過濕冰水堆積土路基填料摻灰改良試驗(yàn)研究

溫會(huì)軍

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 唐山 063000)

0 引 言

我國西南特別是川西階地區(qū)域，冰水堆積地貌分布廣泛.高含水率(過濕)冰水堆積土作為路基填料，其工程力學(xué)性質(zhì)較差、壓實(shí)操作困難，難以滿足公路路基填料要求.然而，其改良措施有別于傳統(tǒng)的軟基處理方案[1].

冰水堆積物是第四紀(jì)中更新世及晚更新世冰川所挾帶和搬運(yùn)的碎屑構(gòu)成的堆積物在冰川融水的搬運(yùn)堆積作用下所形成的沉積物，物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性較為復(fù)雜[2].因其成因類型不同，不同地域或同一地域不同地區(qū)的堆積物工程地質(zhì)特性差異巨大.在已有的地質(zhì)與土壤學(xué)領(lǐng)域研究基礎(chǔ)上，近些年來，許多專家學(xué)者在冰水堆積土的力學(xué)特性、路用性能、施工工藝等方面進(jìn)行了相關(guān)研究.石崇等[3]提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)生成顆粒流模型模擬冰水堆積體力學(xué)特性的新方法.祁昊等[4]針對(duì)含水率變化對(duì)桃坪冰水堆積物抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行了探究，得到了該類特殊土體強(qiáng)度衰減的非飽和強(qiáng)度特性.張杰[5]驗(yàn)證了冰水堆積物土體可以作為高速公路路基填料的可行性，提出了其作為高速公路填料的設(shè)計(jì)步驟及內(nèi)容，給出了冰水堆積物用于高速公路路基填筑的施工工藝[6].趙錦等[7]使用砂礫石填料夾層法進(jìn)行冰水堆積土路基施工，有效改善其壓實(shí)和沉降特性.李紅艷等[8]提出一種過濕冰水堆積土路基填料新型填筑方法，闡述了其作用機(jī)理，并通過離心模型試驗(yàn)技術(shù)得到雅安地區(qū)過濕冰水堆積土路基的沉降特征及水分遷移特性.在填料改良方面，唐京京[9]先后進(jìn)行了冰水堆積土路基填料的物理改良研究，通過泰勒曲線對(duì)填料的壓實(shí)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)原狀土的級(jí)配曲線和修改曲線之間的差異，定量改善填料的級(jí)配從而優(yōu)化其壓實(shí)性能.祝敏剛等[10]對(duì)綿陽地區(qū)冰水堆積土進(jìn)行了石灰改性研究，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其改良效果，得到綿陽地區(qū)冰水堆積土改良的最優(yōu)摻灰比.

本文以蒲都高速TJ-8標(biāo)路基工程項(xiàng)目為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析，對(duì)生石灰改良過濕冰水堆積土的物理性質(zhì)、工程與力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，解決本項(xiàng)目的工程問題，并為過濕冰水堆積土路基填料的路基設(shè)計(jì)與施工提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

在挖方段現(xiàn)場(chǎng)取樣，土樣含水率與卵礫石含量較高，卵礫石間有大量黏性顆粒，部分樁號(hào)土樣夾雜粉砂，土樣呈黃(褐)色，可塑性較好.依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[11-12]，土工試驗(yàn)結(jié)果見表1.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土樣和生石灰摻比(質(zhì)量比)為3%，4%，6%的改良土進(jìn)行試驗(yàn)研究.土的液塑限能反應(yīng)土顆粒和水之間相互作用的程度，可間接反映土體的工程性質(zhì).通過試驗(yàn)對(duì)土樣改良前后的液限、塑限、塑性指數(shù)的變化情況進(jìn)行研究.本試驗(yàn)采用液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定土的液限和塑限，進(jìn)而對(duì)土體類別進(jìn)行劃分，計(jì)算天然稠度(ωc)和塑性指數(shù)(IP).為保證路基填筑質(zhì)量，必須對(duì)填料的壓實(shí)特性進(jìn)行分析研究.通過擊實(shí)試驗(yàn)(重型擊實(shí)， II-2)得到路基填料的最大干密度和最佳含水率.通過加州承載比(CBR)試驗(yàn)得到土體的強(qiáng)度指標(biāo).

