潤揚(yáng)北路粉質(zhì)黏土路基石灰改良技術(shù)及施工工藝研究

連清泉

（揚(yáng)州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002）

0 前言

近年揚(yáng)州北區(qū)市郊的多條市政道路出現(xiàn)較嚴(yán)重的路基路面早期破壞，其主要特點(diǎn)是：路面損壞嚴(yán)重，出現(xiàn)凹槽、網(wǎng)裂、泛油、松散、縱橫向裂縫及不均勻沉降等病害，尤其是挖方路段嚴(yán)重；路基路面病害出現(xiàn)較早，部分路段通車半年就出現(xiàn)較明顯的病害。這些病害的出現(xiàn)與該地區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)黏土密切相關(guān)。這類土具有水敏感性強(qiáng)、毛細(xì)水作用強(qiáng)等特殊性質(zhì)，尤其在地下水位較高時(shí)易產(chǎn)生較嚴(yán)重的水損壞。鑒于此，揚(yáng)州市市政建設(shè)處聯(lián)合東南大學(xué)交通學(xué)院成立課題組，結(jié)合《潤揚(yáng)北路延伸（平山堂西路—西湖中心路）道路工程》設(shè)計(jì)，展開“揚(yáng)州市北區(qū)市政道路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與運(yùn)用”，對路基中經(jīng)濟(jì)有效的毛細(xì)水隔離措施及長期效果，不良路基填料的石灰改良技術(shù)與施工工藝等進(jìn)行深入研究，并將研究成果運(yùn)用于該道路，取得良好效果。

1 工程概況

潤揚(yáng)路是揚(yáng)州市西部城區(qū)的一條南北向主干路?，F(xiàn)狀潤揚(yáng)路南至沿江高等級公路（潤揚(yáng)大橋高速出入口），北至揚(yáng)州市西北片區(qū)的平山堂西路，與揚(yáng)州市東西向主干路沿江高等級公路、開發(fā)路、328國道、文昌路等連接。本期工程潤揚(yáng)北路延伸南起平山堂西路，北至西湖中心路，道路紅線寬度50 m，全長2 316.862 m，按城市主干路Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算行車速度50 km/h。項(xiàng)目所在區(qū)域地處長江北岸下游，位于寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵崗地區(qū)，地勢總體上是北高南低，地形起伏較大，地面標(biāo)高為11.0～29.5 m。結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告，統(tǒng)計(jì)得到潤揚(yáng)北路地區(qū)粉質(zhì)黏土的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

2 毛細(xì)水隔離措施研究

根據(jù)《揚(yáng)州潤揚(yáng)北路延伸道路路基路面優(yōu)化設(shè)計(jì)咨詢報(bào)告》（東南大學(xué)交通學(xué)院）分析現(xiàn)狀已建道路路基病害的主要原因?yàn)樗畵p壞：由于相關(guān)路段廣泛分布粉質(zhì)黏土，且地下水位埋深較淺（一般在天然地面以下0.5～2.0 m之間），因此這類土中毛細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重，毛細(xì)水上升高度大，毛細(xì)水對路基的強(qiáng)度影響比較大。地下水在毛細(xì)作用下逐漸向路基頂遷移，而致路基頂面當(dāng)量回彈模量降低。對于既定的路基土，不同的地下水位對應(yīng)于不同的路基頂面當(dāng)量回彈模量。地下水位變化，導(dǎo)致路基土回彈模量變化，將使荷載作用下路面各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生相應(yīng)的變化。因毛細(xì)水的上升，使路基土干濕狀態(tài)變化，導(dǎo)致路基的強(qiáng)度相應(yīng)降低或失穩(wěn)，增加路基的壓縮量，進(jìn)而影響路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，其病害表現(xiàn)形式為不均勻沉降、縱向不平整、車轍、唧漿等典型病害。挖方路段的損害破壞比填方路段更嚴(yán)重，其主要的原因就是挖方破壞了山體的水力平衡，使路基下方出現(xiàn)水壓力，而向上涌水。若挖方路段沒有良好的排水層，水無法排出，路基的軟化、損壞將不可避免。

