土壤固化劑在鐵路施工道路路基處理中的應(yīng)用

楊富民，孫成曉，何軍利，李 晨，閆俊潔

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

1 工程概況

新建鄭州至萬(wàn)州鐵路河南段站前工程ZWZQ-3標(biāo)段一分部起訖里程為DK89+970—DK98+956.29，線路長(zhǎng)度8.986 km。設(shè)計(jì)孝山隧道西側(cè)鋪設(shè)臨時(shí)道路，臨時(shí)道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為40 cm煤矸石+20 cm級(jí)配碎石，后期由于煤矸石供應(yīng)量不足、原材料價(jià)格上漲，雨季道路維修次數(shù)多影響施工進(jìn)度，因此在孝山隧道出口臨時(shí)道路選取100 m進(jìn)行固化土試驗(yàn)。試驗(yàn)段道路寬5 m，其中40 m試驗(yàn)段在已鋪設(shè)厚20 cm的煤矸石地段進(jìn)行，路基結(jié)構(gòu)為煤矸石層和固化土基層，其余試驗(yàn)段使用固化土進(jìn)行施工，其路基結(jié)構(gòu)為固化土底基層和固化土基層。

2 固化土混合料配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)RISN-TG003—2007《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》[1]對(duì)試驗(yàn)段路基固化土混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。在滿足無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較確定土壤固化劑和水泥摻量。

2.1 原材料

1)水泥。42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間170 min，終凝時(shí)間210 min，3 d抗壓強(qiáng)度26.5 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度52.7 MPa，安定性合格。

2)土壤固化劑。采用TK-G型離子型液體土壤固化劑，固化劑性能依據(jù)CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》[2]進(jìn)行檢測(cè)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比為140.1%，水穩(wěn)系數(shù)比為117.7%，凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)比為109.2%，其他指標(biāo)均滿足CJ/T 486—2015技術(shù)要求。

2.2 最佳含水率和最大干密度檢測(cè)

依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[3]中標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)方法測(cè)定固化土混合料物理性質(zhì)。通過(guò)曲線擬合的方法擬合出固化土混合料最佳含水率和最大干密度的關(guān)系曲線[4]。固化土基層混合料和底基層混合料最佳含水率和最大干密度見表1。該試驗(yàn)所檢測(cè)的固化土基層混合料和底基層混合料均為素土和水泥的拌合物，未添加土壤固化劑。固化土基層混合料和底基層混合料水泥摻量分別為5%和3%。水泥采用外摻，摻量以固化土混合料重量計(jì)。

表1 固化土基層、底基層混合料最佳含水率和最大干密度

3 試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)RISN-TG003—2007和CJJ 37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中固化土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求對(duì)試驗(yàn)段路基進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，盡可能減少固化土施工所用材料的采購(gòu)和運(yùn)輸，就地取材，大量使用隧道挖掘出的土壤和碎石進(jìn)行固化土層施工。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定試驗(yàn)段固化土路基結(jié)構(gòu)與厚度方案。試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 路基結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)和凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)試驗(yàn)

道路基層和底基層的抗壓強(qiáng)度是衡量道路性能的重要指標(biāo)。JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》[6]中規(guī)定：二級(jí)及二級(jí)以下公路的基層抗壓強(qiáng)度為2.5～3.0 MPa，底基層抗壓強(qiáng)度為1.5～2.0 MPa。

按照試驗(yàn)規(guī)程要求制作固化土基層混合料和底基層混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件。試件成型時(shí)設(shè)定壓實(shí)度為96%，根據(jù)最佳含水率和最大干密度稱取每個(gè)試件混合料用量，裝入直徑50 mm、高度50 mm的試模中，將試模置于成型機(jī)上加壓成型，然后卸載，脫模得到試件，養(yǎng)護(hù)后測(cè)試試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。固化土基層混合料和底基層混合料中土壤固化劑摻量分別為0.018%和0.014%。土壤固化劑采用外摻，摻量以固化土混合料重量計(jì)。試件養(yǎng)護(hù)方式及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 固化土底基層混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出：固化土底基層混合料添加土壤固化劑后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到大幅度提高，較基準(zhǔn)試件(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d)增長(zhǎng)了24.4%，表明土壤固化劑具有較好的早強(qiáng)作用，可顯著提高固化土底基層混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表3 固化土基層混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

