公路膨脹土路基石灰處治與分析

元 杰

（山西省公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心，山西 太原 030006）

0 引言

膨脹土顆粒分散，吸水后體積膨脹，失水后體積收縮開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)極其不穩(wěn)定，容易造成路基變形失穩(wěn)。膨脹土內(nèi)部含有大量的蒙脫石和伊利石等親水性礦物，很容易受到環(huán)境濕熱變化的影響[1]。近地表膨脹土不僅裂縫發(fā)育，對(duì)溫度變化也特別敏感。當(dāng)膨脹土用作路基填料時(shí)，膨脹土在反復(fù)變形作用下會(huì)產(chǎn)生很多裂隙，使路基土體強(qiáng)度大幅下降，進(jìn)而引發(fā)路基路面結(jié)構(gòu)變形破壞。對(duì)已建成的高速公路，在交通荷載和氣候變化的綜合作用下，膨脹土路基會(huì)產(chǎn)生較大變形，進(jìn)而產(chǎn)生凍脹、翻漿等病害[2]。本文針對(duì)聞垣高速公路膨脹土路基石灰處治施工實(shí)踐，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)膨脹土試驗(yàn)結(jié)果，確定了石灰最佳摻量和最佳含水率，確定了膨脹土初始含水率、路拌遍數(shù)、灰劑量，并采取措施對(duì)路基壓實(shí)度進(jìn)行了合理控制。本文石灰改性弱膨脹土路基處治方法可為類似工程提供技術(shù)支持。

1 工程概況

聞垣高速公路起點(diǎn)位于運(yùn)城市聞喜縣東鎮(zhèn)的西姚村，與大運(yùn)高速和聞合高速相連，終點(diǎn)位于垣曲縣蒲掌鄉(xiāng)王古垛村，與濟(jì)邵高速公路連接。聞垣高速公路全長(zhǎng)82.811 km，采用雙向四車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速80～100 km/h。路基設(shè)計(jì)寬度為24.5～26 m，采用汽車荷載公路-I級(jí)設(shè)計(jì)。公路行車道設(shè)計(jì)寬度3.75 m，特大橋設(shè)計(jì)洪水頻率1/300，其他橋梁為1/100。

聞垣高速公路沿線分布有弱、中等膨脹性的膨脹土，厚度不均勻。路基土樣顏色主要有黃褐色、灰白色、黃色、灰色、灰褐色等，土體內(nèi)夾雜有較粗的砂粒、碎石，吸水速度快，失水后呈泥巴狀，干燥時(shí)呈硬塊狀或鱗片狀，手摸有滑膩感，可塑性好。表層取樣土體硬度高，可塑性好，強(qiáng)度高，可用于填筑路基；下層取樣土體含水量高，壓縮性強(qiáng)，不能直接用于填筑路基。由于膨脹土液限和自由膨脹率均較高，容易產(chǎn)生較大變形，不能直接用于路基填筑。而大量廢棄又會(huì)造成借方量增加，不僅會(huì)增加工程造價(jià)，還會(huì)造成環(huán)境污染。因此，本項(xiàng)目施工過(guò)程中采用石灰改良處治膨脹土，并建立試驗(yàn)段，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)準(zhǔn)確確定施工參數(shù)。

2 路基膨脹土石灰處治方案

2.1 處治方案

膨脹土處治方案較多，包括石灰改性、三明治互層法、土工合成材料加固法[3]。石灰改性不僅可以改善膨脹土物理力學(xué)特性，還可以節(jié)約路基填筑材料，降低工程造價(jià)[4]。三明治互層法施工工序復(fù)雜，且控制不當(dāng)容易產(chǎn)生橡皮泥現(xiàn)象，降低壓實(shí)質(zhì)量。土工合成材料加固法施工工藝復(fù)雜，要耗費(fèi)大量材料，且存在運(yùn)輸困難問(wèn)題[5]。綜合分析后，本項(xiàng)目膨脹土采用石灰改性處治。

