低液限粉土質砂水泥土在路床填筑工程中的應用

劉 芳， 楊 小 艷

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

津石高速項目八分部所承擔的工程主線長度為46.9 km，分布在博野縣、安國市及定州市境內，采用雙向六車道高速公路標準建設，為整體式路基橫斷面，設計速度為120 km/h，路基寬33.5 m。主線土方填筑方量為1 010萬m3，設計圖紙要求1.2 m的路床采用水泥土填筑，其中0.9 m的下路床采用3%的水泥土填筑，0.3 m的上路床采用5%的水泥土填筑，填筑方量約為190萬m3。

鑒于津石高速公路項目主線路基周邊可利用的土場較少，可利用的土料有效開采深度僅為1～1.5 m，沿線土料場40%左右的料源為低液限粉土質砂，而將其作為普通路基填料按相關規范要求不能滿足強度和壓實要求，壓實度合格率較低。這是因為低液限粉土質砂中的砂粒和粉粒含量高、粒徑比較均勻、黏土顆粒含量少而導致其土質疏松、強度低、級配差、塑性指數低、抗剪強度低、水穩定性差。在實際工程應用過程中，若直接采用此類低液限粉土質砂作為路基填土，常常會發生路基沉陷、變形、路面開裂等危害，嚴重影響道路的使用年限，并且會大大增加道路后續的維修保養費用。為解決這一問題，項目部開展了對低液限粉土質砂水泥土在路床填筑工程中的應用研究。

2 原材料檢測及配合比設計

2.1 土質分析

按照《公路土工試驗規程》JTG3430-2020在土料場取代表性土樣進行試驗，包括液限、塑限、天然含水率及顆粒分析試驗[1]。由試驗結果可知：粉土質砂顆粒級配中的細砂含量占72.4%，粉粒含量占27.6%,其中沒有黏粒含量。粉土質砂檢測結果見表1。

粉土質砂屬不良路基用土，含砂量較大，黏粒含量極少，保水性極差，晴天揚塵大，雨天滲透速度快，易成流體狀態，壓實過程中細顆粒之間的空隙并不能被更小的土顆粒填充，無法形成密實的填充和嵌擠結構，路用性能較差。但其可通過換填、改良或改變施工工藝處理后使用[2]。

表1 粉土質砂檢測結果表

2.2 水泥物理力學性能指標

水泥采用河北金隅鼎鑫水泥有限公司生產的P.R.S32.5水泥，依據《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》GB/T 35162-2017進行水泥物理力學性能試驗[3]，檢測結果表明其滿足相關規范要求。由表2得知：水泥的初凝時間為5 h。因此，施工現場從水泥土拌和開始到完成碾壓，檢測的時間必須控制在5 h以內，以免造成水泥土板體的破壞。水泥檢測結果見表2。

表2 水泥檢測結果表

2.3 水泥土配合比設計

2.3.1 粉土質砂配合比設計

按照3%、5%、7%、9%的水泥摻量直接對粉土質砂進行配合比設計，用以驗證配合比試驗結果的經濟性以及其是否滿足路床填筑材料要求[4]。粉土質砂水泥土配合比試驗結果見表3。由試驗結果得知：為保證獲得良好的壓實效果，直接用粉土質砂摻加水泥進行改良的水泥摻量達到了9%，遠超下路床3%、上路床5%的設計要求，無經濟性可言。

表3 粉土質砂水泥土配合比試驗結果表

2.3.2 粉土質砂摻加粉質黏土后的配合比設計

鑒于粉土質砂的物理特性，其黏性成分缺乏，壓實性能差，不能直接應用于路基填筑。而采用粉土質砂摻配粉質黏土后，可以大大降低粒徑為0.075 mm以上的顆粒含量，增加粒徑為0.075 mm以下的粉粒和黏粒含量，使其變“廢”為寶，成為較好的路基填料。項目部在施工現場選取了具有代表性的土樣進行了室內摻配。粉質黏土室內檢測結果見表4，粉土質砂摻配粉質黏土后的室內檢測結果見表5。

表4 粉質黏土室內檢測結果表

表5 粉土質砂摻配粉質黏土后的室內檢測結果表

考慮到現場的實際摻加情況，粉土質砂與粉質黏土的摻加比例選擇60%∶40%較為合理，水泥的摻量按照設計圖紙要求的3%、5%進行配合比設計。項目部在施工現場選取了具有代表性的3處粉土質砂樣品與粉質黏土進行了配合比試驗。粉土質砂摻配粉質黏土后的配合比試驗結果見表6。

表6 粉土質砂摻配粉質黏土后的配合比試驗結果表

水泥與土摻拌后，水泥中的礦物與土中的水份發生強烈的水化反應，其延遲時間越長，對成型后的水泥土的干密度和強度影響越大。由于現有公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中沒有水泥土相關的延遲試驗，為了減少對水泥土板體造成破壞，得到合理的現場標準控制參數，試驗室采用了公路路面基層施工技術細則中的相關延遲試驗要求[5]。延遲試驗采用表6中序號為1-1、2-1的土樣，最大干密度延遲試驗結果見表7。

表7 最大干密度延遲試驗結果表

試驗結果表明：粉土質砂摻加粉質黏土后再進行改良，其水泥用量大大降低，不但滿足相關規范及設計要求，同時現場也表現出較好的可壓實性。現場施工時間越長，對水泥土的密實度和強度的影響越大。根據水泥的初凝時間、現場施工機械情況，采用延遲試驗得到干密度控制參數，用以合理安排施工段落的長度，從摻拌水泥拌和開始，到現場碾壓、檢測完成，不得超過水泥的初凝時間，以保證水泥土的壓實質量。

