超厚水泥穩定土施工工藝及過程控制探討

徐蔡亮

（上海眾誼建筑設計有限公司， 上海 200030）

水泥穩定土是指在粉碎的或原來松散的土中， 摻入適當比例的水泥， 經過拌合、 壓實和養生后， 得到抗壓強度滿足使用需求的結構材料。 典型的施工應用包括公路、 高速公路、 鐵路地基、 停車場、 體育場、工業園區、 機場、 大壩、 回填和填方。 與傳統的土體置換方法相比， 水泥穩定土是一種成本更低、 更加節約資源的處理方法， 而且它充分利用原有的土壤材料， 通過添加水泥作穩定劑拌入現有承載力不足的土壤中， 就地轉化為高質量的筑路材料， 在目前國家大力倡導可持續發展和建筑節能的背景下， 具有廣泛應用的重要意義。

1 工程概況及重難點分析

維特根 (中國) 機械有限公司增資建設年產2970臺建筑機械項目為工業生產廠房項目， 位于河北省廊坊市， 占地面積 43，284.8m， 包括生產廠房、 附屬辦公樓、 成品倉庫及維修車間等單體。 因生產和倉儲重型機械設備所需， 全場地均采用水泥穩定土進行地基處理， 設計水泥穩定土層總厚度達到110cm。 然而目前超厚水泥穩定土的施工工藝還處于探索階段， 國內規范也指出混合料碾壓成型后每層的最大攤鋪厚度宜不大于20cm， 只有具備足夠的攤鋪能力和壓實功率時方可增加厚度， 但對于具體的攤鋪能力和壓實功率并未給出量化指導和要求， 同時超厚水泥穩定土分層過多存在著施工工藝弊端、 質量隱患和經濟效益低下等問題。 考慮到本工程施工作業量較大， 厚度超深， 施工難度大， 遂將水泥穩定土分3 層鋪筑， 單層厚度達到40cm， 施工機械采用WR250 冷再生機進行混合料拌合作業， 采用羊足碾進行初始碾壓， 采用膠輪壓路機進行最終碾壓和收面， 并且采用變形模量Ev2 指標和壓實系數作為過程控制水泥穩定土底基層的強度和壓實度標準， 進而保證超厚水泥穩定土的施工質量。

2 施工關鍵控制措施

1) 國內一般采用壓實度指標作為基層設計及施工中回填土的壓實質量標準， 但僅靠壓實度參數來反映填土的壓實質量具有一定的局限性。 雖然地基系數也是反映基層土強度及變形關系的參數， 但試驗的荷載-沉降曲線是一次加載得出的， 其沉降變形包括了填料的彈性變形和塑性變形。 變形模量Ev2 的荷載-沉降曲線是在逐級加載后逐級卸載， 再二次加載得出， 可認為其沉降變形消除了填料的塑性變形， 測試結果離散性小， 更能反映基土的真實強度， 因此采用強度及變形指標作為填土質量控制參數更具有可靠性和合理性。

2) 變形模量Ev2 值反映了基層的承載力指標，基層壓實質量越好， Ev2 值越大。 采用變形模量Ev2評價基層壓實質量時， 不僅要求變形模量Ev2 達到規定指標， 同時應對Ev2/Ev1 比值有具體要求。 因為即使Ev2 達標， 如果Ev2/Ev1 比值偏大， 說明一次變形模量Ev1 值小， 即基層的塑性變形較大， 基層壓實就不充分。 《德國交通區域開挖工程補充合同技術條款和規定》 (ZTVE-StB97) 中要求Ev2/Ev1≤2.5。

3) 本工程要求 Ev2 檢測值在24 小時后達到60MPa， 且同時滿足Ev2/Ev1≤2.5， 以此判斷水泥穩定土的壓實狀況， 相較于常規壓實度檢測如環刀法，灌沙法等， 通過Ev2 及其與Ev1 的比值可以更加準確的評估底基層的承載力和變形量。 相比較于7 天無側限抗壓強度檢測， Ev2 檢測更為快速方便。

