一夯錘直徑。

3）中心偏移量檢測。強(qiáng)夯夯坑中心偏移的允許偏差應(yīng)不大于D／5（D為夯錘直徑）。

4）夯沉量檢測。強(qiáng)夯過程中施工質(zhì)量控制最后兩擊平均夯沉量不大于50mm，同時(shí)夯坑周圍不發(fā)生較大隆起、不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。

5）孔隙率檢測。用水袋法檢測碎石頂面和頂面下50cm處的孔隙率，所測孔隙率應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

6）地基承載力檢測。強(qiáng)夯施工結(jié)束后，進(jìn)行了現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)夯后地基承載力。

3 路基施工工藝

基底強(qiáng)化處理完成之后，進(jìn)行路基填筑。路基填筑包括3個(gè)階段，15流程。三階段包括：黏土墊層施工階段、土工布施工階段和風(fēng)化砂改良膨脹土填料填筑階段；每一個(gè)階段包括5個(gè)流程。具體的施工流程見圖3所示。

圖3 風(fēng)化砂改良膨脹土路基施工工藝流程圖

黏土墊層的施工采用自卸汽車取土，攤鋪采用機(jī)械攤鋪，人工配合機(jī)械整平找坡之后用壓路機(jī)碾壓密實(shí)平整，路拱及排水橫坡設(shè)計(jì)為4%，碾壓密實(shí)之后檢測簽證。

土工布的施工采用人工滾鋪，布面平整，并適當(dāng)預(yù)留變形余量；土工布采用全斷面整體攤鋪橫向熱風(fēng)焊接，橫向焊接寬度0．1m；鋪完后全斷面復(fù)查并及時(shí)用風(fēng)化砂改良的膨脹土覆蓋。

路基填料的施工采用路拌法施工工藝，膨脹土、風(fēng)化砂和碎石分層攤鋪之后采用機(jī)械拌合，拌合完成之后采用機(jī)械分層攤鋪，人工配合找平之后進(jìn)行碾壓密實(shí)。攤鋪整平由初平、整形、最終整平三道作業(yè)工序組成。碾壓時(shí)沿著路線縱向，自路基施工作業(yè)面兩側(cè)到中間逐幅延展，相鄰兩幅之間的壓路機(jī)壓痕搭接寬度為0．4m左右。同一填筑層改良膨脹土路基的碾壓作業(yè)必須在同一碾壓區(qū)段內(nèi)進(jìn)行，若正常碾壓困難時(shí)，可采用斜向進(jìn)退法碾壓。施工間歇要采取相應(yīng)的措施保證路基的銜接，如遇到氣候干燥，要采取保濕養(yǎng)護(hù)，防止出現(xiàn)干縮裂縫。

4 施工中控制要點(diǎn)

4．1 強(qiáng)夯質(zhì)量的控制

為保證強(qiáng)夯質(zhì)量，首先要注意排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工，減少水害；同時(shí)加強(qiáng)對路基沉降的觀測，一旦出現(xiàn)位移異常現(xiàn)象，須及時(shí)采用路基加固措施。其次開夯前檢測錘重和落距，以確保夯擊能符合要求；放線時(shí)保證軸線控制點(diǎn)和夯點(diǎn)位置在允許的誤差范圍之內(nèi)，軸線位置誤差不大于20mm，夯點(diǎn)位置誤差不大于150mm；放線完畢及時(shí)上報(bào)，經(jīng)校核后開始強(qiáng)夯施工；夯后要擊實(shí)檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差或漏夯及時(shí)糾正；若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時(shí)，及時(shí)將坑底填平后再夯；每夯擊一次（或者規(guī)定擊數(shù)）必須用水準(zhǔn)儀測量夯沉量后再起錘進(jìn)行下一次夯擊。

