基于穩(wěn)定性改良的路基土設(shè)計(jì)研究

■鞏躍龍

(山西交通控股集團(tuán)有限公司晉城高速公路分公司，晉城 048000)

0 引言

中國(guó)各類公路里程的迅猛增長(zhǎng)， 從根本上解決了國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸力量不足的棘手問(wèn)題， 從而為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了動(dòng)力。 伴隨著中國(guó)公路建設(shè)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(fèi)了許多土地面積。

為促進(jìn)公路建設(shè)的發(fā)展， 導(dǎo)致了許多土地被消耗和占用，而這個(gè)數(shù)字還在不斷地上升，且有愈演愈烈之勢(shì)。全球油頁(yè)巖儲(chǔ)量非常巨大，尤其對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，其儲(chǔ)量在全球位列第四，僅美國(guó)、巴西以及愛(ài)沙尼亞三個(gè)國(guó)家的儲(chǔ)量高于中國(guó)。劉招君認(rèn)為油頁(yè)巖是一種固態(tài)有機(jī)可燃礦產(chǎn)，并且其中的有機(jī)質(zhì)含量水平很高，而其熱值也相當(dāng)可觀，可以有效利用。李長(zhǎng)雨等對(duì)粉煤灰土進(jìn)行了改良，選用了橡膠顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)穩(wěn)定性不足的路基土進(jìn)行改良的方案，大多數(shù)都集中在對(duì)傳統(tǒng)無(wú)機(jī)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(guó)盛產(chǎn)的油頁(yè)巖，并對(duì)其廢渣浪費(fèi)問(wèn)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(jìn)而得到了適用于工程建設(shè)的路基改良土，經(jīng)過(guò)各類嚴(yán)格的測(cè)試與對(duì)比，提出了5種不同的摻配比例，測(cè)量其承載比CBR值、液塑限、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)情況、立方體抗壓強(qiáng)度以及剪切特性，并從中篩選出了適合應(yīng)用于路基穩(wěn)定性改良的3種。

1 原材料特性

1.1 油頁(yè)巖灰渣

試驗(yàn)采用的油頁(yè)巖灰渣性狀為燃燒灰渣狀態(tài)。試驗(yàn)進(jìn)行前對(duì)其進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其燒失量?jī)H為5.82%，經(jīng)測(cè)定其比表面積約為18.24m2/g，塑性指數(shù)11.7。 主要化學(xué)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(dá)78.49%。 其成分具體檢測(cè)占比結(jié)果見(jiàn)表1。

油頁(yè)巖灰渣顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)下圖1。

圖1 油頁(yè)巖灰渣的級(jí)配曲線

表1 油頁(yè)巖燃燒灰渣化學(xué)成分表

為了得到原材料中油頁(yè)巖灰渣的不均勻系數(shù)、 曲率系數(shù)，通過(guò)公式計(jì)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(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為該材料的級(jí)配并不理想。

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生產(chǎn)過(guò)程中， 燃燒后得到的粉末或者顆粒狀產(chǎn)物，分析其化學(xué)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(yàn)優(yōu)選是I級(jí)F類高性能粉煤灰，其密度是2160kg/m3，細(xì)度是6.9%，燒失量是0.75%，需水量比是94.1%；其主要性能指標(biāo)見(jiàn)下表2。

表2 粉煤灰化學(xué)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(guó)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(dá)17.6，而且它有著非常明顯的凍脹敏感性。 本試驗(yàn)優(yōu)選了各方面性能較為普遍的粉質(zhì)黏土， 對(duì)其進(jìn)行土體性能檢測(cè)，其測(cè)定的各指標(biāo)見(jiàn)下表3。

表3 粉質(zhì)黏土相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

2 初擬配合比

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

考慮到油頁(yè)巖燃燒灰渣的回收利用率問(wèn)題， 同時(shí)考慮到其和粉煤灰以及粉質(zhì)黏土的總體顆粒級(jí)配組成結(jié)構(gòu)。 認(rèn)為油頁(yè)巖燃燒灰渣的摻配比例應(yīng)該大于29%，復(fù)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(chǔ)，對(duì)3種材料之間的比例按照控制變量法的原則進(jìn)行確定，最終得到的結(jié)果如下：油頁(yè)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(fù)摻比例的條件下， 調(diào)整對(duì)比3個(gè)材料中任意兩種材料的比例，并在此基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展。 然后提出了5種混合比例用于室內(nèi)基礎(chǔ)試驗(yàn)， 在5種混合比例中通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，再選擇3種優(yōu)選混合比例，最終進(jìn)行穩(wěn)定性不良土體的穩(wěn)定性改良試驗(yàn)。表4詳述了在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)確定的復(fù)摻比例情況。

