石灰穩(wěn)定法處理軟弱路基的應(yīng)用研究

甄俊杰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

我國(guó)黃河流域的軟弱地基形成時(shí)代較晚，多數(shù)欠固結(jié)，地基土主要為粉質(zhì)砂土，地基承載力較低，不能滿足我國(guó)公路設(shè)計(jì)的基本要求。粉質(zhì)砂土，顆粒細(xì)小，層理清晰，具有一定的結(jié)構(gòu)和觸變性[1]。目前對(duì)濕軟地基主要通過(guò)石灰、水泥、土壤固化劑等材料進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，或者通過(guò)強(qiáng)夯、擠密樁等方式提高地基承載力[2]。文章以山西某高速公路濕軟地基實(shí)體工程為依托，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)該路段地基土的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，對(duì)石灰穩(wěn)定土的物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，為以后的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 原材料物理性質(zhì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)石灰穩(wěn)定土原材料的物理性質(zhì)進(jìn)行研究，為穩(wěn)定土的配合比設(shè)計(jì)及性能研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 粉砂土的物理性質(zhì)

根據(jù)工程實(shí)際情況，選取有代表性的土樣。測(cè)定土粒度分布、比重、孔隙比、液塑限等物理指標(biāo)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析粉砂土的工程性質(zhì)特點(diǎn)。

1.1.1 粉砂土的顆粒組成

土的顆粒組成對(duì)其結(jié)構(gòu)特性起到?jīng)Q定性作用，會(huì)對(duì)土的工程性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。從外觀上看，該路段的粉砂土的砂粒中夾帶粉土粒、無(wú)膠結(jié)現(xiàn)象、較難搓成土條、干燥時(shí)成粉末狀、砂粒較多。采用篩分法和密度計(jì)法[3]測(cè)試土樣的顆粒組成，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，粒徑分布曲線如圖1所示。

表1 粉砂土顆粒篩分結(jié)果

圖1 粉砂土級(jí)配曲線

由表1可知，粉砂土的顆粒粒徑主要集中在0.25～0.002 mm之間，砂粒含量占總土質(zhì)量的60%以上，粉粒含量在25%左右，黏粒含量不到5%。粉砂土的黏粒含量極少，會(huì)降低粉砂土顆粒的表面活性及黏性、增強(qiáng)其松散性，最終導(dǎo)致其水穩(wěn)定性較差。不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大，表示土粒大小分布范圍大，土的級(jí)配良好。曲率系數(shù)Cc則是描述累計(jì)曲線的分布范圍，反映累計(jì)曲線的整體形狀。通過(guò)規(guī)定不均勻系數(shù)Cu＜5時(shí)，稱為勻粒土，級(jí)配不好；Cu＞l0時(shí)，稱為級(jí)配良好的土。當(dāng)同時(shí)滿足不均勻系數(shù)Cu＞5和曲率系數(shù)Cc=l～3這兩個(gè)條件時(shí)，土為級(jí)配良好的土；如不能同時(shí)滿足，土為級(jí)配不良土。該路段的土樣不均勻系數(shù)Cu為2.1，小于5，級(jí)配曲線不連續(xù)，屬于級(jí)配不良土。用此類土體修筑高速公路路基時(shí)必須采取合理的穩(wěn)定措施進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，以改善其級(jí)配和水穩(wěn)定性，達(dá)到規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

1.1.2 土的比重及液塑限

利用比重瓶法和虹吸筒法測(cè)定粉砂土的比重，采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定器液塑限。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉砂土物理指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由表2可知，粉砂土的天然孔隙比較大，說(shuō)明該路段的粉砂土具有較強(qiáng)的透氣性與透水性，但該路段的地下水位較高，土基的含水率基本都在20%左右，因此對(duì)石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性要求較高。而塑性指數(shù)偏低，且粉砂土的級(jí)配較差，黏粒含量極少，如果對(duì)其進(jìn)行改良設(shè)計(jì)路基土很難達(dá)到設(shè)計(jì)的壓實(shí)度及強(qiáng)度。

1.2 石灰

石灰從當(dāng)?shù)刭?gòu)買，消石灰氧化鈣和氧化鎂含量為55.0%，是三級(jí)消石灰，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 石灰技術(shù)指標(biāo)

石灰的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都能夠滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）的基本要求。

2 石灰穩(wěn)定土性能研究

路基土在車輛荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生殘余變形和彎拉破壞。因此在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)時(shí)必須保證足夠的厚度，同時(shí)還要求路基具有較好的整體強(qiáng)度和剛度。本節(jié)將對(duì)石灰穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度及水穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

改變石灰摻量進(jìn)行室內(nèi)土工擊實(shí)試驗(yàn)，得到一系列含水率-干密度關(guān)系曲線，根據(jù)最大干密度原則確定出不同石灰摻量所對(duì)應(yīng)的最佳含水率，其中石灰摻量依次取0%、10%、12%、14%、16%；初始拌和用水量依次取8%、10%、12%、14%、16%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 石灰穩(wěn)定土擊實(shí)曲線

