基于穩(wěn)定性改良的路基土設計研究

■鞏躍龍

(山西交通控股集團有限公司晉城高速公路分公司，晉城 048000)

0 引言

中國各類公路里程的迅猛增長， 從根本上解決了國內(nèi)交通運輸力量不足的棘手問題， 從而為我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展提供了動力。 伴隨著中國公路建設總里程的快速上升，在其路基施工階段所產(chǎn)生的棄方、借方浪費了許多土地面積。

為促進公路建設的發(fā)展， 導致了許多土地被消耗和占用，而這個數(shù)字還在不斷地上升，且有愈演愈烈之勢。全球油頁巖儲量非常巨大，尤其對中國來說，其儲量在全球位列第四，僅美國、巴西以及愛沙尼亞三個國家的儲量高于中國。劉招君認為油頁巖是一種固態(tài)有機可燃礦產(chǎn)，并且其中的有機質(zhì)含量水平很高，而其熱值也相當可觀，可以有效利用。李長雨等對粉煤灰土進行了改良，選用了橡膠顆粒進行試驗，取得了很好的效果，提升了粉煤灰土的各方面性能。

現(xiàn)階段對穩(wěn)定性不足的路基土進行改良的方案，大多數(shù)都集中在對傳統(tǒng)無機材料的使用上， 包括采用粉煤灰、水泥乃至石灰等等[5-6]。 本文基于我國盛產(chǎn)的油頁巖，并對其廢渣浪費問題加以重視， 將其與粉質(zhì)黏土以及粉煤灰按一定比例混合， 進而得到了適用于工程建設的路基改良土，經(jīng)過各類嚴格的測試與對比，提出了5種不同的摻配比例，測量其承載比CBR值、液塑限、標準擊實情況、立方體抗壓強度以及剪切特性，并從中篩選出了適合應用于路基穩(wěn)定性改良的3種。

1 原材料特性

1.1 油頁巖灰渣

試驗采用的油頁巖灰渣性狀為燃燒灰渣狀態(tài)。試驗進行前對其進行了分析，發(fā)現(xiàn)其燒失量僅為5.82%，經(jīng)測定其比表面積約為18.24m2/g，塑性指數(shù)11.7。 主要化學成分為二氧化硅，三氧化二鐵，三氧化二鋁，氧化鈣，氧化鎂，氧化鉀等等，其中二氧化硅，三氧化二鐵以及三氧化二鋁的成分占比可達78.49%。 其成分具體檢測占比結(jié)果見表1。

油頁巖灰渣顆粒級配曲線見下圖1。

圖1 油頁巖灰渣的級配曲線

表1 油頁巖燃燒灰渣化學成分表

為了得到原材料中油頁巖灰渣的不均勻系數(shù)、 曲率系數(shù)，通過公式計算發(fā)現(xiàn)其不均勻系數(shù)Cu為6.96，曲率系數(shù)Cc為0.47，總體來說，可以認為該材料的級配并不理想。

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生產(chǎn)過程中， 燃燒后得到的粉末或者顆粒狀產(chǎn)物，分析其化學成分：粉煤灰主要是由是二氧化硅、三氧化二鋁和三氧化二鐵包括氧化鈣等成分組成。本試驗優(yōu)選是I級F類高性能粉煤灰，其密度是2160kg/m3，細度是6.9%，燒失量是0.75%，需水量比是94.1%；其主要性能指標見下表2。

表2 粉煤灰化學成分表

1.3 粉質(zhì)黏土

粉質(zhì)黏土的分布地區(qū)較為集中， 在我國東北部地區(qū)的分布量尤為巨大。 粉質(zhì)黏土的塑性指數(shù)最低為9.5，最高可達17.6，而且它有著非常明顯的凍脹敏感性。 本試驗優(yōu)選了各方面性能較為普遍的粉質(zhì)黏土， 對其進行土體性能檢測，其測定的各指標見下表3。