表1 原材料取樣及土工試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 界限含水率變化

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可將土分為兩類：低液限粘土(CL)和低液限粘土(CH).分別取代表性樁號(hào)K377+320和K381+240土樣進(jìn)行生石灰摻和后的界限含水率試驗(yàn)，結(jié)果見圖1.生石灰改良土的界限含水率試驗(yàn)結(jié)果見表2.在土體中摻入生石灰后，生石灰與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)作用.在土中加入石灰后發(fā)生離子交換作用，形成CaCO3，MgCO3等結(jié)晶體，使得土顆粒發(fā)生凝聚團(tuán)?；?土粒比表面積減小，結(jié)合力增大.由圖1可知，摻入生石灰改良后，兩樁號(hào)土體的塑性指數(shù)均降低，且對(duì)K377+320樁號(hào)土樣降低效果較為顯著.隨著摻灰比的不斷升高，改良土的液限值接近平穩(wěn)，塑性指數(shù)的減小由其塑限值的升高所致.可見，在土中加入一定量的生石灰，可以降低土的塑性，減弱其親水性，從而使土的工程性質(zhì)得到改善.

a) K377+320 b) K381+240

表2 界限含水率試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2 擊實(shí)特性

摻入生石灰后，土的最佳含水率升高且最大干密度降低.這主要是由于摻入生石灰拌和后，土中的細(xì)小顆粒發(fā)生凝結(jié)和凝聚，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成較大顆粒，影響土體的壓實(shí)性能.土中部分水分在水化反應(yīng)中消耗,自由水含量降低，水膜厚度減小，其對(duì)土粒間的摩擦力降低作用減小.試驗(yàn)結(jié)果：摻灰率為0，3%，4%和6%時(shí)，①對(duì)于K377+320，最佳含水率(%)/最大干密度(g/cm3)分別為16.90/1.793，17.80/1.714，18.60/1.720，19.50/1.751；②對(duì)于K381+240，二者分別為15.10/1.782，15.40/1.766，17.00/1.724，17.00/1.700.摻和生石灰改良后，土的最佳含水率升高，最大干密度降低.對(duì)于不同樁號(hào)的土樣，隨摻灰比的提升，其擊實(shí)特性的變化規(guī)律又有所差異.對(duì)于K377+320樁號(hào)土樣，隨著摻灰比的增大，改良土最佳含水率逐步升高，但最大干密度的降低效果逐漸減弱；對(duì)于K381+240樁號(hào)土樣，隨著摻灰比的增大，改良土的最大干密度逐步降低，但最佳含水率的提升效果無明顯增強(qiáng).

2.3 強(qiáng)度特性

為研究生石灰改良冰水堆積土的強(qiáng)度特性及其影響因素，對(duì)三種摻和比下(3%，4%，6%)的生石灰改良土進(jìn)行承載比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

a)壓實(shí)度

b)吸水率

c)實(shí)測(cè)膨脹率

d)實(shí)測(cè)CBR

對(duì)于同一土樣，當(dāng)摻灰比確定時(shí)，隨著擊實(shí)功的增大，改良土的壓實(shí)度增大，土體的強(qiáng)度(CBR值)也隨之提高；且隨著摻灰比的提升，改良土的強(qiáng)度值亦不斷提升.在路基的填筑施工過程中，可通過控制壓實(shí)度來確保改良土的強(qiáng)度特性；對(duì)于同一土樣，在相同的擊實(shí)功下，隨著生石灰摻和比的提升，改良土的吸水量和膨脹率不斷減小，土體強(qiáng)度逐步提高.摻灰比的增大使生石灰在土中吸水、膨脹、發(fā)熱效果得到提升，使土體進(jìn)一步擠密、脫水，提高土體密實(shí)度.摻和比的提升，使得改良土土顆粒間的凝聚與團(tuán)?；饔玫玫郊訌?qiáng)，使土體形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu).此外，結(jié)晶膠凝硬化作用隨著摻灰比的增大得到加強(qiáng)，具有水硬性和水穩(wěn)性膠凝物質(zhì)增多，在土的團(tuán)粒外圍形成穩(wěn)定的保護(hù)膜結(jié)構(gòu)，阻止水分進(jìn)入，土體水穩(wěn)定性和強(qiáng)度得到提升.