4．2 含水率控制

膨脹土粉碎拌和的過程中，受氣溫、粉碎拌和的影響，膨脹土、風(fēng)化砂和碎石混合料的含水率會降低，常需灑水重新拌和，既影響施工進(jìn)度，又增加生產(chǎn)成本，所以在破碎拌和前，應(yīng)按”稍高勿低’的原則控制膨脹土的含水率。施工時(shí)，拌和前填料含水率應(yīng)稍高于最佳含水率，一般控制在2%～4%范圍內(nèi)（根據(jù)風(fēng)化砂改良膨脹土試驗(yàn)段研究成果建議）。

4．3 顆粒細(xì)度控制

混合物顆粒粒徑越小，比表面積越大，風(fēng)化砂與膨脹土接觸越充分，其改良效果越好。公路路基規(guī)范中對破碎拌和后顆粒粒徑大小要求最大粒徑不能大于15mm，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和改良膨脹土路基試驗(yàn)段對拌和遍數(shù)與顆粒粒徑的對應(yīng)關(guān)系及顆粒粒徑控制標(biāo)準(zhǔn)研究，建議路拌法顆粒粒徑控制標(biāo)準(zhǔn)定為不大于40mm。

4．4 拌合的均勻性控制

摻風(fēng)化砂改良膨脹土，主要是改變膨脹土中粒徑分布情況，所以拌合的均勻程度對改良的效果影響很大。在路拌法中，拌合的均勻取決于合適的拌和遍數(shù)。攤鋪的均勻度是使整個(gè)拌和區(qū)風(fēng)化砂分布均勻的前提，因?yàn)槁钒璺ㄖ荒苁咕植康貐^(qū)的上土層拌和均勻，可通過在攤鋪前平整作業(yè)面，劃方格網(wǎng)進(jìn)行控制；而合適的拌和遍數(shù)是使整個(gè)拌和區(qū)填料分布均勻的保證，也是控制施工成本的主要因素之一。

4．5 土工布的施工

黏土墊層必須平整，無雜物，若有雜物，要先進(jìn)行清除。土工布采取人工滾鋪，滾鋪的時(shí)候采用逆行法，避免人在土工布上移動的時(shí)候?qū)ν凉げ荚斐蓳p壞。在鋪筑上層土工布的時(shí)候，應(yīng)采取必要的措施防止對下層土工布的破壞。為保證鋪筑質(zhì)量，在坡面上不允許有水平連接，焊接的最小寬度應(yīng)滿足不小于20mm。鋪筑完成之后應(yīng)進(jìn)行全面檢查，對于出現(xiàn)破損的地方應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)，經(jīng)過檢驗(yàn)合格之后立即用砂墊層覆蓋。

4．6 碾壓質(zhì)量的控制

為保證風(fēng)化砂改良膨脹土路基的壓實(shí)度要求（不小于96%），碾壓時(shí)應(yīng)進(jìn)行分層攤鋪分層碾壓，每層松鋪厚度不大于30cm。在碾壓之前，先進(jìn)行含水率檢測，若含水率不在施工允許的范圍之內(nèi)，應(yīng)根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行灑水晾曬，保證含水率在控制的范圍之內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場碾壓工藝試驗(yàn)結(jié)果，嚴(yán)格控制施工時(shí)碾壓機(jī)具的型號和碾壓參數(shù)，對于碾壓不到的相鄰區(qū)段，采用小型機(jī)具進(jìn)行夯實(shí)。

5 施工后沉降觀測

小溪塔至鴉鵲嶺一級公路全長31．32km，道路等級為公路一級，雙向四車道，寬24．5m，設(shè)計(jì)時(shí)速80km，膨脹土主要分布在K24＋650～K31＋320區(qū)間內(nèi)。為了掌握改良土路基在竣工后的沉降量大小、固結(jié)速度以及沉降規(guī)律，為評價(jià)風(fēng)化砂改良膨脹路基的可行性及驗(yàn)證施工方案的合理性提供依據(jù)，對小溪塔至鴉鵲嶺一級公路K24＋700～K24＋900段進(jìn)行為期12個(gè)星期的工后沉降觀測。