表3 粉質(zhì)黏土相關技術(shù)指標

2 初擬配合比

為有效改良路基土的穩(wěn)定性， 本試驗選用了油頁巖燃燒灰渣、粉煤灰以及粉質(zhì)黏土進行摻配，對各材料之間的摻配比例進行確定。

考慮到油頁巖燃燒灰渣的回收利用率問題， 同時考慮到其和粉煤灰以及粉質(zhì)黏土的總體顆粒級配組成結(jié)構(gòu)。 認為油頁巖燃燒灰渣的摻配比例應該大于29%，復合物中的粉煤灰干質(zhì)量比∶粉質(zhì)黏土干質(zhì)量比=19∶39。 以此為基礎，對3種材料之間的比例按照控制變量法的原則進行確定，最終得到的結(jié)果如下：油頁巖燃燒灰渣、粉煤灰以及粉質(zhì)黏土的干質(zhì)量比值為39%∶19%∶39%。 在該復摻比例的條件下， 調(diào)整對比3個材料中任意兩種材料的比例，并在此基礎上延伸和擴展。 然后提出了5種混合比例用于室內(nèi)基礎試驗， 在5種混合比例中通過數(shù)據(jù)對比分析，再選擇3種優(yōu)選混合比例，最終進行穩(wěn)定性不良土體的穩(wěn)定性改良試驗。表4詳述了在試驗開始時確定的復摻比例情況。

表4 初擬的三種材料復摻比例

3 試驗研究

3.1 擊實試驗

針對上文所提到的按照初擬配合比復摻的土體進行了擊實試驗。部分油頁巖灰渣的體積較大，使用和測定前需將其打成體積較小的碎塊。粉質(zhì)黏土含水較多，對其碾壓磨碎之前需要先進行風干處理。 將處理過的油頁巖灰渣和粉質(zhì)黏土過40mm篩。 對油頁巖灰渣、粉煤灰以及粉質(zhì)黏土三種原材料的的初始含水率進行測定， 其初始含水率分別是1.376%、5.224%、25.382%。

選用干土擊實法，按照上文初擬的5種配合比，每個預制好6個樣本， 得到每個樣本的含水率呈線性遞增規(guī)律，以此探究含水率的影響。對于不同含水量下的每個配合比樣本，計算油頁巖灰渣，粉煤灰以及粉質(zhì)粘土這三個原材料中任意一個所需的用水情況。 按上述配合比比例進行復摻，與水混合，并且在壓實測試之前將混合好的樣本靜置12h。 隨后以干土擊實法進行相關的擊實試驗，隨后進行稱重，進行含水率測定。

針對油頁巖灰渣、 粉煤灰以及粉質(zhì)黏土復摻得到的這種改良路基土，在對其擊實試驗后的含水率測定時，要嚴格限制大體積的油頁巖灰渣塊數(shù)目， 選取油頁巖灰渣試樣時，要提取較為均勻、穩(wěn)定并且體積較小處的油頁巖灰渣測定其含水率。 此外，對于油頁巖灰渣樣本的測定，還要多地取樣，以保證其代表性。 以便得到線型良好、不含有過多無效數(shù)據(jù)的油頁巖灰渣擊實曲線圖，最終得到6個配合比對應的最大干密度和最佳含水率情況。

在確定復摻混合物的水分含量后，通過計算得到5種配合比條件下的最佳水分含量以及最大干密度。 若配合比干質(zhì)量中的粉煤灰占比相對更大， 則樣本測定計算出來的最大干密度會比較小，但其最佳含水率會很大；如果能夠合理控制低穩(wěn)定性改良路基土中粉煤灰摻量， 能相對地增大路基土的干密度大小，同時可以限制其含水率。保持粉質(zhì)黏土的摻加比例不同， 控制其中摻加更多的油頁巖廢渣比重，則能顯著增大改良路基土的干密度。另一提升路基土干密度的方式是控制油頁巖廢渣占比不變，削減其中的粉煤灰占比，同時增加粉質(zhì)黏土的占比。按本文上述的5種配合比摻配的穩(wěn)定性改良路基土的最大干密度以及最佳含水率測定結(jié)果見下表5。

3.2 界限含水率試驗

以數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀對各配合比的改良路基土進行測定，其測定結(jié)果如下表6所示。 從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，5組摻配比例的樣本液限和塑限差距不大，但其塑性指數(shù)有著較為明顯的不同。

3.3 承載比CBR測定

對上文初擬的5組摻配比例的改良路基土測定其承載比（CBR）。 每個摻配比例的含水率均優(yōu)選最佳含水率進行復摻，每個比例得到制備3個對比組。 完成貫入試驗之后對結(jié)果進行處理和計算， 之后計算出CBR承載比的數(shù)值，見下表7。