3 施工工藝

生石灰法改良中，生石灰與土體發(fā)生系列物理化學(xué)反應(yīng)，降低土體中細(xì)小的黏性顆粒的含量，有效降低其塑性、膨脹性和濕陷性，提高可壓實(shí)性；摻入生石灰不僅降水效果好，還可以提高細(xì)粒土的強(qiáng)度.與其他傳統(tǒng)的化學(xué)改良方法相比，生石灰改良具有較多優(yōu)點(diǎn).如在相同的配合比下，與熟石灰、粉煤灰和“二灰”(熟石灰加粉煤灰)相比，生石灰的降水效果更優(yōu)且短時(shí)間內(nèi)降水效果顯著；與水泥相比，生石灰在降低土體塑性指數(shù)方面效果明顯，且水泥的成分較為復(fù)雜，相應(yīng)的水化反應(yīng)較為復(fù)雜，可控性差，而且改良成本較高.本次需進(jìn)行改良的過濕冰水堆積土具有高液限和天然含水率的特性，改良的首要目的是快速降低其天然含水率，滿足路基填筑壓實(shí)要求.此外，土中含有大量卵礫石，此時(shí)水泥改良對(duì)土體強(qiáng)度的提高效果不明顯，且經(jīng)濟(jì)性較差.因此，本次改良采用生石灰法.同時(shí)，生石灰改良的不易拌和的缺點(diǎn)不可忽視，為充分發(fā)揮生石灰改良的效果，需進(jìn)一步改良路基填料的拌和與施工工藝.

采用生石灰改良過濕冰水堆積土進(jìn)行路基填筑，其主要工藝包括路基填料的制備與現(xiàn)場(chǎng)路基填筑施工.對(duì)于路基填料的制備，其重點(diǎn)與難點(diǎn)在于如何將生石灰與過濕冰水堆積土拌和均勻，得到高質(zhì)量的生石灰改良土；在路基填筑階段，首先按照設(shè)計(jì)要求厚度將填料攤鋪均勻，后根據(jù)可用機(jī)械設(shè)備的類型和數(shù)量，制定科學(xué)的方法進(jìn)行碾壓施工.

3.1 路基填料制備

1) 取土場(chǎng)場(chǎng)地平整 采用挖機(jī)對(duì)拌和生石灰所需場(chǎng)地進(jìn)行清理與平整.

2) 鋪設(shè)生石灰 采用4%摻和比(質(zhì)量比)進(jìn)行定量摻配，確定1 m3(1 m×1 m×1 m)的土體所需摻灰厚度H0(底面積1 m×1 m)，以生石灰的厚度為控制參數(shù)進(jìn)行定量撒布.取土場(chǎng)過濕冰水堆積土按照固定深度1 m進(jìn)行開挖，生石灰攤鋪厚度H0.此法不僅可以對(duì)生石灰摻量就行有效控制，還可以提高摻灰土的制備速率.此外還對(duì)灰劑量及含水量進(jìn)行檢測(cè),原材料的含水量檢測(cè)周期為1天，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整原材料的進(jìn)料數(shù)量.為便于路基壓實(shí)，盡量控制改良土含水率大于其最佳含水率1%～2%.

3) 拌和 采用挖掘機(jī)進(jìn)行初次翻拌，此次拌和使生石灰和土充分均勻，拌和好的灰土應(yīng)色澤均勻，無離析、成團(tuán)塊現(xiàn)象.拌和均勻后，進(jìn)行悶料處理.

4) 運(yùn)輸 改良土在拌和場(chǎng)拌和并完成悶料處理，經(jīng)檢測(cè)合格后，由挖掘機(jī)裝車，以自卸汽車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攤鋪.

