改良低液限黏土在高速公路路基施工中的應(yīng)用

劉子涵

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，石家莊 050000）

1 引言

高速公路建設(shè)項(xiàng)目往往具有工程量大、施工難度高、整體工期長等特點(diǎn)，給建設(shè)單位及施工單位帶來較大的難度和挑戰(zhàn)。高速公路項(xiàng)目中，路基工程尤為重要，路基施工質(zhì)量直接影響著高速公路的整體穩(wěn)定，因此，需對路基填筑施工進(jìn)行嚴(yán)格控制[1]。公路路基施工中，常會(huì)存在低液限黏土，大量研究表明，低液限黏土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，且塑性指數(shù)小，遇水后穩(wěn)定性會(huì)極度降低，實(shí)際應(yīng)用中無法直接用作路基填料。針對該問題，常采用水泥、石灰等材料進(jìn)行低液限黏土改良處理，提高其水穩(wěn)定性。本文基于改良低液限黏土在高速公路路基施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，圍繞其施工技術(shù)要點(diǎn)展開討論，并在具體工程中應(yīng)用。

2 石灰改良低液限黏土工程特性分析

低液限黏土主要粒度成分為黏粒，當(dāng)向低液限黏土內(nèi)部摻加適量石灰并充分?jǐn)嚢韬?，在最佳含水率條件下會(huì)不斷產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使低液限黏土內(nèi)部的Ca2+離子不斷增加，進(jìn)而使低液限黏土內(nèi)部的土粒摩擦力增大，極大地改善土體的路用性能，最終提高土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。具體機(jī)理如下。

2.1 結(jié)晶作用

低液限黏土內(nèi)部摻加石灰并充分拌和后，石灰遇水反應(yīng)產(chǎn)生晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再和土顆粒共同組成共晶體，導(dǎo)致土顆粒結(jié)團(tuán)牢固，起到改善低液限黏土水穩(wěn)定性的效果[2]。

2.2 碳酸化作用

在低液限黏土內(nèi)摻加石灰后，兩者會(huì)逐漸產(chǎn)生碳酸化作用，具體為石灰內(nèi)部的Ca(OH)2與外界CO2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大的CaCO3晶體，使土體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體提升。

2.3 火山灰作用

摻加完石灰拌和后，低液限黏土內(nèi)部的Al2O3、SiO2等活性礦物質(zhì)會(huì)和石灰內(nèi)部的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鋁酸鈣、硅酸鈣水合物等膠凝材料，以改善土體顆粒黏結(jié)能力和水穩(wěn)定性。

2.4 離子交換作用

低液限黏土摻加石灰拌和后，內(nèi)部H+、Na+、K+等陽離子會(huì)與石灰產(chǎn)生電解反應(yīng)，使Ca2+發(fā)生離子交換作用，土顆粒水膜厚度降低而間距減少，最終構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3 工程概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目全線共計(jì)100.973 km，雙向四車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，公路設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h，路基寬度為25.5 m，全線橋隧比共計(jì)45.7%，路基工程占比較大。通過對該高速公路沿線地質(zhì)勘探可得，第二合同段內(nèi)現(xiàn)場含有豐富的低液限黏土，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低且穩(wěn)定性不高。建設(shè)單位為節(jié)約項(xiàng)目投資成本，擬采用現(xiàn)有低液限黏土用作路基填料，并選擇石灰改良方式處理低液限黏土，以提高路基填筑質(zhì)量。另外，石灰改良低液限黏土施工選用自然飲用水，并結(jié)合實(shí)際情況對施工工藝進(jìn)行重點(diǎn)控制。

4 石灰改良低液限黏土路基填料試驗(yàn)研究

在該高速公路項(xiàng)目第二合同段選擇典型路段，均勻取得低液限黏土試樣，分別摻入0%、4%、6%、8%的石灰，充分拌和后展開室內(nèi)試驗(yàn)，得出石灰的最佳摻量。

4.1 擊實(shí)試驗(yàn)

隨4 組石灰改良低液限黏土試樣分別進(jìn)行同等條件的擊實(shí)試驗(yàn)，以最佳含水量、最大干密度為評價(jià)指標(biāo)[3]，試驗(yàn)結(jié)果見表1。可得，相較于0%、4%、8%的石灰摻量，6%石灰摻量對應(yīng)的最大干密度最低，因此，石灰摻量宜選定為6%。