采用CJ/T 486—2015中水穩(wěn)系數(shù)和凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)計(jì)算方法，得出固化土底基層混合料的水穩(wěn)系數(shù)和凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)。通過(guò)對(duì)比可以得出，加入土壤固化劑后固化土底基層混合料水穩(wěn)系數(shù)提高11.8%，說(shuō)明土壤固化劑對(duì)施工后固化土水穩(wěn)定性能有改善作用。加入土壤固化劑后固化土底基層混合料凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)提高8.2%，表明放置4 h后成型對(duì)固化土底基層混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)不利影響，且從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，放置4 h后固化土底基層混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖有一定程度的損失但仍高于未添加土壤固化劑的固化土混合料。凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)的提高延長(zhǎng)了固化土底基層混合料的工作時(shí)間，這為固化土施工提供了有利條件，同時(shí)水穩(wěn)系數(shù)的提高保證了固化土底基層在水浸情況下的承載能力。

對(duì)比表2和表3可以看出：固化土基層混合料標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較底基層提高31.4%，表明水泥和土壤固化劑摻量的提高可進(jìn)一步增大固化土基層混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析固化土基層混合料水穩(wěn)系數(shù)和凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律與固化土底基層增長(zhǎng)規(guī)律基本一致。

4.2 回彈彎沉試驗(yàn)和浸水膨脹量檢測(cè)

回彈彎沉值是表征路基路面承載能力的重要指標(biāo)?；貜棌澇林涤?，路基路面的承載能力愈小，反之則愈大。采用貝克曼梁法測(cè)回彈彎沉值，測(cè)試對(duì)象為60 m試驗(yàn)段路基路面。不同齡期路基路面的彎沉值測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 不同齡期路基路面的彎沉值

由表4可知：試驗(yàn)段路基施工1 d彎沉檢測(cè)值為67.04×10-2mm，滿足JTJ 034—2000中次干路路面彎沉值小于70×10-2mm的要求，表明土壤固化劑具有較好的早強(qiáng)作用。在回彈彎沉試驗(yàn)的同時(shí)對(duì)固化土浸水膨脹量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為0.019%。表明固化后基層水穩(wěn)定性能良好。由此可見，摻入土壤固化劑后提高了道路的承載能力。

4.3 施工效果

試驗(yàn)段施工完成后，對(duì)其使用效果進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。試驗(yàn)段完成后12 h即可通行40 t裝載車且無(wú)車轍痕跡，通車1年使用情況良好，施工單位維修次數(shù)大幅度減少。原設(shè)計(jì)臨時(shí)道路與試驗(yàn)段使用1年后效果對(duì)比見圖2。

圖2 原設(shè)計(jì)臨時(shí)道路與試驗(yàn)段使用1年后效果對(duì)比

5 結(jié)論

1)土壤固化劑對(duì)固化土混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)和凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)均有較大幅度的提高。摻入土壤固化劑后固化土底基層混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高24.4%，水穩(wěn)系數(shù)提高11.8%，凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)提高8.2%；固化土基層混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較固化土底基層混合料提高31.4%，表明在固化土中水泥和土壤固化劑摻量的提高可進(jìn)一步增大固化土混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，保證道路基層結(jié)構(gòu)的承載能力。

2)路基路面1 d彎沉值即可達(dá)到67.04×10-2mm，滿足道路使用要求。摻入土壤固化劑的固化土層浸水膨脹量為0.019%，說(shuō)明土壤固化劑可改善固化土層水穩(wěn)定性能。