從表4和圖2中可以看出，粉砂土的干密度隨著含水率的變化會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，即最佳含水率。主要是因?yàn)楹瘦^低時(shí)，顆粒間的結(jié)合水膜較薄，顆粒相互運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到較大的摩阻力，不利于擊實(shí)；當(dāng)含水率較高時(shí)，顆粒間會(huì)存在大量孔隙水，不利于顆粒的靠攏及壓實(shí)，干密度也隨著減小。從圖2可以確定出不同石灰含量下穩(wěn)定土的最佳含水量，見(jiàn)表5。

表5 最大干密度和最佳含水量

圖3 最佳含水量與最大干密度變化曲線

從圖3可以看出，隨著石灰用量的增加，最佳含水量不斷增大，最大干密度不斷減小。這主要是由于石灰與土在水的作用下會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)物理反應(yīng)，需要消耗一定量的水，導(dǎo)致土-石灰體系的體積膨脹，從而降低穩(wěn)定土的干密度。而當(dāng)石灰摻量超過(guò)一定量時(shí)，石灰土的穩(wěn)定性也不斷增強(qiáng)，膨脹性減小，因此不會(huì)對(duì)干密度產(chǎn)生較大的影響。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2009）中無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，采用上述擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水量，通過(guò)靜力壓實(shí)法制備直徑×高＝50 mm×50 mm的穩(wěn)定土試件，測(cè)試其7 d、14 d和28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

由表6可知，石灰穩(wěn)定土的7 d、14 d和28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都隨著石灰用量的增加而增大，這主要是因?yàn)槭遗c土在水的作用下會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)物理反應(yīng)，增加土粒間的黏結(jié)作用，形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的整體。而我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50—2006[4]中明確規(guī)定石灰穩(wěn)定類底基層的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不能低于0.8 MPa，從表6中可以看出，只有當(dāng)石灰用量達(dá)到14%時(shí)才能滿足要求。

綜上所述，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選擇16%的石灰用量對(duì)路基土進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。

2.3 水穩(wěn)定性研究

由于該路段地下水位較高，穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性是影響路基穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此必須對(duì)石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究。選用14%和16%石灰摻量，改變拌和用水量，測(cè)試其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，通過(guò)分析強(qiáng)度變化來(lái)評(píng)價(jià)石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 MPa

從表7和圖4中可以看出，當(dāng)用水量在最佳含水率附近時(shí)石灰穩(wěn)定土具有較大的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)石灰摻量為14%時(shí)，7 d無(wú)側(cè)限抗壓隨用水量變化的波動(dòng)較大，且當(dāng)含水率低于12%時(shí)，無(wú)側(cè)限強(qiáng)度低于0.8 MPa，不能滿足規(guī)范要求。而當(dāng)石灰摻量為16%時(shí)，用水量在8%～16%的范圍內(nèi)都能夠滿足規(guī)范要求，說(shuō)明石灰穩(wěn)定土具有較好的水穩(wěn)定性能。而16%水泥用量的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，主要是由于過(guò)量的水泥可以作為填料填充穩(wěn)定土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度性能。

圖4 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度隨水泥用量的變化規(guī)律

綜上所述，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及水穩(wěn)定性研究結(jié)果，選擇16%的石灰用量對(duì)路基土進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。

3 工程應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)

采用16%的石灰摻量對(duì)路基土進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

3.1 施工工藝

石灰穩(wěn)定的施工工藝會(huì)對(duì)路基土的整體強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，在此推薦采用路拌法流水作業(yè)施工。施工工藝流程如下：準(zhǔn)備下承層、備料攤土、整平和壓實(shí)、卸置和攤鋪石灰、拌和、灑水、整形碾壓、養(yǎng)生。

施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制石灰的撒鋪均勻性及拌和用水的噴灑量；拌和時(shí)要保證底層沒(méi)有素土夾層；最終要保證足夠的壓實(shí)度。

3.2 施工質(zhì)量檢測(cè)

施工完畢后，采用灌沙法[5]檢測(cè)其壓實(shí)度；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生7 d，測(cè)試其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 實(shí)體工程檢測(cè)結(jié)果

由表8可知，施工完畢后的路基壓實(shí)度和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都能夠滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50—2006中的要求，說(shuō)明濕軟地基經(jīng)過(guò)16%的石灰改良處理能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)體工程對(duì)濕軟地基進(jìn)行石灰改良設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該路段粉砂土的不均勻系數(shù)為2.1，曲率系數(shù)為31.4，為不良級(jí)配。室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，隨著石灰用量的增加，最佳含水量不斷增大，最大干密度不斷減??；石灰穩(wěn)定土的7 d、14 d和28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都隨著石灰用量的增加而增大；石灰摻量為16%時(shí)，石灰穩(wěn)定土具有較好的水穩(wěn)定性。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)最終確定采用16%的石灰用量對(duì)路基土進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。實(shí)體工程檢測(cè)表明，石灰穩(wěn)定土路基的壓實(shí)度和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都滿足要求。