因此，對于該工程路基中應(yīng)采取經(jīng)濟(jì)、長效的毛細(xì)水隔離措施。根據(jù)工程實(shí)踐，對典型土類，分別采用30 cm 5%灰土墊層和30 cm碎石墊層隔離，觀察毛細(xì)現(xiàn)象，對不同隔離措施的處理效果進(jìn)行對比，為毛細(xì)水防治措施提供依據(jù)。潤揚(yáng)北路延伸工程地區(qū)淺層粉質(zhì)黏土擊實(shí)試驗(yàn)的最佳含水量和最大干密度分別為14.8%和1.88 g/cm3。對其不同摻灰量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，摻灰5%的現(xiàn)場擊實(shí)情況最優(yōu)，摻灰5%處理后最佳含水量和最大干密度分別為18.3%和 1.79 g/cm3。

表1 基本物理力學(xué)指標(biāo)

在進(jìn)行毛細(xì)水處理措施試驗(yàn)時(shí)，利用埋設(shè)的TDR實(shí)時(shí)測試含水量變化，觀察隔絕毛細(xì)水上升的效果。TDR(Time domain reflectometry)土壤水分速測儀由脈沖信號發(fā)生器、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸器、掌上電腦終端及探頭組成。如圖1所示。

圖1 TDR土壤水分測定儀

采用TDR測定土壤水分含量，依據(jù)的是土壤的介電常數(shù)隨土壤含水量的變化而規(guī)律地發(fā)生變化原則。根據(jù)Topp（1980）等人的研究，土壤的介電常數(shù)K，與土壤的體積含水量θ之間的關(guān)系可以表達(dá)為：

式（1）中：θ為體積含水量；K為介電常數(shù)。

若能精確地測定土壤的介電常數(shù)K，就可由式（1）計(jì)算出土壤的體積含水量。Topp等人研究還表明，這一關(guān)系式受土壤類型、土壤密度、土壤溫度及孔隙水傳導(dǎo)的影響很小。

實(shí)際測定時(shí)，從脈沖信號發(fā)生器發(fā)出一高頻脈沖，將其通過傳輸線傳輸?shù)教筋^。當(dāng)信號傳輸?shù)絺鬏斁€與探頭的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，因兩者阻抗不匹配，一部分電磁波反射回來，剩余的電磁波沿探頭傳輸?shù)教筋^的另一端，由于探頭與土壤的阻抗也不匹配造成電磁波的再次反射。探頭長度固定，就可以根據(jù)時(shí)間、距離關(guān)系，計(jì)算出電磁波在土壤中的傳輸速度：

式（2）中：V為電磁波在土壤中的傳輸速度；L為探頭長度；T為兩次反射之間的時(shí)間。

根據(jù)電力學(xué)原理，電磁波在土壤中的傳輸速度可表達(dá)為：

式（3）中：V為電磁波在土壤中的傳輸速度；C為光在真空中的傳播速度；K為土壤介電常數(shù)。

由式（2）、（3）可以計(jì)算出介電常數(shù)K值：

將式（4）計(jì)算出的介電常數(shù)K值代入式（1）就可以計(jì)算出土壤的體積含水量。

兩種隔離措施的毛細(xì)水觀測結(jié)果見圖2。

圖2 兩種隔離措施的含水量變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）30 cm碎石墊層的方案，測點(diǎn)處含水量基本不變，因碎石墊層孔隙較大，毛細(xì)水無法透過碎石上升，所以30 cm碎石墊層是一種理想毛細(xì)水防治措施。

（2）前15 d內(nèi)，素土中毛細(xì)水上升快，所以測點(diǎn)處含水量迅速增加；15 d以后測點(diǎn)處含水量基本穩(wěn)定，略有增加。

（3）30 cm 5%灰土墊層方案，測點(diǎn)處含水量略有上升，基本能有效隔離毛細(xì)水上升，處置效果良好。

鑒于現(xiàn)場施工條件，道路附件不生產(chǎn)碎石材料，該項(xiàng)目路基處理采用灰土墊層的處理措施阻隔毛細(xì)水上升，同時(shí)對于路基土也以摻灰來改變土的含水量，根據(jù)實(shí)際情況，擬定路基處理方案如圖3。