為了準(zhǔn)確確定膨脹土石灰改良處治施工參數(shù)，在施工現(xiàn)場(chǎng)鋪筑1 km試驗(yàn)段，試驗(yàn)段樁號(hào)K12+120—K13+120。在不同的施工路段進(jìn)行取樣，取樣深度1.0～6.0 m，并對(duì)土樣進(jìn)行編號(hào)，做好樁號(hào)、深度等信息的記錄。通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)判斷，膨脹程度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。綜合分析土樣自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率3個(gè)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果，確定該地區(qū)膨脹土為弱、中膨脹土，且膨脹性偏低，總體趨于弱膨脹土的特性，可進(jìn)行改良以滿足路基填料的要求。

表1 試驗(yàn)段土樣試驗(yàn)與判別結(jié)果

2.2 最佳摻灰量確定

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步確定膨脹土最佳摻灰量范圍為7%～9%。為準(zhǔn)確確定最佳石灰摻量，分別制作摻量為7%、8%、9%的試樣開(kāi)展CBR試驗(yàn)、壓實(shí)度試驗(yàn)、脹縮總率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。

表2 不同摻量改良土樣CBR試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果 %

表3 不同摻量路基頂面以下0～30 cm壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果 %

表4 不同摻量改良土樣漲縮總率試驗(yàn)結(jié)果 %

分析試驗(yàn)結(jié)果，3種石灰摻量試樣CBR值均高于80%，且相差不大。不同摻量路基頂面以下0～30 cm壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到了96%以上，漲縮總率檢測(cè)值也相近，為了防止石灰摻量過(guò)大產(chǎn)生縮裂，節(jié)約原材料，確定最佳石灰摻量為7%。

2.3 最佳含水率確定

按石灰摻量為7%制作試驗(yàn)，分別開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)包括擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)在含水率18%時(shí)達(dá)到最大干密度，而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到含水率在18%～20%之間時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，初步確定最佳含水率為19%。因此，由于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果不統(tǒng)一，需結(jié)合室外試驗(yàn)結(jié)果分析確定。選擇含水率為16%、17%、18%、19%、20%、21%制作土樣，石灰摻量為7%，開(kāi)展壓實(shí)度、CBR、漲縮總率試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 不同含水率試驗(yàn)結(jié)果匯總 %

分析表5數(shù)據(jù)，含水率在18%左右時(shí)，壓實(shí)度達(dá)到最大值，漲縮總率達(dá)到最小值。含水率在19%時(shí)，CBR值達(dá)到最大。綜合室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，確定最佳含水率為18%。

3 膨脹土石灰處治分析

3.1 膨脹土初始含水率控制

膨脹土的初始含水率對(duì)路基石灰處治效果影響較大，為合理確定初始含水率，在控制最佳摻灰量為7%的情況下，取不同含水率的膨脹土樣，對(duì)不同齡期土樣的變化情況進(jìn)行觀察，分析確定各土樣達(dá)到最佳含水率18%時(shí)所需要的時(shí)間，各初始含水率膨脹土樣隨齡期變化曲線如圖1所示。

圖1 各初始含水率膨脹土樣隨齡期變化曲線

分析圖1曲線變化情況，可以得出各初始含水率膨脹土樣摻入7%的生石灰后，隨著齡期的增長(zhǎng)含水率不斷下降，其中齡期18 h之前含水率下降速度相對(duì)較快，隨后含水率下降速度放緩。對(duì)初始含水率較高的膨脹土，應(yīng)加以晾曬，以減少養(yǎng)護(hù)天數(shù)。本項(xiàng)目膨脹土最佳含水量為18%，施工中取變化區(qū)間為±2%，分析變化曲線可以得出初始含水率為20%～24%的膨脹土在養(yǎng)生后快速達(dá)到16%～20%之間。在施工過(guò)程中，應(yīng)該從膨脹土初始含水率和養(yǎng)護(hù)齡期兩個(gè)方面控制，保證土體迅速達(dá)到最佳含水率附近。本項(xiàng)目膨脹土天然含水率為20.3%～31.6%之間，對(duì)20.3%～24%的土體，可直接摻入石灰進(jìn)行處治；對(duì)24%～31.6%的土體，應(yīng)先進(jìn)行晾曬，含水率降低到20.3%～24%后再拌入石灰進(jìn)行施工。