觀測采用精密電子水準(zhǔn)儀，觀測點(diǎn)布置為每隔50m取一個(gè)斷面，總共5個(gè)斷面，每個(gè)斷面取4個(gè)觀測點(diǎn)（觀測點(diǎn)編號依次為1－1，1－2，…，1－4；2－1，2－2，…，5－3，5－4）），距左、右路肩邊線1m處各1點(diǎn)，左、右行車道中心各1點(diǎn)，控制點(diǎn)和觀測點(diǎn)用膨脹螺絲打入水泥混凝土中，并統(tǒng)一用紅色油漆編號標(biāo)記。

采用每個(gè)星期觀測一次的頻率進(jìn)行沉降觀測，采用三等或四等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)作為沉降觀測的精度標(biāo)準(zhǔn)。為了減小誤差提高觀測精度，工后沉降觀測采取“五固定的原則，即：后視尺固定、測站位置固定、儀器固定、觀測人員固定、轉(zhuǎn)點(diǎn)固定。每周測觀測點(diǎn)高程一次，根據(jù)設(shè)計(jì)高程，計(jì)算每個(gè)星期觀測點(diǎn)的累計(jì)沉降量。沉降量觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

從為期3個(gè)月的沉降觀測結(jié)果可知：

1）小溪塔至鴉鵲嶺一級公路K24＋700～K24＋900段內(nèi)累計(jì)沉降量最大的點(diǎn)為4－2和5－2，最大累計(jì)沉降量為6．8mm；累計(jì)沉降量最小的點(diǎn)為4－1和5－4，最小累計(jì)沉降量為5．7mm；平均累計(jì)沉降量為6．2mm。滿足規(guī)范要求的工后沉降指標(biāo)要求。

2）小溪塔至鴉鵲嶺一級公路K24＋680～K24＋880段內(nèi)風(fēng)化砂改良膨脹土路基的最大沉降速率2．3mm／30d，最小沉降速率為1．9mm／30d，平均沉降速率為2．1mm／30d。

表1 沉降量觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3）同一段面內(nèi)距離路肩邊線處的累計(jì)沉降量要小于行車道中間點(diǎn)的沉降量，主要是與外部荷載作用的次數(shù)有關(guān)，同時(shí)也與壓實(shí)度、施工質(zhì)量有關(guān)。

4）不同斷面同一位置觀測點(diǎn)的沉降量基本上相差不大，個(gè)別點(diǎn)的沉降偏大可能與碾壓密實(shí)度、施工質(zhì)量有關(guān)。

5）風(fēng)化砂改良膨脹土路基累計(jì)沉降量隨著時(shí)間推移逐漸增大，累計(jì)沉降量增大的趨勢隨著時(shí)間變化逐漸變緩，最后趨于平穩(wěn)。在1－3之間，累計(jì)沉降量變化的趨勢最后最快，第3周之后，變化的趨勢逐漸變慢，第10周之后，變化趨于平穩(wěn)，沉降穩(wěn)定。

6 結(jié)論

1）通過對小溪塔至鴉鵲嶺一級改建公路風(fēng)化砂改良膨脹土路基連續(xù)3個(gè)月的工后沉降觀測，月平均沉降速率2．1mm，小于3mm，說明該施工段路基沉降基本穩(wěn)定。

2）通過對該段路基沉降量的分析可以知道，小溪塔至鴉鵲嶺一級公路K24＋700～K24＋900段路基的沉降量滿足路基施工規(guī)范的要求，說明風(fēng)化砂改良膨脹土路基施工方案是可行的。

3）風(fēng)化砂改良路基施工包括路基基底的強(qiáng)化處理以及路基的填筑壓實(shí)，在施工的過程中要注意控制含水率、壓實(shí)質(zhì)量以及拌合的均勻程度，對減小路基工后沉降均能起到一定的作用。

4）由于風(fēng)化砂具有一定的粒徑，與膨脹土拌和非常均勻。從該項(xiàng)目的應(yīng)用結(jié)果可以看出，該方法容易操作，效果良好，可以推廣應(yīng)用。

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