路床水泥治土施工技術分析

岳麗紅

(上海浦公檢測技術股份有限公司,上海 201399)

路床水泥治土是公路路基處理的有效技術手段之一,對于分布廣泛的軟弱土路基可顯著改善其力學性能。水泥中的氧化鈣可與黏性土中的硅酸鹽發生水化反應,生成水化鈣硅酸鹽凝膠充填土體孔隙,令顆粒結合更緊密,減少軟土的液限、塑限,降低其壓縮性及液化可能性,增強路床土的抗剪強度。水化反應生成的凝膠藻可黏結沙質土顆粒,提高其整體穩定性。固結后的土體內摩擦角增加,可有效提升路基的承載力及抗剪能力。水泥治土還能降低路基底部的應力水平,減少路基發生破壞的可能,有效增強路基土的力學性能,確保路基的穩定性。

1 水泥治土技術的參數設計

1.1 水泥品種的選擇

水泥治土需選擇合適的水泥品種,不同品種水泥早期強度的增長速率不同,對土體穩定性的改良作用也有差異。一般選擇早期強度增長較快的普通硅酸鹽水泥,不宜選用高爐水泥,因為這類水泥早期強度增長緩慢,不利于土體快速固結,無法有效提升路基承載力。如果路基土屬于高液限黏土,應優先選用礦渣細度較高的普通硅酸鹽水泥,因為礦渣具有活性,可有效降低黏土的液限及塑性指數,減少路基在車輛荷載下發生塑性流動的可能。如果路基土較為疏松,應選擇礦渣細度較低的水泥品種,以提供更高的早期強度,增大土體的內摩擦力及結構強度,避免路基發生過度壓實。

1.2 水泥用量的確定

水泥用量的確定主要通過配合比設計實現,包括水灰比與沙灰比。水灰比過大或過小都會對土水泥混合料性能產生不利影響。沙灰比過大會導致水泥用量不足,強度發展緩慢;過小則會造成水泥浪費,不經濟。配合比的設計需兼顧各方面因素,確定經濟合理的水泥用量。

為準確設計配合比,采用以下公式計算水泥摻量:

W=α×LL-β

(1)

其中,W為水泥摻量,%;LL為路基土液限,%;α、β為經驗系數。通過上述公式計算,根據路基土性質科學設計水泥摻量,一般以路基土液限值的8%～12%為宜,既可減少用量,又可保證固結效果。

1.3 施工準備

高速公路路床水泥治土施工前準備會直接影響整體項目進度、成本及整體質量把控。除了做好人員分布、施工進度計劃安排、機械安排及技術分析外,還需提前做好以下工作:

①試驗準備。對填筑材料進行各種試驗以確定相關參數。該項目路床水泥處治土填筑材料主要采用與路基同土源的土和水泥作為原料。采用32.5級復合硅酸鹽水泥,按照設計要求對填筑材料進行水泥試驗檢測、顆粒分析試驗、含水量檢測、EDTA滴定法檢測曲線、重型擊實試驗及強度試驗。所有實驗結果合格后報監理工程師審批,經監理工程師同意后,方可進行路床處治施工。

通過重型擊實試驗得到不同水泥摻量下泥漿固化土最優含水量及最大干密度。每次的加水量公式、干密度公式、濕密度公式如式(2)、式(3)、式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

其中,mw為所需的加水量,mi為含水率ω時土樣質量,ωt為土樣原有含水率,ω為要求達到的含水率,ρ為試樣的濕密度,m2為試樣和試桶的總質量,m1為試桶的質量,ρd為試樣的干密度,ω為試樣含水率。

②處理下承層。下承層是路床水泥土的承載體,要保證其表面平整度及堅實情況,確保沒有松散材料及軟弱土體。為保證施工前下承層的平整性及壓實情況符合設計規范要求,需在路床鋪筑前使用壓路機進行碾壓試驗[1],如果發現路面面層過于干燥及松散,應適當進行灑水碾壓,如果出現低洼點及坑洼,應將其回填壓實,確保路面平整,確認無任何問題后,經現場監理工程師同意便可正式開工。