4) 水泥穩定土在施工完成后通常會進行養護，待7 天無側限抗壓強度檢測結果合格后再進入下一輪工序。 因本工程采用彈性模量EV2 和壓實度指標雙重管控， 且三層皆采用相同的施工機械及碾壓工藝， 故在壓實度和彈性模量EV2 滿足設計要求后即開始下一道工序的施工， 做到上下兩層連續攤鋪， 從而有效改善層間結合狀態， 縮短施工周期。

為滿足工期要求并提高拌合質量， 采用WR250冷再生機進行混合料拌合作業。 普通路拌機的最大拌合深度為30cm， 拌合寬度為2m， 有效行進速度為6.78m/min 左右， 理想工作性能為 4000 ～8500m， 而WR250 冷再生機的最大拌合深度可達56cm， 拌合寬度為2.4m， 有效行進速度為8m/min， 理想工作性能為每天 6000 ～12000m。 比較兩者可知， WR250 冷再生機的性能參數更優越， 工作效率相比較相差一倍及以上。 另外普通路拌機在拌和時會出現均勻度不達標的情況， 會存在漏拌土塊現象。 WR250 冷再生拌和機的特制轉子使得拌和更均勻， 水泥土碾壓后黏合更密實。

為保證混合料的壓實度采用羊足碾對拌合后的水泥穩定土進行初始碾壓。 單鋼輪壓路機系列300 凸塊式單鋼輪壓路機， 最大工作質量20.800kg， 振動頻率， 前 I/II=27/30Hz； 振 幅， 前 I/II， 1.85/1，10mm； 激振力， 前 I/II=331/242KN。 羊足碾單位壓力大， 使填料均勻， 有搗實作用， 壓實度大， 適用于壓實粘性土壤及碎石層。 尤其對于硬性粘土， 凸塊有攪拌、 揉搓和搗實作用， 使填料均勻， 上下鋪層粘結好避免分層。 由于羊腳底面面積小， 因而單位壓力大且錐形的羊腳插入土層時， 對周圍土體還產生側向擠壓作用， 其壓實過程是自下而上， 故壓實均勻， 效果好。 由于土面形成了大量羊腳坑， 有利于上下土層的結合， 省去了刨毛工序， 增加了填方的整體性和抗滲能力。 另外本場地土質不屬于砂性土， 不會因為羊腳從行進的后方由土中拔出時將剛剛壓實的砂性土翻松， 以致得不到實際的壓實。

為進一步提高混合料的密實度， 減少鋪層內部的殘余變形， 遂采用膠輪壓路機對水泥穩定土層進行最終碾壓和收面。 三一重工SPR300C-8 輪胎壓路機，最大工作質量30.000kg， 輪胎平均接地比壓200 ～545/200 ～460kPa， 輪胎充氣壓力 200 ～800kPa。 用鋼輪壓路機碾壓后， 會出現一定程度的推移現象， 即滾筒前側的混合料受壓力進行橫向移動， 在壓實后有可能產生裂縫。 而膠輪壓路機是揉搓式的壓實， 使上表面更加緊密， 壓實效果更佳， 在一定程度上也能提高鋪層的平整度。

3 主要施工工藝

3.1 準備工作

本工程采用32.5 PSB礦渣硅酸鹽水泥， 水泥摻量為4%， 就地利用原有的土壤材料作為被穩定材料。

根據擊實試驗得到含水率與干密度關系曲線圖，據此確定本工程水泥穩定土最佳含水率和最大干密度取值。

組織技術交底， 交底內容主要包括材料要求、 機具準備、 作業條件、 工藝流程、 操作工藝、 質量要求、 成品保護措施、 安全注意事項、 環保措施等， 確保所有施工人員理解和明白施工工藝和質量標準。

3.2 工藝流程

土方開挖→放線定位→鋪土平整→含水率檢測→初步壓實→水泥撒布→拌和→羊足碾碾壓→平整→光輪壓路機碾壓→膠輪壓路機碾壓→壓實度和含水率檢測→養護→EV2 檢測

水在渠中流動，單位時間內流動的距離，叫做流速，它的單位是米/秒，單位時間內通過某一橫斷面水的體積，叫做流量，單位是米3/秒或公升/秒。若某渠觀測地點的過水橫斷面積是1平方米，水每秒流動1米，則通過流量為1米3/秒(1米3/秒=1000公升/秒)，通常稱為“一個水”。

