浙東軟土、多雨地區(qū)摻灰改良土路基適用性分析

王偉明

（余姚市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 余姚 315400）

0 引言

浙江省屬于多山的地理環(huán)境，內(nèi)部平原地區(qū)多屬于河流沖擊三角洲或沿海低地平原。平原地區(qū)土地資源珍貴，長久以來，道路工程建設(shè)過程中多以宕渣作為路基工程的填料，就地取材方便，且宕渣作為路基填料，屬于級配較好的粗粒土，具有材料強度高、穩(wěn)定性好等特點。同時，良好的透水性能適應(yīng)本地區(qū)多雨濕潤的氣候特點。

但隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，山體資源保護(hù)、環(huán)境保護(hù)的重要性日益增加。近年來一些宕渣原材料供應(yīng)地、商業(yè)料場的大規(guī)模關(guān)停，導(dǎo)致宕渣資源稀缺，致使宕渣價格飛速增長，路基工程造價增加較多。而隨著國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)度快速推進(jìn)，基坑、地鐵等建設(shè)項目規(guī)模快速增大，建設(shè)過程中產(chǎn)生大量廢棄土方。其中，天然棄土大多因含水量高、壓縮性高、力學(xué)強度低或滲透性差等原因，無法直接進(jìn)行利用。城市建設(shè)中也面臨著棄土難度大、資源浪費的情況。

結(jié)合上述情況，考慮通過摻灰改良的手段，對不能直接利用的廢棄土實現(xiàn)資源化利用，用作路基填料，既可以解決路基填料緊缺問題，又可以對廢棄土方再利用，具有十分顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

本文以G329上虞蓋北至道墟段改建工程為例，對浙東軟土、多雨地區(qū)摻灰改良土路基適用性進(jìn)行了充分的研究。

1 工程概況

G329上虞蓋北至道墟段改建工程為G329上虞段的功能外移項目，主線起點接G329余姚段，主線新建段終點與連接線在南北中心大道上順接，連接線接主線終點，連接線終點與致遠(yuǎn)大道現(xiàn)狀建成段終點相接，路線全長15.917 km。全線采用雙向6車道一級公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，兼顧城市道路功能，設(shè)計速度80 km/h，路基寬度45 m。

項目全線采用填方路基，填方總量約86萬m3。原設(shè)計路基填筑材料主要有碎石、宕渣等。沿線多為優(yōu)質(zhì)農(nóng)田，土地十分珍貴，路基填料全部從附近商業(yè)料場購買。

項目區(qū)域全線位于海積平原區(qū)，場地表部為硬殼層，灰黃色粉質(zhì)黏土，軟塑狀～可塑狀；下臥灰色，流塑狀，淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含貝殼碎片，厚薄不均，一般厚5～30 m，夾粉土、粉砂和軟塑狀粉質(zhì)黏土層。軟土層具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、地基承載力低等特點，路基段易發(fā)生過量沉降、路堤整體失穩(wěn)、橋頭跳車等。局部地段上部為海積粉土，灰色，稍密～中密狀，厚2～20 m不等。

項目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏半年（4—9月）主要受溫暖濕潤的熱帶或赤道海洋氣團(tuán)控制，冬半年（11月至次年3月）主要受寒冷干燥的副極地或極地大陸氣團(tuán)控制。全年季節(jié)變化明顯，總的氣候特征是溫和、濕潤、多雨。

場地所在地區(qū)，每年7—9月為臺風(fēng)侵襲期，臺風(fēng)會帶來大量降水，其特點為水量集中、歷時短、強度大，易造成洪澇災(zāi)害。此外，據(jù)地勘資料顯示，該工程地下水距離地表以下30～320 cm，其中大部分在30～180 cm以內(nèi)。

2 摻灰改良土路基社會效益

本項目全部位于紹興上虞地區(qū)。上虞地處浙江省紹興市東部地區(qū)，是省級區(qū)域交通樞紐中心、紹興商貿(mào)中心和浙東新商都。隨著社會的不斷發(fā)展，在建的城市軌道交通、周邊基坑開挖等工程會產(chǎn)生大量的廢棄土。參照《紹興市區(qū)建筑垃圾資源化利用專項規(guī)劃（2020—2025）》，紹興市2019年工程渣土摻量1 230萬t，預(yù)測2021年工程渣土摻量高達(dá)1 641萬t。2020年紹興市備案渣土項目130個，備案出土量2791.8萬m3，出土量超過2019年的3倍，為歷史最高值；2020年全市備案登記消納場所146處。2020年紹興市產(chǎn)生的土方量將達(dá)2 681萬m3，但各地與產(chǎn)土量相匹配的消納場所卻嚴(yán)重不足。其中，市級重點項目2020年總產(chǎn)土量約1 389萬m3，消納處置缺口已超過65%，并計劃在上虞建設(shè)3 000 hm2消納場所，而目前紹興渣土利用率低，渣土消納壓力巨大。