3.2 路基填筑施工

1) 攤鋪 首先在將要填筑區(qū)段，畫上網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸采用6 m×10 m(也可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整尺寸)，每個(gè)網(wǎng)格卸載18 m3土.后采用挖機(jī)進(jìn)行翻拌，推土機(jī)進(jìn)行攤鋪，攤鋪厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求.攤鋪生石灰后，表面應(yīng)無留白，測(cè)量生石灰的松鋪厚度并根據(jù)改良土的含水率和干密度對(duì)摻灰量進(jìn)行校核.

2) 壓實(shí) 將填料分層均勻攤鋪，首先用鏟車推土機(jī)粗平，然后平地機(jī)精平，精平和粗平過程中形成2%左右的路拱，采用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓.碾壓時(shí)由路基兩側(cè)向中間，由低向高進(jìn)行碾壓，前后兩次輪跡需重疊1 m或大于半個(gè)輪跡，做到無漏壓、無死角、壓實(shí)均勻；振動(dòng)壓路機(jī)運(yùn)行速度3～5 km/h，先慢后快，逐步提高；碾壓控制按靜碾壓1遍(穩(wěn)壓)+振動(dòng)碾壓(弱振2遍、強(qiáng)振2遍)+靜碾壓1遍(收光)的碾壓方法進(jìn)行施工；壓路機(jī)一進(jìn)一退計(jì)為壓實(shí)一遍，靜壓開始后，如有凸凹不平現(xiàn)象，必須配合人工找平處理，保證壓實(shí)均勻.注意碾壓時(shí)保持速度一致，不得中途轉(zhuǎn)向.第一遍穩(wěn)壓時(shí)不帶振，待基本壓實(shí)后用高振幅低頻率振動(dòng)碾壓，待壓路機(jī)有反彈現(xiàn)象時(shí)，改用低振幅高頻率碾壓，直到碾壓后無明顯輪跡為止.試驗(yàn)段路基填筑時(shí)填料分層攤鋪，分層碾壓，當(dāng)層碾壓完畢驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一層連續(xù)填筑施工.

4 結(jié) 論

1) 過濕冰水堆積土無法直接用于路基填筑.頻繁降雨使冰水堆積土長期處于富水過濕狀態(tài)，非雨季的含水率為其最佳含水率的兩倍以上，造成路基填筑施工困難，無法滿足碾壓要求.

2) 摻生石灰能夠有效改善過濕冰水堆積土的塑性.過濕冰水堆積土液限值和塑性指數(shù)較高，親水性較強(qiáng).摻和生石灰改良后，過濕冰水堆積土的塑性指數(shù)降低50%以上，有效降低其親水性.

3) 摻生石灰能夠有效改善過濕冰水堆積土的壓實(shí)特性.摻和生石灰改良后，土的最佳含水率增大超10%，最大干密度降低.對(duì)于不同土質(zhì)，隨著摻灰比的增大，最佳含水率和最大干密度的變化規(guī)律有所不同.

4) 摻生石灰能有效提高過濕冰水堆積土的強(qiáng)度.在一定的壓實(shí)功下，隨著摻灰比的提高，生石灰冰水堆積土的實(shí)測(cè)CBR值增大，土體強(qiáng)度增強(qiáng)，但CBR值得增長速率隨著石灰摻入量的增大而減小.在最小擊實(shí)功能和最低摻灰比條件下CBR值仍大于6，且在最低摻灰比下，通過增大擊實(shí)功，CBR值亦可達(dá)到9.8，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求.

5) 生石灰摻和比存在最優(yōu)值.不同地區(qū)的過濕冰水堆積土其工程性質(zhì)存在一定的差異性，過濕冰水堆積土的生石灰改良，在技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則下存在最佳摻灰比，可達(dá)到最優(yōu)的工程效果.不能盲目增大和減小摻灰比，對(duì)于不同土質(zhì)應(yīng)在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，綜合考慮具體工程條件，確定合理摻灰比.