高速公路路基填料粉砂土改良研究

李聰

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司,湖南 長沙 410200)

我國粉砂土分布廣泛,由于粉砂土主要成分為粉砂顆粒,黏粒含量較少,具有保水性差、穩定性差等特點。若直接用于高速公路路基填筑,極可能引發路基失穩現象,且工程交付后,在汛期易受到環境水害影響,引發多種公路病害,影響路基穩定性、行車安全性。為提高粉砂土路段公路路基承載能力,減少土方外借和施工成本,需改良粉砂土填料性能。本文依托某高速公路工程,對該工程粉砂土改良工藝展開研究,對不同改良方案下的經改良后的粉砂土性能進行試驗分析,確定了石灰-粉煤灰改良方案,可為后期同類工程施工提供指導。

1 工程概況

某高速公路工程,工程勘察報告顯示,該公路施工范圍內,地表1.5m 以下,廣泛分布粉砂土層,土體成分以粉土、黏土和中、細砂為主,土層厚度7～8m,路基填方高度為1.2～9.0m,為提高填筑路基穩定性,擬改良挖方粉砂土,作為路基填筑填料,以減少土方外借和施工成本。

2 路基填料粉砂土性能

2.1 室內土工試驗結果

為提高試驗數據準確性和代表性,本次試驗土樣均采集自線路不同特征點；為提高土樣性能可比性,保證土質一致,采集深度均為地表1.5m 以下,試驗結果見表1。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 從表1 可知,土樣中粒徑小于0.075mm 的粉砂顆粒含量為95.17%,粒徑小于0.005mm 的黏粒含量為0.32%,土體中各個粒徑顆粒級配性較差；塑性指數為8.510,指數參數小于10,是典型的低液限土,當土體處于飽和狀態下時,易發生振動液化現象,導致路基失穩或失效。

2.2.2 土樣塑性指數8.510,環境水多以自由水形式存在,土體結合水能力不足；在環境水害作用下,路基填筑土體易因環境水害沖刷流失,影響路基密實度。

2.2.3 土體CBR 值為3.41%,基本滿足填筑要求,但土體彈性模量等指標過低,工程交付后,易造成路基沉降現象,引發公路病害。

3 粉砂土改良研究

3.1 項目概況

工程勘察報告顯示,該公路施工范圍內,地表1.5m 以下,廣泛分布粉砂土層,土體成分以粉土、黏土和中、細砂為主,土層厚度7～8m。為減少土方采購、運輸成本,保證路基填筑質量,擬對改良挖方粉砂土,作為填筑填料。現階段,主要有水泥和石灰改良兩種改良工藝,可有效提高粉砂土力學性能和土體穩定性。

3.2 水泥改良方案設計

3.2.1 水泥摻量設計

3.2.1.1 水泥改良是目前常用的粉砂土改良工藝之一,通過摻入一定量的水泥和水,提升土體水穩、溫穩、力學性能和承載能力。

3.2.1.2 本文設置了5 組水泥摻量不同的試驗方案,摻量分別為1%,1.5%,2%,3%,4%,并通過試驗分析不同產量的改良土性質,確定最佳水泥摻量。

3.2.2 試驗分析

3.2.2.1 擊實試驗結果見表2。

表2 小筒擊實試驗結果

3.2.2.2 從表2 可知：(1)經改良后的粉砂土,水泥摻量為1.0%時,最大干密度最小,最小值為1.71g/cm3,略低于原土體最大干密度；(2)水泥摻量為4.0%時,最優含水率最大,最大值為14.10%,小于原材料最優含水率。

3.2.2.3 抗壓回彈模量試驗結果見表3。

表3 抗壓回彈模量試驗結果

3.2.2.4 由表3 可知：(1)隨水泥摻量增加,改良粉砂土抗壓回彈模量隨之增加,水泥摻量為4.0%時,達到最大值,水泥摻量從1.5%增加至2%時,增幅最大；(2)隨養護期齡增長,改良粉砂土抗壓回彈模量隨之增加,在90 天時,達到最大值,在從7d 至28d 時,增幅最大。

3.2.2.5 CBR 試驗結果見表4。

表4 CBR 試驗結果

3.2.2.6 由表4 可知：(1)隨水泥摻量增加,改良粉砂土CBR值隨之近似線性增加；(2)水泥摻量為1%～1.5%時,改良土CBR值即可滿足93 區填筑要求。

3.3 石灰-粉煤灰改良

3.3.1 改良設計方案

3.3.1.1 結合相關文獻資料和工程實際,石灰-粉煤灰改良粉砂土的最佳石灰配合比為8%左右。

3.3.1.2 根據本工程粉砂土特性,設計三種改良方案：(1)方案1：石灰∶粉煤灰∶粉砂土=2∶4∶94；(2)方案2：石灰∶粉煤灰∶粉砂土=3∶6∶91；(3)方案3：石灰∶粉煤灰∶粉砂土=4∶8∶88。

3.3.2 試驗分析

3.3.2.1 對經三種改良方案改良的粉砂土進行壓縮試驗,結果見圖1。

3.3.2.2 由圖1 可知：(1)經石灰-粉煤灰工藝改良的粉砂土,孔隙比明顯減小；(2)方案3 效果最優,且經改良后不可壓縮性最為理想。

3.3.2.3 選定經方案3 改良的粉砂土,開展CBR 試驗,結果見圖2、3、4。

3.3.2.4 從圖2、3、4 可知：(1)CBR 均值為12.4%,大于8%,表明經該方案改良的粉砂土性能較好,可滿足使用要求；(2)最佳配比為石灰∶粉煤灰∶粉砂土=4∶8∶88。

3.3.3 現場檢驗結果

由于施工實踐無法達到實驗室中的理想條件,存在一定誤差及損耗情況,因此需對上述試驗所得最佳方案進行現場檢驗。對該公路某試驗路段檢驗發現,該路段路基具有較高穩定性,承載力較強,沉降量較小,進一步測定其壓實度、彎沉值等數據發現,測試指標均符合規范要求,表明該方案可行性良好,經該方案改良粉砂土,各項性能指標滿足填料技術要求,可用于路基填筑。

4 結論

本文結合某高速公路工程,對該工程范圍內粉砂土改良工藝展開研究,結論如下：

4.1 水泥改良工藝下,隨水泥摻量增加和養護期齡增長,改良土最大干密度、回彈模量、CBR 值隨之增加；水泥摻量為1%～1.5%時,改良土CBR 值即可滿足93 區填筑要求。

圖1 壓縮試驗結果

圖2 單位壓力與灌入量關系曲線圖(試件編號01)

圖3 單位壓力與灌入量關系曲線圖(試件編號02)

圖4 單位壓力與灌入量關系曲線圖(試件編號03)

4.2 石灰-粉煤灰改良工藝,可有效改善粉砂土孔隙率,最佳配比為石灰∶粉煤灰∶粉砂土=4∶8∶88,在該工藝配比下,改良土CBR 均值為12.4%,完全滿足填筑施工要求。

4.3 經現場檢驗,該路段路基具有較高穩定性,承載力較強,沉降量較小,進一步測定其壓實度、彎沉值等數據發現,測試指標均符合規范要求,表明經改良粉砂土,各項性能指標滿足填料技術要求,可用于路基填筑。