表1 不同石灰摻配比例擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

4.2 CBR試驗(yàn)

對4 組石灰改良低液限黏土試樣分別進(jìn)行同等條件的CBR 試驗(yàn)，以CBR 值為評價(jià)指標(biāo)，96%壓實(shí)度條件下，初始含水量分別設(shè)定為12%、14%、16%，對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果見表2。可得，隨著石灰摻量的不斷增加，對應(yīng)的CBR 值也隨之增大，考慮到石灰后期的消耗損失，摻量在6%時(shí)最佳。

表2 不同石灰摻配比例CBR試驗(yàn)結(jié)果 %

4.3 膨脹率試驗(yàn)

對4 組石灰改良低液限黏土試樣分別進(jìn)行同等條件的膨脹率試驗(yàn)，以膨脹率為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。可得，隨著石灰摻量的不斷增加，對應(yīng)的膨脹率降低，穩(wěn)定性提高，綜合考慮選定石灰摻量為6%。

表3 不同石灰摻配比例膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

4.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對4 組石灰改良低液限黏土試樣分別進(jìn)行同等條件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。可得，低液限黏土摻加完石灰后其7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長明顯，摻量為6%時(shí)抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表4 不同石灰摻配比例無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5 石灰改良低液限黏土路基施工技術(shù)要點(diǎn)研究

5.1 施工工藝

首先清理路堤直至干燥度和整潔度滿足規(guī)范要求，結(jié)合實(shí)際情況規(guī)劃出施工網(wǎng)格，并每隔20 m 設(shè)置樁體，便于卸料。采用挖掘機(jī)和自卸車進(jìn)行運(yùn)料和卸料作業(yè)，將取得的低液限黏土均勻卸至事先規(guī)劃好的網(wǎng)格區(qū)域中，采用平地機(jī)整平，可結(jié)合實(shí)際情況先進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐櫇裉幚?，以便拌和均勻[4]。根據(jù)網(wǎng)格區(qū)域?qū)嶋H面積計(jì)算合理的石灰摻量，選用挖掘機(jī)進(jìn)行石灰改良拌和施工，拌和遍數(shù)約3 遍為宜，拌和過程中肉眼觀察土體顏色，直至顏色保持一致，且均勻性和顆粒大小需滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

拌和施工完畢后，及時(shí)對改良后土體的含水率進(jìn)行檢測，當(dāng)實(shí)際含水率偏低時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)水處理，而實(shí)際含水率偏高時(shí)則應(yīng)翻曬處理，嚴(yán)格控制含水率滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。隨后采用推土機(jī)進(jìn)行穩(wěn)壓操作，伴隨平地機(jī)整平同步施工，再采用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓施工，速率控制在1.5～2.0 km/h，且控制靜壓和振動(dòng)壓實(shí)的遍數(shù)在4～6 遍[5-6]。碾壓完畢后開展3 d 以上的養(yǎng)生，全程采用土工布覆蓋，養(yǎng)生期間做好交通管制。

5.2 質(zhì)量檢測

本項(xiàng)目采用低液限黏土用作路基填筑材料，并選用石灰改良方式，摻量選定為6%，施工完畢后，選擇試驗(yàn)路段對路基施工質(zhì)量進(jìn)行檢測，以回彈彎沉值和壓實(shí)度為評價(jià)指標(biāo)，質(zhì)量檢測結(jié)果分別見表5、表6。

表5 彎沉值檢測結(jié)果

表6 壓實(shí)度檢測結(jié)果

檢測結(jié)果表明，本項(xiàng)目石灰改良低液限黏土路基填筑質(zhì)量良好，壓實(shí)度和承載能力均滿足規(guī)范要求，證實(shí)了石灰改良后的低液限黏土可用作路基填料使用，且石灰摻量控制在6%左右時(shí)施工質(zhì)量最佳。

6 結(jié)語

本文就改良低液限黏土在高速公路路基施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際高速公路路基工程，圍繞石灰改良低液限黏土路基填筑施工技術(shù)工程特性、試驗(yàn)研究、施工技術(shù)要點(diǎn)等展開，并結(jié)合試驗(yàn)路段進(jìn)行施工質(zhì)量檢測。研究結(jié)果表明，石灰改良后的低液限黏土可用作路基填料使用具有可行性和實(shí)用性，石灰改良低液限黏土路基填筑質(zhì)量良好，壓實(shí)度和承載能力均滿足規(guī)范要求，且石灰摻量控制在6%左右時(shí)施工質(zhì)量最佳，可有效提高路基整體承載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及穩(wěn)定性。