“石灰+ 固化劑”復合改良膨脹土邊坡回填施工技術

張洋

（安徽省公路橋梁工程有限公司,安徽 合肥 230031）

1 背景介紹

膨脹土是一種遇水膨脹、失水收縮,并能反復脹縮變形的特殊黏性土,其主要由強親水性黏土礦物成分如蒙脫石和伊利石等組成,具有較強的脹縮特性和裂隙性。膨脹土的反復脹縮變形特性會對公路工程造成嚴重的破壞,常常會使公路路基產(chǎn)生路基沉降開裂、唧漿冒泥、邊坡滑塌等病害,甚至導致嚴重的工程質(zhì)量事故。

針對膨脹土在工程應用中面臨的問題,當前主要解決方法為對膨脹土進行外加劑改良,以此消除膨脹土的脹縮特性。外加劑種類多樣,傳統(tǒng)改性方案主要包括摻石灰、水泥、粉煤灰等改性方式,工程實際應用中較為普遍的是水泥及石灰兩種改性方式。較為新型的改性方式中,國外研究以循環(huán)利用為原則,主要有有機物殘渣,無機物廢料（玻璃）,纖維等[8-10],國內(nèi)主要有摻固化劑、環(huán)氧樹脂、纖維以及復合摻料改性等方式。外加劑的改良機理主要分為物理改良、化學改良、生物改良等類型[1]。本文中采取“石灰+固化劑”復合改良方式,其中石灰改良主要通過石灰與土均勻拌合,石灰中有效物質(zhì)與土中水,空氣中CO2,發(fā)生了離子交換,凝膠反應等反應,使土體的膨脹土分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低,黏聚力提高[2]。無機類固化劑與土壤中的水分發(fā)生反應,生成水化硅酸鈣、水化硫酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠成分,生成的膠凝成分一部分硬化形成骨架,一部分將土壤顆粒膠結并堵塞土壤的細微孔道結構,使得改良土的結構變得更加穩(wěn)定密實[3]。

當前關于改良膨脹土施工技術的研究主要集中于石灰改良膨脹土的路基施工技術,主要包括施工工藝流程和質(zhì)量控制措施兩方面。石灰改良膨脹土路基施工工藝主要包括施工準備、膨脹土改良拌合、填筑與壓實等環(huán)節(jié),質(zhì)量控制包括石灰消解、膨脹土沙化控制、壓實度檢測等[4]。對于改良膨脹土邊坡的防護主要根據(jù)路基形式和高度,選取植草防護、骨架防護、支擋結構、賓格網(wǎng)以及以上方式結合防護等方式[5]。一種由鋰渣、堿改性得到的改良膨脹土經(jīng)工程應用驗證了該種改良方式可有效減弱膨脹性,消除干濕循環(huán)帶來的裂隙,提高水穩(wěn)定性,并可滿足工程所需強度要求[6]。

2 工程概況

本文以引江濟淮工程新橋大道橋梁建設項目為例,該建設項目主橋兩端土層中存在的一定厚度的膨脹土,其脹縮總率試驗結果為4.89%,顯示為中膨脹性,承臺開挖后若直接利用原土料進行邊坡回填利用會產(chǎn)生滑坡,坍塌等病害。

為使開挖出的膨脹土能夠加以利用,成立課題對膨脹土改良開展了一系列試驗研究。試驗結果驗證了“石灰+固化劑”復合改良方案對消除土樣膨脹潛勢的優(yōu)越性,并得到了最佳摻量比。本文在課題試驗研究成果基礎之上,主要對“石灰+固化劑”改良膨脹土施工工藝和質(zhì)量控制要點進行了闡述,見圖1。

圖1 邊坡回填示意圖

3 改良膨脹土施工技術

綜合當前改良膨脹土施工技術相關研究,結合工程實際情況,本文對“石灰+固化劑”復合改良膨脹土的邊坡回填技術進行了探究,并從原材料與室內(nèi)試驗、土料開挖運輸及破碎、復合外加劑改性拌合、改性料攤鋪及碾壓及土工格柵施工五個方面進行了闡述,見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

3.1 原材料與室內(nèi)試驗

在使用生石灰與固化劑進行改良膨脹土施工之前,應先進行現(xiàn)場取樣并開展室內(nèi)試驗。本文中選取的石灰為有效含量（GaO 和MgO）87%以上的Ⅰ級鈣質(zhì)生石灰,固化劑選用的是以二氧化硅和氧化鈉為主要成分的無機類固化劑。

首先針對膨脹土素土開展一系列基本土工試驗,得到土粒比重、液塑限、塑性指數(shù)、最大干密度、最優(yōu)含水率、脹縮總率等參數(shù)。膨脹潛勢的評價指標主要有自由膨脹率和脹縮總率[7]兩種,由于自由膨脹率是表征土顆粒（粒徑0.5mm 以下）的膨脹性,而脹縮總率是表征標準擊實功狀態(tài)下土樣的膨脹潛勢,更符合回填利用時土體實際受力狀態(tài),故本文采取脹縮總率作為評價指標。經(jīng)50kPa 有荷膨脹試驗和收縮試驗,得到素土脹縮總率為4.89%,根據(jù)路基設計規(guī)范判定為中膨脹土,素土的試驗數(shù)據(jù)如圖3 和表1 所示。

表1 原膨脹土基本性質(zhì)