③施工放樣。在施工測量及取樣過程中,全站儀用于確定和標記下承層中心線的位置,用石灰鋪設路緣線,定出路床輪廓線作為施工基準。取樣時必須在不同的控制線及高程控制點上進行測量,確保施工控制線與相應的高程控制點符合工程要求。為了方便卸料,通過計算在下承層用石灰撒出均勻方格,根據實際情況及設計要求,通過試驗段得出原土虛鋪厚度為24 cm,每個方格網按100 m2布置,每車拉土控制在24 m3。每50 m一個斷面,每個斷面取左中右3個點作為距離控制樁,用于檢測松鋪及壓實厚度,以便更好地控制現場材料卸載質量,便于后續施工,確保鋪設及處理質量。

1.4 配合比設計

配合比設計需兼顧操作性與經濟性,實現技術與經濟的最佳平衡。在操作性方面,控制水灰比為0.8～1.2,避免過濕或過干,沙灰比為8～12,充分發揮強度作用。在經濟性方面,在保證效果的前提下增加礦渣細度,減少用量,控制較低沙灰比,但不能過度減少用量,以免影響持久性。以技術指標為基礎,經濟指標為方向,優先滿足技術要求,在此基礎上考慮經濟因素,獲得技術經濟兼優的配合比設計方案。

2 經濟性分析

操作性。在設計配合比時需考慮操作性因素,發揮材料的優良性能。例如:水灰比過大會導致材料過濕,不利于機械化施工;水灰比過小會降低工作性,使材料過干難以充分拌和。將其控制在合理范圍內可保證足夠的工作性,避免出現過濕的問題。

經濟性。經濟性是配合比設計需要兼顧的重要內容。例如:適當增加礦渣細度,在保證技術指標的前提下用較少水泥獲得充分的早期強度,節約成本。但過度降低水泥用量會影響穩定性,需平衡各類影響因素。

技術與經濟的平衡。技術指標是基礎,但在滿足技術要求的條件下應合理考慮經濟因素,尋求技術與經濟的最佳平衡點。

3 水泥治土的施工工藝

3.1 拌和技術與質量控制要點

拌和是水泥治土的關鍵,直接影響路基質量。拌和不均勻將導致路基強度及質量出現差異,故需保證拌和料的均勻性,嚴格控制以下幾方面:①材料質量。檢測水泥和土中的雜質含量,將其控制在標準范圍內,避免雜質影響質量。②精確配料。控制好水分含量,保證在最佳含水率以下1%～2%。嚴格按設計比例配料,避免誤差導致配合比不準確。③充分翻拌。拌和要全面翻轉至少5次以上,確保混合均勻,防止出現死角。④合理的拌和時間。拌和時間控制在2～3 min,過長會降低水泥活性,過短則達不到均勻要求。⑤質量檢測。拌和后立即檢測樣品工作性狀態及水泥含量,確保均勻性。如圖1所示。

圖1 水泥土拌和工藝流程Fig.1 Cement and soil mixing process

3.2 攤鋪與碾壓技術要求

攤鋪前應平整基層,確保下層承載力足夠。攤鋪時控制厚度在15～20 cm,要勻速、連續攤鋪,避免冷接頭。分層碾壓至設計密實度,采用振動壓路機與靜壓機械配合。初碾以靜壓為主,后期采用振動壓路提密實度,不可單獨振動壓路,碾壓后應檢測壓實效果。

3.3 養護期處理及參數控制

水泥土養護的主要目的是維持足夠的濕度,使水化反應持續進行,促進土體固結。養護期通常不少于7 d,最初2～3 d尤為關鍵,需實時監測養護區濕度,一般控制在95%以上,發現局部過干則應立即補水,保證濕度。嚴格管制車輛通行,防止致密度下降。可采取遮陽棚覆蓋等措施遮陽防風,減少水分散失。對于干燥或大風環境,可設置自動噴淋系統,對養護區進行噴霧,以準確控制濕度。養護結束后,可選噴涂油面層,進一步控制水分流失。本工程采用自動噴霧養護系統,效果顯著[2]。監測結果(圖2)顯示,養護初期濕度控制在97%以上,有效促進了水化反應,確保了路基穩定性。

圖2 養護期濕度變化曲線Fig.2 Humidity change curve during curing period

函數97+1.5exp(-0.5x)描述了一個隨時間逐漸下降的濕度變化趨勢。97為常數項,表示濕度的基線值為97%。1.5exp(-0.5x)描述了濕度隨時間的變化,其中1.5表示濕度的最大可能變化是1.5%。exp(-0.5x)是一個指數衰減函數,其中-0.5x控制了衰減的速度。隨著時間x的增加,函數值會逐漸減小,從而導致整體濕度逐漸接近97%。此函數的選擇是基于模擬的,意味著在養護初期濕度可能稍微高于97%,但隨著時間的推移,濕度會逐漸接近97%。