紹興作為浙江省唯一入選全國無廢試點城市，出臺了相關(guān)建筑渣土、泥漿的處置利用的管理文件，如《紹興市工程渣土（泥漿）處置管理辦法》（紹政辦發(fā)〔2020〕11號）、《紹興市上虞區(qū)建筑渣土處置管理暫行辦法》（2017年8月1日起施行），明確指出：倡導(dǎo)建筑渣土要通過市場化消納進(jìn)行處置，而通過填料化處理是目前渣土消納量最大的途徑。

在地區(qū)發(fā)布的相關(guān)政策指導(dǎo)下，同時考慮到建筑棄土具有量大、有毒有害物質(zhì)相對較少且可資源化率高的特點，結(jié)合本項目路基填筑材料緊缺，正面臨著自然資源緊缺和建筑市場對原材料需求量大的矛盾處境。因此，本項目采用摻灰改良土路基，不僅能夠有效解決周邊地區(qū)建筑工程棄土處理難的問題，還可實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，有利于城市的長期規(guī)劃和發(fā)展，有利于建筑廢棄土最終出路的解決，具有良好的社會效益。

摻灰土是在細(xì)粒土中摻加石灰或水泥等固化材料得到的一種混合材料，在土中摻加一定比例的消石灰、生石灰粉或水泥等無機類固化劑，通過加水拌合，平整、碾壓成型、養(yǎng)生等工序后，成為一種具有一定抗壓、抗折等性能的半剛性結(jié)構(gòu)。摻灰土在上海、江蘇等平原地區(qū)廣泛應(yīng)用，且近年來在嘉興、湖州等地也有較多應(yīng)用。

3 摻灰改良土路基設(shè)計要點

3.1 對原狀土的要求

通過調(diào)研，項目周邊場地內(nèi)可利用棄土分為兩類。

第一類廢棄土為紹興地鐵1號線、2號線建設(shè)棄土。主要為基坑開挖土、地鐵盾構(gòu)棄土，不含建筑垃圾。目前場內(nèi)存量為80萬m3（其中基坑開挖土50萬m3、地鐵盾構(gòu)土30萬m3），后續(xù)有100余萬m3的棄土，作為本工程主要考慮的土源。其中，將基坑開挖土記為A類土，地鐵盾構(gòu)土記為B類土。

第二類廢棄土為在建上虞南北中心大道的廢棄土。棄土方量約為6萬m3，因土方量較少，但其初始含水率較低，作為補充土源進(jìn)行改良試驗，供考慮。此土源記為C類土。

通過對可利用的A、B、C類廢棄土開展基本物理試驗，分析含水率、液塑限、顆粒分析、有機質(zhì)等內(nèi)容，用于進(jìn)行工程分類。經(jīng)試驗測得，物理指標(biāo)如表1所示。

表1 不同土類基本物理參數(shù)

摻灰改良土路基需滿足下列要求：液限小于50，塑性指數(shù)10～26，顆粒的最大粒徑不應(yīng)超過15 mm，硫酸鹽含量不應(yīng)超過0.8%，有機質(zhì)含量不應(yīng)超過5%。

由此可見，A類土與B類土為同一類工程土，為低液限黏土，區(qū)別在于初始含水率不同；C類土的粒徑與A類土、B類土不同，但也屬低液限黏土，均可用作摻灰土料源。

3.2 摻灰設(shè)計

針對原狀土天然含水量較高的情況，需要進(jìn)行先降水再添加固化材料。同時，該類土不同于泥漿干化土，其天然含水率高，且在天然條件下晾曬減水難度大。因此，擬通過二次加灰的工藝實現(xiàn)廢棄土填料化改良。

（1）通過添加石灰，實現(xiàn)高含水率廢棄土的減水，同時實現(xiàn)淤泥的“砂化”，增加減水速率。

（2）待含水率降至可機械拌合狀態(tài)后，添加石灰或水泥等固化劑，增加填料改良土的強度及水穩(wěn)定性。

首先，通過擊實試驗，明確A類土和C類土的最優(yōu)含水量及最大干密度，即分別對A類、C類的素土進(jìn)行擊實試驗。擊實試驗采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實儀。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）規(guī)定，具體參數(shù)為：擊實筒內(nèi)徑152 mm，高170 mm，錘重4.5 kg，落高450 mm，分3層擊實。兩類土的最優(yōu)含水率和最大干密度如表2所示，擊實曲線如圖1所示。