表5 不同配合比的擊實試驗結(jié)果

表6 改良土液限和塑限測定結(jié)果

表7 不同摻配情況的CBR承載比

3.4 立方體抗壓強度測試

對5組摻配比例的改良路基土進行150mm立方體抗壓強度測定，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過復摻改良加固的土體3d抗壓強度處于0.25MPa～0.35MPa之間；經(jīng)過7d養(yǎng)護后，其抗壓強度處于0.35MPa～0.45MPa之間；再經(jīng)過28d養(yǎng)護后，其抗壓強度處于0.40MPa～0.50MPa之間。其中以第三組改良路基抗壓強度值最高。以該組編號加固土體為例，其3d抗壓強度值可達總強度值的66%，7d抗壓強度值可達總強度值的90%。 在實際土體加固施工工程中，加固后土體可以在7d時間內(nèi)基本達到使用強度使用強度按要求， 從而增強路基穩(wěn)定性，保證施工安全性。 有必要的話，可以配合一定的水泥注漿材料進行復合使用， 從而進一步增強其穩(wěn)定性。

圖2 改良加固后土體強度測定

3.5 剪切特性測試

對于常規(guī)的粉質(zhì)黏土進行直剪試驗， 常選定其垂直壓力為100～400kPa范圍。本文選用了上述5組改良后的土體樣本，并規(guī)定了其含水率為最佳含水率，從而得到對應狀態(tài)下穩(wěn)定性改良土體剪切特性。 為了分析穩(wěn)定性改良后的路基土邊坡穩(wěn)定性， 選用圓弧滑移理論作為理論參照方案，其中涉及到了部分參數(shù)：ρ（密度）、c（黏聚力）、ω（含水量）、H（邊坡高度）等等，同時還規(guī)定了s（土體沉降量），用以分析邊坡變化。

在實驗過程中，首先確定配合比為39∶29∶29的改良粉質(zhì)黏土樣本在含水率為13.49%條件下的內(nèi)摩擦角以及黏聚力，分別在4種垂直壓力條件下，不斷采集剪切破壞過程中的各個指標， 同時建立粉質(zhì)黏土的法向應力以及抗剪強度間關系曲線，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 法向應力與抗剪程度間關系曲線

按照土體的強度理論公式τ=c+σtanφ， 通過計算擬合得出τ=5.065+σtan38.7，相關系數(shù)R2= 0.99889，其擬合程度很高，判斷出樣本的黏聚力c=5.065kPa，內(nèi)摩擦角φ=38.7°，垂直壓力為100kPa時，τf1=46.8454kPa；垂直壓力為200kPa 時，τf2=84.8234kPa； 垂 直 壓 力 為300kPa 時，τf3=128.8654kPa；垂直壓力為400kPa時，τf4= 168.3842kPa。

以上述測試及計算方法， 將其余四組改良后粉質(zhì)黏土的剪切特性進行分析，得到的數(shù)據(jù)如下表8所示。

表8 不同摻配情況的剪切特性測試結(jié)果

4 配合比選擇

在路基工程建設的過程中， 增加路基土的密度可以增加土的抗剪強度，降低土的壓縮性和滲透性。通過干土擊實法獲得的改良路基土最大干密度也能夠一定程度上反映其工程性質(zhì)。 綜合考慮干土擊實法、承載比、立方體抗壓強度以及剪切特性的測定， 同時考慮到有效利用油頁巖廢渣和粉煤灰廢棄物，達到保護耕地、減少污染的目的，最終優(yōu)選出油頁巖廢渣、粉煤灰以及粉質(zhì)黏土的干質(zhì)量比重分別為34∶24∶39、39∶19∶39和44∶14∶39， 以此作為路基土穩(wěn)定性改良的最優(yōu)配合比。

5 結(jié)論

（1）初擬了油頁巖燃燒灰渣、粉煤灰以及粉質(zhì)黏土的干質(zhì)量比值為39%∶19%∶39%。在該復摻比例的條件下，調(diào)整對比3個材料中任意2種材料的比例， 并在此基礎上延伸和擴展，然后提出了5種混合比例用于室內(nèi)基礎試驗。

（2）若配合比干質(zhì)量中的粉煤灰占比大，則樣本最大干密度會較小，但其最佳含水率很大；如果保持粉質(zhì)黏土的摻加比例不同，控制其中摻加更多的油頁巖廢渣比重，則能夠顯著增大改良路基土的干密度大小。

（3）本文最終選出油頁巖廢渣、粉煤灰以及粉質(zhì)黏土的干質(zhì)量比重分別為34∶24∶39、39∶19∶39和44∶14∶39， 作為路基土穩(wěn)定性改良的最優(yōu)配合比。