圖3 素土擊實試驗

在進行復合改良時,控制石灰摻量為4%,設置固化劑摻量分別為0.15%、0.2%、0.25%和0.3%。按照相關試驗規(guī)程,進行石灰與固化劑復摻改性試驗后,以壓樣法進行制樣,開展50kPa 有荷膨脹試驗及收縮試驗。試驗數(shù)據(jù)如圖3 所示,當摻量為4%石灰+0.15%固化劑時,脹縮總率為0.69%,屬于非膨脹土。選取4%石灰+0.15%固化劑復合改良土進行施工,對改良土進行擊實試驗,確定其最佳含水率和最大干密度,復合改良土相關試驗數(shù)據(jù)見圖4、圖5、圖6、圖7 以及表2。

表2 改良土相關性質(zhì)

圖4 改良土擊實試驗

圖5 有荷膨脹試驗

圖6 收縮試驗

圖7 脹縮總率

3.2 土料開挖運輸及破碎

膨脹土在開挖、運輸及堆放過程中需注意和其他非膨脹土進行區(qū)分,避免膨脹土與其他土混雜。開挖后的膨脹土堆放時,提前清理整平場地,劃分單元網(wǎng)格進行放置。由于該項目膨脹土初始含水率較高,故在改性前,需經(jīng)一次初步破碎、翻曬工序,該工序?qū)崿F(xiàn)方法為在堆土場卸土后,用挖機將土體初步破碎并均勻堆放。這樣一能盡快降低含水率以便后續(xù)進一步破碎,為改性拌合做準備；二能將膨脹土的大塊土體在含水率較高時進行破碎,便于二次破碎時提高效率,且晾曬后土料含水率分布更均勻,有利于提升改良效果。

3.3“石灰+固化劑”改性拌合

本文所采取的石灰為有效含量（GaO 和MgO）87%以上的Ⅰ級鈣質(zhì)生石灰,固化劑選取的是以二氧化硅和氧化鈉為主要成分的無機類固化劑。當膨脹土晾曬后含水率下降到一定程度時,開始進行改性拌合。石灰+固化劑改性土的拌合過程主要分為兩個步驟。一是現(xiàn)將生石灰和膨脹土在不加水的條件下進行初步拌合,使膨脹土破碎更徹底且石灰分布均勻。二是將計算好量的固化劑與水混合均勻,將混合溶液用專用的噴灑設備均勻的噴灑在石灰膨脹土表面,一邊噴灑混合液,一邊通過路拌機械進行拌合。

3.4 改性土料攤鋪及碾壓

攤鋪碾壓前應建立試驗段獲得松鋪厚度、施工含水率、壓實度、壓實機械參數(shù)等施工指標。通常控制松鋪厚度25～30cm,壓實度不小于95%,含水率為最佳含水率±2%。攤鋪前應對路基邊坡進行挖臺階以保證填料與老路基之間的銜接效果,臺階寬度1～2m,壓實機械主要采用振動壓路機,碾壓前應對含水量和松鋪厚度進行檢查,滿足要求后方可進行碾壓。碾壓過程中直線段按照由兩邊向中間,曲線段按照由內(nèi)側(cè)向外側(cè)的順序進行縱向進退式碾壓。每一層碾壓完成后必須進行壓實度檢測,合格后方可進行下一輪的攤鋪和碾壓。

3.5 土工格柵施工

土工格柵材料進場前應經(jīng)檢測機構質(zhì)檢合格后方可投入使用。土工格柵鋪設前應對下層填料進行平整,碾壓,并使壓實度和平整度滿足設計要求。土工格柵按每隔30～40cm 厚度向上鋪設一層,縱向搭接長度不宜小于30cm,橫向搭接長度控制在50～70cm,邊坡處宜內(nèi)縮10cm。鋪設時應張拉平順令格柵緊貼下承層,鋪設方向與道路中線相垂直,且格柵不得裸露于坡面外。

4 施工質(zhì)量控制

原膨脹土經(jīng)一次初步破碎及翻曬后,當含水率降到10%以下時進行二次破碎。二次破碎需采取專用液壓碎土機進行破碎,并對破碎土粒進行篩分和級配檢測,合格后方可投入下一步使用。破碎后的土顆粒最大粒徑不超過50mm,且粒徑為5～50mm 的顆粒含量應小于50%[8]。施工拌合前對膨脹土的初始含水率進行測定,考慮第一步拌合中石灰摻量,控制施工含水率為實驗室最優(yōu)含水率±2%進行計算加水量。碾壓完畢后,根據(jù)相關質(zhì)量控制標準對邊坡的壓實度進行取樣檢測,取樣數(shù)為每200 米取4 個點。土工格柵的搭接距離等指標進行2%取樣率進行檢測。直到上述各項指標滿足設計要求后,才可進行下一層的攤鋪碾壓施工。

5 結論

本文介紹了當前膨脹土改良的主要方法、石灰與固化劑對膨脹土的改性機理以及當前改良膨脹土的相關施工技術。通過試驗得到了素土及改良土的相關性能,并給出了“石灰+固化劑”改良的最佳復合摻量。基于復合改性方案,提出了“石灰+固化劑”改良膨脹土的邊坡回填施工工藝和質(zhì)量控制要點。目前,本文所依托項目的改良膨脹土邊坡施工已經(jīng)順利完成。通過檢查邊坡位移及路基其他各項技術指標,發(fā)現(xiàn)均滿足施工技術要求,成功表明該施工技術合理可行性,可為類型工程案例提供一定的參考價值。