基于延遲時間的水泥改良土試驗研究及施工工藝優(yōu)化

張國然 張棟 曾帥 陳鋒 王仲錦

1.中鐵十七局集團有限公司，太原 030006；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

近年來水泥改良土鐵路路基工程數(shù)量有所提升，研究優(yōu)化施工工藝對于保障水泥改良土路基結構質量具有重要作用。在京沈客運專線星火動車所試車線水泥改良土路基結構試驗段的施工過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場水泥改良土不易達到壓實系數(shù)K≥0.95、7 d無側限抗壓強度大于等于1.5 MPa的設計要求。主要原因是現(xiàn)場水泥改良土從攪拌、平整到碾壓成型需3～4 h，與試驗室拌和后直接制樣不同，這一延遲時間造成壓實系數(shù)和無側限抗壓強度均略有降低。因此，在確定水泥改良土施工控制壓實系數(shù)和無側限抗壓強度時應考慮延遲時間的影響［1］。在合理的時間內完成拌和、平整、碾壓等過程才能保證改良土的質量。

1 工程概況

京沈客運專線星火動車所試車線改良土路基結構試驗段位于SIDK3+450—SIDK3+600，有砟軌道，共3段，三種結構，每區(qū)段長度50 m，基床結構由上至下依次為：級配碎石基床表層（厚度0.3 m）、化學改良土基床底層結構［2］，基床底層厚度分別為0.3、0.6、0.9 m。化學改良土采用水泥復合改良劑，其中P·O 42.5普通硅酸鹽水泥含量為填料質量的11%，中國鐵道科學研究院集團有限公司研發(fā)的新型復合改良劑摻量為水泥質量的3%［3-5］。改良土以下填筑C組細粒土（粉質黏土）填料，如圖1所示。

圖1 路基橫斷面示意

2 延遲時間對改良土壓實系數(shù)及強度的影響室內試驗

為保證試驗室和施工現(xiàn)場的一致性，采用京沈客運專線星火動車所試車線試驗段取土場的低液限粉黏土［6］，依據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》進行試驗。經(jīng)試驗得出，該試驗段的低液限粉黏土17 mm液限為27.3%，2 mm塑限為12.2%，塑性指數(shù)15.1。通過在無延遲的條件下改良土擊實試驗得出，改良土的最大干密度為1.99 g∕cm3，最優(yōu)含水率為10.7%。

2.1 延遲時間擊實試驗

施工過程中發(fā)現(xiàn)水泥改良土的壓實系數(shù)K不易達到設計值K≥0.95的要求。因此，參照TB 10102—2010中改良土擊實試驗方法，現(xiàn)場拌和之后立即取土，進行單個延遲時間擊實試驗［7］。經(jīng)酒精燃燒法測定含水率為10.23%，擊實試驗結果見表1。可知：延遲時間大于等于3 h后隨著延遲時間的增加，改良土的最大干密度和壓實系數(shù)逐漸降低。延遲時間為3 h時，與延遲時間1 h相比壓實系數(shù)降低1.04%，但仍大于0.95；延遲時間為4 h時，與延遲時間1 h相比壓實系數(shù)降低2.08%，此時壓實系數(shù)0.94已低于控制值0.95；延遲時間為6 h時壓實系數(shù)降低2.6%。

表1 改良土延遲時間擊實試驗結果

2.2 延遲時間無側限抗壓強度試驗

與延遲時間擊實試驗采用同樣的改良土填料，同步制作直徑50 mm、高度100 mm圓柱體試樣，于拌和后1 h開始，約15 min制作一個，共計制作試樣17個。改良土無側限抗壓強度隨延遲時間變化見圖2。

由圖2可知：隨著試樣延遲時間的增加，改良土的7 d無側限抗壓強度逐漸降低。延遲時間為2 h時，與延遲時間1 h相比強度損失約10%，3 h時強度損失約20%，5 h時強度損失約25%。

3 基于改良土延遲時間控制的施工工藝優(yōu)化

3.1 施工工藝

施工工藝主要流程為：攤鋪填料→復合改良劑攤鋪→改良土拌和→平整→碾壓→養(yǎng)護。

將填料從料場運至施工場地并攤鋪平整，攤鋪平整的過程中通過標高控制虛鋪厚度至35 cm左右；攤鋪完成后檢查填料含水量，并在攤鋪層頂端使用石灰粉劃分5 m×5 m的方格線。

以方格為單位，根據(jù)復合改良劑的用量、填料的密度、改良的厚度等參數(shù)，計算復合改良劑的用量。嚴格按計算量將復合改良劑均勻攤鋪在填料上，見圖3。攤鋪完復合改良劑后，采用挖掘機配套拌和斗對改良土進行拌和，見圖4。

采用平地機對路面做平整處理后碾壓，碾壓原則為先輕壓、靜壓（初壓），再重壓、振壓（復壓），后靜壓（終壓）整形。壓實質量檢測合格后，在路基表面采用土工布覆蓋，并灑水養(yǎng)護。

圖3 復合改良劑攤鋪

圖4 改良土拌和

3.2 施工延遲時間分析

由于壓實系數(shù)不達標，無側限抗壓強度損失大的問題，考慮采取以路面長50 m、寬20 m為一個施工單元。拌和斗拌和整個路面改良土填料約需2.0 h，平整每施工單元約需0.5 h，每個施工單元碾壓耗時約為1.0 h，整個過程耗時3.5 h。

結合延遲時間擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，控制施工過程中每道工序的施工時間和工序間的銜接。主要控制改良土拌和、平整、碾壓這三個工序總耗時，計入突發(fā)情況耗時，每單元時間不得超過3 h，最佳控制時間為2 h以內。

施工單元寬度變?yōu)槁访娴囊话耄?0 m時，拌和時間為1 h，平整時間為0.5 h，碾壓時間為0.5 h，從開始拌和至碾壓完成可將施工時間控制在2 h以內。

3.3 施工工藝優(yōu)化方案

經(jīng)室內試驗研究分析后，對施工工藝優(yōu)化，采用路面長50 m，寬10 m為一個施工單元的施工方案，即減為半幅路面施工，施工單元長度不變。采用此方案能有效控制改良土壓實系數(shù)大于等于0.95，提高無側限抗壓強度，保證了工程順利進行。

在無法改變施工單元大小的條件下，也可升級拌和設備，提高拌和工作效率，從而縮短拌和至碾壓成型用時。

4 結論

1）掌握了延遲時間對水泥改良土強度的影響規(guī)律。通過改變水泥改良土的延遲時間，對擊實干密度、7 d無側限抗壓強度進行試驗。延遲時間為3 h時的壓實系數(shù)與1 h相比降低1.04%，壓實系數(shù)仍大于0.95，延遲時間為4 h時的壓實系數(shù)與1 h相比降低2.08%，降為0.94；延遲時間在2 h以內時干密度和強度損失約10%，延遲時間為3 h時的強度與1 h相比損失約20%，延遲時間為5 h時的強度與1 h相比損失約25%。

2）確定改良土施工各環(huán)節(jié)的合理時間，結合延遲時間擊實試驗和無側限抗壓強度試驗結果，提出拌和、平整、碾壓等過程總耗時不得超過3 h，最佳控制時間為2 h以內。

3）為保證水泥改良土在合適的延遲時間內完成拌和至碾壓的施工，可通過縮小施工單元大小、增加或改良拌和施工設備來縮短延遲時間，保證改良土壓實系數(shù)大于等于0.95，有效提高無側限抗壓強度。鐵路工程中采用水泥改良土施工須注重室內外試驗之間的聯(lián)系，各工序緊密街接。