3 石灰土施工工藝研究

在石灰改良土路堤填筑施工中，石灰、土料和石灰土材料的質(zhì)量和性質(zhì)對路堤填筑質(zhì)量有很大影響，需要嚴(yán)格按照規(guī)定實(shí)施。對于該區(qū)內(nèi)近年所建已損壞道路路基調(diào)查，發(fā)現(xiàn)灰、土拌合不均的情況較多。路基施工設(shè)計(jì)中，根據(jù)工藝簡單原則，石灰改良土工藝以1次摻灰為首選，但該工程所處區(qū)域粉質(zhì)黏土含水量過高，鑒于以往工程實(shí)踐中1次摻灰現(xiàn)場拌合時(shí)黏土塊粉碎困難，易造成灰、土拌合不勻，為了保證施工周期和摻灰拌合質(zhì)量，擬采用二次摻灰拌合工藝。首次摻少量石灰進(jìn)行悶灰，使過濕的黏土砂化，便于施工拌合；再進(jìn)行第二次摻灰，對土質(zhì)改良，改變土的微觀特性，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)。對“第一次摻灰的量”，“第一次摻灰后需要多久進(jìn)行第二次摻灰”深入研究，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖4～圖6。

通過以上分析：摻灰后黏土顆粒砂化現(xiàn)象明顯，黏粒含量減少，而粉粒和砂粒含量增加；隨著摻灰時(shí)間增長，黏粒含量逐漸減少，粉粒和砂粒含量逐漸增加；從工程的可操作性與實(shí)際應(yīng)用效果來看，砂化石灰用量以2%～3%為宜，砂化時(shí)間以2 d以上為宜。

圖3 一般路基處理設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

圖4 粉質(zhì)黏土摻灰24h的顆粒分布

圖5 粉質(zhì)黏土摻灰2%不同時(shí)間的顆粒分布

圖6 粉質(zhì)黏土不同摻灰比例的無側(cè)限抗壓

4 結(jié)語

考慮城市交通的特殊，停車、剎車、啟動(dòng)頻繁，故容易產(chǎn)生車轍現(xiàn)象。為了提高路面結(jié)構(gòu)抵抗車轍的能力，路面施工時(shí)運(yùn)用改性瀝青，同時(shí)瀝青中、下面層采用江蘇省的研究成果“S型級配瀝青混凝土”。道路竣工后經(jīng)過兩年多運(yùn)行，車行道瀝青路面情況良好，未發(fā)現(xiàn)車轍現(xiàn)象，尤其在此前易出現(xiàn)車轍的交叉口部位也未發(fā)現(xiàn)明顯車轍現(xiàn)象。

針對揚(yáng)州市潤揚(yáng)北路延伸工程路基土質(zhì)的深入分析，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，對過濕粉質(zhì)黏土填料采用二次摻灰的工藝研究，得出以下結(jié)論：

（1）30 cm 5%的灰土墊層上和30 cm碎石墊層兩種處理方法基本能有效阻隔毛細(xì)水上升，處置效果較好，其中碎石墊層方案效果更好。在碎石材料匱乏的黏土地區(qū)，宜采用灰土墊層，與灰土路基處理結(jié)合，以簡化施工工藝、節(jié)約成本。

（2）粉質(zhì)黏土過濕路堤填料摻灰難以拌均，黏土成塊不易粉碎等施工過程中常出現(xiàn)的實(shí)際問題宜通過采用二次摻灰，即首次摻少量的石灰進(jìn)行悶灰，使過濕黏土砂化，便于施工，再進(jìn)行二次摻灰對土質(zhì)改良，以保證灰土拌合質(zhì)量。

（3）對于瀝青路面，盡管改性瀝青和SMA結(jié)構(gòu)對于防治裂縫等病害有明顯效果，但是優(yōu)化路面層集料級配和控制油石比才是提高路面材料性能和減少施工變異性的根本措施。

[1]JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG F10—2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]揚(yáng)州市市政建設(shè)處，東南大學(xué)交通學(xué)院.揚(yáng)州潤揚(yáng)北路延伸道路路基路面優(yōu)化設(shè)計(jì)咨詢報(bào)告[R].楊州，南京：揚(yáng)州市市政建設(shè)處，東南大學(xué)交通學(xué)院，2010.