3 現場質量控制

3.1 施工機械的選擇、碾壓組合及松鋪厚度的控制

碾壓試驗段的施工機械選用XS202-J或TZ25型、頻率為30 Hz左右和小于40 Hz兩級振動頻率、動靜壓力可調的振動壓路機與YL20C型膠輪壓路機相結合。

粉土質砂水泥土路床的施工工藝要求為分層填筑，動靜結合壓實。采用先動壓，后靜壓的方式，振動壓實為先強振，后弱振，靜壓為先低速，后高速，將行駛速度嚴格控制在2～4 km/h。碾壓由兩邊向中間進行，橫向輪跡的重疊寬度不小于40 cm，縱向碾壓的重疊寬度不小于2 m，確保碾壓寬度均勻、無漏壓、無死角。

填筑時的碾壓組合選用：一、二、二、一，即：穩壓一遍、強振兩遍、弱振兩遍、再靜壓一遍，壓路機往返一次為一遍。穩壓一遍是為了平整表面，強振兩遍是為了對該層的下部土進行壓實，弱振兩遍的作用是使該層的上部土密實，靜壓一遍為采用膠輪壓路機將表面松散的土碾壓密實。

針對粉土質砂的工程特性，在具體試驗分析和調研的基礎上，最終確定了下路床松鋪厚度為26 cm±2 cm，上路床松鋪厚度為17 cm±2 cm。松鋪厚度用水準儀檢查。

3.2 粉土質砂和粉質黏土的摻配均勻性控制

水泥土拌和的均勻性對水泥土的質量影響較大。水泥土拌和的越均勻，水泥土的強度和穩定性越高。

粉土質砂和粉質黏土在土料場按照60∶40的比例進行初次拌和，即3 m3粉土質砂摻加2 m3粉質黏土、摻拌均勻后裝運至填筑面上。根據路床長度、寬度、壓實厚度、水泥土的配合比、土料的含水量等，在填筑面上土前提前計算好每車土料的填筑范圍，提前在填筑面上畫好一定比例的網格，按照網格上土。

為保證粉土質砂和粉質黏土摻配的均勻性，將運至填筑面的土料用推土機推平后，采用路拌機進行二次拌和。現場抽取具有代表性的土樣6個，混合均勻后用四分法分出試驗所需的樣品進行室內試驗。由表8可以看出：路拌機拌和2次的效果優于拌和1次的均勻性，與室內摻配的效果比較接近。考慮到素土拌和好后需撒布水泥再次進行拌和，故現場摻和土路拌1次即可。粉土質砂摻配粉質黏土后的現場檢測結果見表8。

表8 粉土質砂摻配粉質黏土后的現場檢測結果表

3.3 含水率的控制

含水率是影響壓實程度的主要因素，碾壓時對含水率的要求較高。在施工過程中必須嚴格控制含水率高出最優含水率2～3個百分點，以保持各環節銜接緊湊，縮短施工時間，減少水份蒸發。

由于粉土質砂的水份容易蒸發，其保水性差。為彌補其水份蒸發快的缺陷，在取土場對摻和土料進行加水、拌和、悶土作業，使含水率均勻且高于最佳含水率2～3個百分點。下路床水泥土最佳含水率為13.6%，上路床水泥土最佳含水率為13.2%。考慮到水泥將吸收近1%的水量，施工時將素土的含水率控制在13.6%～17.6%之間。

3.4 水泥灰劑量的控制

水泥按照配合比計算每m2的用量。現場采用撒布機撒布，每撒布車道重疊20 cm，收集1 m2的材料用量進行灑布量的校核。對拌合好的水泥土隨機取樣進行灰劑量檢測。

3.5 碾壓過程控制

進行專項技術交底。根據水泥土現場施工專項技術方案對現場質檢人員、施工人員進行技術交底，確保勞務班組能按相關要求正確施工。按照試驗段施工技術方案分別對現場的初壓、復壓、終壓碾壓遍數進行專人跟蹤、督促檢查，確保碾壓遍數能夠達到要求。根據對碾壓試驗段進行的過程統計，完成200 m長的路床施工時間為近5 h。

3.6 試驗結果的統計與分析

現場碾壓試驗的實際情況表明：采用粉土質砂摻加粉質黏土后再用水泥進行改良，通過改善粉土質砂的顆粒級配、施工過程和碾壓工藝，其水泥土壓實后的壓實度滿足施工及設計規范要求。試驗結果統計見表9。

表9 試驗結果統計表

相較于傳統的采用換填技術需要將低液限粉土質砂外運并需增加好土購置費用的不足，采用粉土質砂摻加粉質黏土后再摻加水泥進行改良的施工技術，極大程度地減少了成本。施工完成后的路基經過一年以上時間的檢測，并無沉陷變形情況發生，其質量滿足路基穩定性需求。

4 結 語

粉土質砂因其工程性質差，在公路工程施工中通常的作法是直接棄用。而在摻加粉質黏土后用水泥進行改良，解決了該地區因填料嚴重不足、而粉土質砂又被大量作為棄方的難題，路床成型后各項指標均滿足相關規范要求，在路基填筑質量得到有效控制的前提下，降低了施工成本，縮短了施工工期，節約了土地資源。