表2 土的最優(yōu)含水率與最大干密度

圖1 擊實曲線

針對不同土源，待含水率降至土體最優(yōu)含水率+3%時，進(jìn)行二次加灰（考慮水化反應(yīng)及水化熱的水分消耗），采用不同摻量的水泥或石灰，開展二次加灰。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）進(jìn)行CBR測試，依照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020），采用回彈模量儀開展回彈模量的測試，具體結(jié)論如表3所示。

表3 摻灰土CBR及回彈模量測試結(jié)果

項目所選的兩種土源經(jīng)摻灰后CBR均可以滿足路基填料的要求，同時根據(jù)試驗結(jié)果也可見二次摻灰時水泥改良效果（CBR、回彈模量）要優(yōu)于石灰改良。

3.3 軟基路段摻灰改良土路基適用性分析

項目區(qū)全線軟土地基，軟弱地基在施工期及后續(xù)公路運營期均會產(chǎn)生較大沉降，根據(jù)設(shè)計階段理論計算，施工期和預(yù)壓期沉降大多在15～40 cm之間，一般路段工后沉降在5～30 cm之內(nèi)。從計算結(jié)果上分析，摻灰改良土路基在施工預(yù)壓期間，易產(chǎn)生較大不均勻沉降（盆型沉降曲線），灰土層底易產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。隨著路面荷載和車輛荷載的增加，路基裂縫可能逐漸反射至路面，在雨水作用下，將形成惡性循環(huán)，加速路基病害發(fā)展。

本項目工后沉降不滿足要求的路段均需進(jìn)行軟基處理。主要軟基處理措施有：（1）橋頭路段采用泡沫混凝土、預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行處理；（2）一般路段采用堆載預(yù)壓處理。針對本項目采用摻灰改良土路基填筑設(shè)計，全線軟基處理路段維持原設(shè)計處理方案。同時，為減少地基不均勻沉降對摻灰改良土路基整體的影響，明確軟基處理路段摻灰改良土路基底部需設(shè)置至少50 cm的碎石或宕渣墊層；摻灰改良土路基最小厚度不小于50 cm，提高路基整體性。

3.4 摻灰改良土路基水穩(wěn)定性試驗

項目地區(qū)多雨，每年7—9月為臺風(fēng)侵襲期，臺風(fēng)會帶來大量降水，其特點為水量集中、歷時短、強度大，易造成洪澇災(zāi)害。同時，項目區(qū)域內(nèi)具有填方高度小、地下水位高等特點。因此，應(yīng)特別重視雨水對摻灰改良土路基穩(wěn)定性的影響。

雖然在進(jìn)行CBR試驗過程中，已經(jīng)通過浸水試驗驗證了其水穩(wěn)定性。但為分析路基填料水穩(wěn)定性，本文依照《土壤固化外加劑》（CJ/T 486—2015）中所述的水穩(wěn)定性系數(shù)測試方法，開展不同配比條件下的摻灰土的水穩(wěn)定系數(shù)測試。具體結(jié)論如表4所示。

表4 摻灰土浸水試驗結(jié)論

采用石灰改良的摻灰土，浸水后崩解較多，水穩(wěn)性能較差，采用水泥改良的摻灰土，其水穩(wěn)系數(shù)優(yōu)于石灰，但受固化劑摻量影響明顯。為防止地下水影響，建議摻灰改良土路基底部標(biāo)高高出地下水位50 cm，并設(shè)置防滲土工布等防滲措施。

4 結(jié)語

根據(jù)上述摻灰土各項試驗研究，G329上虞蓋北至道墟段改建工程利用周邊廢棄土摻灰加固改良后填筑路基是可行的。為提高摻灰改良土路基的工程質(zhì)量，優(yōu)先推薦采用2%石灰+2%～4%水泥的二次摻灰工藝，采用廠拌方式進(jìn)行施工。同時，軟基路段在進(jìn)行軟基處理措施的前提下，通過設(shè)置底部墊層、控制最小摻灰改良土路基厚度等措施，提高摻灰改良土路基整體性；設(shè)計過程中需注重底部摻灰改良土路基底標(biāo)高高出地下水位標(biāo)高，并設(shè)置相應(yīng)的防滲措施。

綜上所述，浙東軟土、多雨地區(qū)摻灰改良土路基在自身材料性能上是可以滿足路基填筑要求的。但考慮與宕渣填筑相比，摻灰改良土路基在施工過程中施工要求、難度均較大，在地區(qū)推廣過程中，需嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，注重工程試驗段施工質(zhì)量。