3.3 含水率檢測

1) 選擇場地土樣本， 采用烘干法或酒精燃燒法進行含水率檢測； 2) 如果土層含水率偏高， 則可對其進行翻曬； 如果偏低， 則應對其進行灑水補充。 通過試驗量化補水需求量， 見表1。

表1 補水量化表

3) 補水或翻曬后復測含水率， 以在最佳施工含水率±1%范圍為宜。

3.4 初步壓實

采用悍馬320 壓路機對原狀土進行碾壓， 靜壓不開振動， 行駛速度不超過2km/h， 確保原狀土的壓實度不小于85%。

3.5 水泥撒布

1) 用石灰畫出水泥灑布車的撒布范圍； 2) 設定水泥撒布車的撒布寬度， 撒布車速， 材料密度等參數， 一般在實際施工時摻入的水泥劑量應比室內試驗確定的劑量多0.5%～1.0%； 3) 在撒布前進行試驗，在平地上鋪展彩條布， 按照設定計量撒布， 稱重反算其是否符合要求； 4) 在撒布過程中進行檢查， 使用提前制作的1m*1m的金屬托盤， 放置在施工區域，相當于隨機抽取1m的水泥撒布量， 以此檢測和管控水泥用量。

3.6 拌和

采用WR250 冷再生機進行拌合。 拌和混合料時縱向相鄰拌和段重疊拌和2m以上， 橫向相鄰拌和重疊拌和25cm以上。 從兩側向中間方向進行拌和， 拌和速度控制在13.3km/h 左右， 注意隨時檢查翻拌深度和混合料狀態， 確保表面色澤均勻， 沒有灰條、 灰團和花面。 采用EDTA滴定法檢測實際拌合水泥量和均勻性。 若水泥量不足或不均勻， 應補充撒鋪水泥，重新拌和直至滿足要求。 及時檢查含水量， 使含水量等于略大于最佳含水量1%～2%。 若含水量小于最佳含水量則需及時補水。 隨時檢查拌和深度， 應到達穩定層底并宜侵入下承層5 ～10mm。

3.7 羊足碾碾壓

碾壓時遵循 “先慢后快、 先輕后重、 先低后高”原則， 壓路機輪跡重疊1/2 輪， 后輪超過兩段的接縫。 其他碾壓機械同理。 先靜壓1 遍， 壓路機行駛速度控制在1.7km/h。 再輕振2 遍， 行駛速度控制在2.5km/h。 碾壓過程中如發現表層松散、 起皮時可適當灑水。 如發現局部有 “彈簧土” 現象時應及時翻開重新拌和或換填新的混合料。

3.8 平整

3.9 光輪壓路機碾壓

先靜壓1 遍， 行駛速度控制在1.7km/h。 再輕振2 遍， 行駛速度控制在2.5km/h。

3.10 膠輪壓路機碾壓

靜壓2 遍， 第1 遍行駛速度控制在 1.5km/h， 第2 遍行駛速度控制在2.5km/h。

4 質量關鍵控制點

4.1 水泥劑量和均勻性

優先采用水泥撒布車。 水泥撒布車可以保證撒布更加均勻， 且機械化作業效率高， 水泥撒布量可以精確控制， 直接提高了水泥的有效利用率， 保證了混合料的拌合質量， 同時在施工過程中降低了揚塵現象，減少了對環境的污染。