4 水泥治土質量評價技術

4.1 治土效果檢測方法

水泥治土效果主要通過檢測固結體抗壓強度及密實度來評價。固結體強度檢測采用室內抗壓強度試驗,測試固結土抗壓強度,與設計要求對比,判斷固結效果。密實度檢測采用現場夾具法、鉛塊法、鉆探法等檢測實際密實度是否達標。還可采用重復載荷法,測量殘余變形量,間接評估密實效果。還可進行抗剪強度及加利福尼亞承載力比測試,全面檢驗改良效果[3]。

4.2 路基承載力評估技術

對水泥固結后的路基承載力進行評估,可采用經驗法、靜載荷法等。經驗法是根據過去案例數據建立路基土類型與承載力關系的經驗對應表,通過查表估算承載力。靜載荷法是在測試路段進行靜止加載試驗,施加不同級別壓力,測量路面沉降情況,確定路基承載力衰減規律及極限承載力。可采用動載荷法,使用標準軸載通過路基,檢測路面反彈情況進行承載力反推。此外,還可結合室內直接剪切試驗獲取路基抗剪參數,應用理論計算確定承載力[4]。各種方法都需嚴格控制試驗條件,保證所得結果可靠,為設計提供依據,如圖3所示。

圖3 路基承載力評估技術流程Fig.3 Technical process of subgrade bearing capacity evaluation

5 水泥治土技術的優化措施

5.1 加快水泥固結

可通過調整水泥摻料比例來加速固結。適當增加礦渣細度較高的礦渣硅酸鹽水泥比例,礦渣細度越高,活性越強,水化反應速率越快。采用摻入硅灰、高爐礦渣微粉等摻料的硅酸鹽系列復合水泥也可顯著提升早期強度。根據路基土性質科學設計水泥摻量,一般以路基土液限值的8%～12%為宜,既可減少用量,又可保證固結效果。嚴格控制拌和用水量,保證水灰比為0.8～1.0,為水化反應提供適量水分。還可研發快速固結水泥技術,采用功能型摻料調控水化過程,縮短凝結時間,該技術目前還處于研發階段。例如:采用某速固復合水泥,3 d和7 d抗壓強度分別提高了30%和15%。如表1所示。

表1 采用不同措施對比分析

5.2 提高施工機械的適應性

根據不同區域的地形地貌特點針對性地改造施工機械。對于沼澤軟土路段,采用寬履帶爬行式底盤,提高通過性。對突發陡坡,安裝升降懸掛系統,實時調節車體高度。配備氣墊系統,快速升降整平,適應不均勻路面。安裝位置傳感裝置,實現自動避障。擴大輪胎接地面積,提高履帶黏著力。對關鍵部件使用防腐蝕、防沖蝕材料,延長使用壽命。開展操作人員技能培訓,提高其應對復雜地形的能力。做好機械的定期維護保養,確保其發揮最大效用。

5.3 優化養護措施

采用自動噴霧養護系統,在不同養護階段對濕度進行精確控制。關鍵期每天養護2～3次,保證濕度≥95%。非關鍵期可適當減少養護次數,但仍要嚴格監測濕度變化。配套使用保溫薄膜、遮陽棚等設施覆蓋,減少水分流失。開發養護保濕復合材料,形成水分阻隔層,持續提供濕度。建立養護質量監測體系,對養護情況進行記錄,確保符合要求。合理安排養護期,根據氣候條件適當延長。加強人員培訓,提高養護操作技能。

6 結束語

水泥治土技術是公路工程施工中不可或缺的重要技術,合理采用水泥治土技術可有效改良軟弱路基,提升路基承載力及整體穩定性,確保公路工程質量。需從水泥品種選擇、摻量設計、配合比優化等方面入手,嚴格控制拌和、攤鋪、碾壓、養護等施工環節,采用多種方法全面評價固結效果,優化各個細節,提高公路工程質量。通過深入理解及掌握水泥治土原理與工藝,提升我國公路工程整體質量及安全性,推動公路事業的進一步發展。