3.2 路拌遍數(shù)控制

采用石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行處治，改良后土體的抗剪強(qiáng)度、壓實(shí)度等技術(shù)參數(shù)受灰劑量的影響較大。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，由于受到機(jī)械設(shè)備、土層厚度、土樣和路拌遍數(shù)的影響，對(duì)摻灰量和均勻性會(huì)產(chǎn)生很大影響。本項(xiàng)目施工中采用EDTA滴定法檢測(cè)不同路拌次數(shù)時(shí)土樣灰劑量變化情況，分析檢測(cè)值的離散情況確定路拌遍數(shù)，不同拌和遍數(shù)下改良土樣的離散程度如圖2所示。

圖2 不同拌和遍數(shù)下改良土樣的離散程度

從圖2曲線變化情況，可以得出路拌遍數(shù)5遍以下時(shí)，灰劑量檢測(cè)EDTA溶液消耗量離散程度較大，說(shuō)明拌和均勻性較差。路拌遍數(shù)超過(guò)5遍后，灰劑量檢測(cè)值離散程度較小，說(shuō)明拌和較均勻。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，應(yīng)控制路拌遍數(shù)不少于5遍，并對(duì)灰劑量進(jìn)行抽檢，確保石灰拌和的均勻性。

3.3 路基壓實(shí)度控制

路基壓實(shí)度主要受含水率、灰劑量和碾壓遍數(shù)等因素影響，上述分析已確定改良土體最佳含水率和最佳灰劑量，本部分主要就碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)度的影響進(jìn)行分析。在充分結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)基本情況的前提下，本項(xiàng)目采用“一次摻灰”拌和法（即按灰劑量要求將全部的石灰一次添加后進(jìn)行拌和）確定路基碾壓遍數(shù)。為了準(zhǔn)確確定路基最優(yōu)碾壓遍數(shù)，對(duì)不同碾壓遍數(shù)路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，繪制壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 路基壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)變化曲線

圖4 路基不同碾壓遍數(shù)的平均壓實(shí)度變化曲線

分析圖3和圖4曲線變化情況可知，隨著碾壓遍數(shù)的增加，路基改良土體的壓實(shí)度不斷增加，碾壓遍數(shù)達(dá)到4遍以上后壓實(shí)度迅速提高，而碾壓遍數(shù)達(dá)到8遍時(shí)壓實(shí)度下降，出現(xiàn)了過(guò)振現(xiàn)象。碾壓5遍達(dá)到了路基93區(qū)壓實(shí)度的要求，碾壓6遍達(dá)到了路基94區(qū)壓實(shí)度的要求，碾壓7遍達(dá)到了95區(qū)壓實(shí)度的要求。

為了檢測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)路基改良土體的壓實(shí)度，采用灌砂法對(duì)路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。分析表6壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果，在規(guī)定碾壓遍數(shù)下，各測(cè)點(diǎn)平均壓實(shí)度均高于規(guī)范要求，施工質(zhì)量合格。

表6 路基改良土體壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合聞垣高速公路膨脹土路基處治實(shí)踐，通過(guò)試驗(yàn)確定膨脹土初始含水率、路拌遍數(shù)、灰劑量、壓實(shí)度等施工參數(shù)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

a）分析不同初始含水率的膨脹土隨齡期含水率變化情況，初始含水率為20%～24%的膨脹土在養(yǎng)生后快速達(dá)到16%～20%之間，本項(xiàng)目膨脹土含水率控制在20.3%～24%為宜。

b）通過(guò)對(duì)不同拌和遍數(shù)下灰劑量檢測(cè)EDTA溶液消耗量離散程度的分析，得出路拌遍數(shù)達(dá)到5遍以上離散程度較小，現(xiàn)場(chǎng)施工中路拌遍數(shù)應(yīng)控制在5遍以上。

c）分析路基壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)變化曲線，得出路基93區(qū)碾壓遍數(shù)5遍、94區(qū)碾壓遍數(shù)為6遍、95區(qū)碾壓遍數(shù)為7遍，并采用灌砂法對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，分析結(jié)果說(shuō)明在相應(yīng)碾壓遍數(shù)施工下路基壓實(shí)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。