4.2 延遲時間

從加水拌合開始到碾壓終了的延遲時間直接影響著水泥穩定土的壓實度和強度， 延遲時間越長則水泥穩定土的干密度和強度的損失越大。 國內外工程施工中通常將延遲時間控制在2h 左右， 一般取初凝時間與容許延遲時間較短的時間作為施工控制時間。 主要可以從以下幾個方面進行控制: 1) 選用初凝時間3h以上， 終凝時間大于6h 且小于10h 的水泥。 水泥的終凝時間較長， 對水泥土混合料的干密度及抗壓強度的影響就較小。 普通硅酸鹽水泥、 礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質硅酸鹽水泥都可采用， 但不應采用快硬水泥或早強水泥； 2) 水泥材料的供應效率也將影響施工段的整體延遲時間， 可通過選定一家甚至多家合格的水泥供應商來保證供應的持續及時； 3) 充分考慮施工機械可能發生的故障因素， 盡量采用工作效率高的施工機械， 安排熟練的施工操作人員， 配置足夠的機械數量， 應用流水作業施工方法， 安排和施工機械、人工、 材料效率相匹配的工作量， 使攤鋪、 補水、 拌和、 平整和碾壓等工序緊密銜接， 盡可能縮短從加水拌和到壓實的持續時間。

4.3 含水率

水泥穩定土的最佳施工含水率需要依照實驗室擊實試驗得出的最佳含水率， 以及考慮摻入的水泥水化和硬化作用所需的用水量， 并適當考慮碾壓過程中水分的蒸發和流失。 當水泥穩定土混合料中的含水量過小和過大時， 都會導致混合料的壓實度和強度會受到負面影響， 甚至出現干縮裂縫等不良現象， 可以說含水率的高低也直接影響著水泥穩定土的形成質量。 實際施工過程中大面積土層含水率的精確控制并不容易，同時降雨和高溫等天氣都會對水泥穩定土的含水量產生不可精準預測的影響。 這就要求在施工過程中必須多次多點監測實際含水量， 提前進行現場灑水和翻曬試驗得出具體數據， 以便指導接下來的大面積施工作業。

4.4 土質變化

根據國內現行規范， 符合采用水泥來穩定的材料的技術要求為液限不大于40%， 塑性指數不大于17。只有當被穩定材料中含有一定量的碎石或礫石， 且小于0.6mm的顆粒含量在30%以下時， 塑性指數可大于17， 且土的均勻系數應大于5， 但同時也受到級配、 最大粒徑等方面的限制。 在實際施工過程中， 場地的土質往往會發生變化， 如果未能及時發現此情況則很可能會導致施工質量達不到工程要求。 因此應每2000m取2 個樣品， 進行液限、 塑限和顆粒分析檢測， 視情況做有機質和硫酸鹽含量檢測。 當出現不一樣的土質情況時， 可以采取以下步驟: 判斷此類土質是否符合拌合水泥穩定土施工， 可以利用現場其他的合格土質進行混合或者換填， 重新挑選土樣送實驗室進行重型擊實試驗， 重新檢測其最優含水率和最大干密度等等， 以此作為施工質量把控的新依據。

4.5 碾壓機械和遍數

在碾壓的過程中， 選擇較輕的碾壓設備如低于18t以下的碾壓機， 即使增加碾壓遍數也很難達到97%的壓實度。 但同時也須避免過度碾壓， 它會導致水泥穩定土產生剪切破壞， 因此通過試驗段在實現壓實度達標的基礎上確定理想的碾壓遍數和組合是非常必要的。

4.6 接縫處理

如果在攤鋪時因意外情況中斷時間大于2h， 應設置橫向接縫并按規范要求處理。 未進行及時處理則需要將攤鋪機附近及其下面未經壓實的混合料鏟除， 并將碾壓密實且高程和平整度符合要求的末端挖成與路中心線垂直并垂直向下的斷面， 再攤鋪新的混合料。

其他過程中常規質量控制點包括縱斷高程， 攤鋪厚度， 攤鋪寬度， 橫坡度， 平整度， 原材料品質， 虛鋪系數， 水泥拌合均勻性， 碾壓前后含水率， 碾壓遍數， 機械行駛速度等。

5 結語

通過本工程實踐經驗， 超厚水泥穩定土采用此施工工藝可以取得良好的施工效益， 而采用變形模量Ev2 指標可以有效的檢測和把控施工質量。 隨著社會的不斷進步， 機械化施工技術將成為主流， 更多的施工工藝和檢測方案也將逐步完善優化， 為提高施工效率和保證質量提供更為理想的保障措施。