表4 初擬的三種材料復(fù)摻比例

3 試驗(yàn)研究

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

針對(duì)上文所提到的按照初擬配合比復(fù)摻的土體進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)。部分油頁(yè)巖灰渣的體積較大，使用和測(cè)定前需將其打成體積較小的碎塊。粉質(zhì)黏土含水較多，對(duì)其碾壓磨碎之前需要先進(jìn)行風(fēng)干處理。 將處理過(guò)的油頁(yè)巖灰渣和粉質(zhì)黏土過(guò)40mm篩。 對(duì)油頁(yè)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(jìn)行測(cè)定， 其初始含水率分別是1.376%、5.224%、25.382%。

選用干土擊實(shí)法，按照上文初擬的5種配合比，每個(gè)預(yù)制好6個(gè)樣本， 得到每個(gè)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(duì)于不同含水量下的每個(gè)配合比樣本，計(jì)算油頁(yè)巖灰渣，粉煤灰以及粉質(zhì)粘土這三個(gè)原材料中任意一個(gè)所需的用水情況。 按上述配合比比例進(jìn)行復(fù)摻，與水混合，并且在壓實(shí)測(cè)試之前將混合好的樣本靜置12h。 隨后以干土擊實(shí)法進(jìn)行相關(guān)的擊實(shí)試驗(yàn)，隨后進(jìn)行稱重，進(jìn)行含水率測(cè)定。

針對(duì)油頁(yè)巖灰渣、 粉煤灰以及粉質(zhì)黏土復(fù)摻得到的這種改良路基土，在對(duì)其擊實(shí)試驗(yàn)后的含水率測(cè)定時(shí)，要嚴(yán)格限制大體積的油頁(yè)巖灰渣塊數(shù)目， 選取油頁(yè)巖灰渣試樣時(shí)，要提取較為均勻、穩(wěn)定并且體積較小處的油頁(yè)巖灰渣測(cè)定其含水率。 此外，對(duì)于油頁(yè)巖灰渣樣本的測(cè)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(guò)多無(wú)效數(shù)據(jù)的油頁(yè)巖灰渣擊實(shí)曲線圖，最終得到6個(gè)配合比對(duì)應(yīng)的最大干密度和最佳含水率情況。

在確定復(fù)摻混合物的水分含量后，通過(guò)計(jì)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(duì)更大， 則樣本測(cè)定計(jì)算出來(lái)的最大干密度會(huì)比較小，但其最佳含水率會(huì)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(duì)地增大路基土的干密度大小，同時(shí)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(yè)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(yè)巖廢渣占比不變，削減其中的粉煤灰占比，同時(shí)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(cè)定結(jié)果見(jiàn)下表5。

3.2 界限含水率試驗(yàn)

以數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)各配合比的改良路基土進(jìn)行測(cè)定，其測(cè)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(cè)定

對(duì)上文初擬的5組摻配比例的改良路基土測(cè)定其承載比（CBR）。 每個(gè)摻配比例的含水率均優(yōu)選最佳含水率進(jìn)行復(fù)摻，每個(gè)比例得到制備3個(gè)對(duì)比組。 完成貫入試驗(yàn)之后對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理和計(jì)算， 之后計(jì)算出CBR承載比的數(shù)值，見(jiàn)下表7。

表5 不同配合比的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表6 改良土液限和塑限測(cè)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(qiáng)度測(cè)試

對(duì)5組摻配比例的改良路基土進(jìn)行150mm立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過(guò)復(fù)摻改良加固的土體3d抗壓強(qiáng)度處于0.25MPa～0.35MPa之間；經(jīng)過(guò)7d養(yǎng)護(hù)后，其抗壓強(qiáng)度處于0.35MPa～0.45MPa之間；再經(jīng)過(guò)28d養(yǎng)護(hù)后，其抗壓強(qiáng)度處于0.40MPa～0.50MPa之間。其中以第三組改良路基抗壓強(qiáng)度值最高。以該組編號(hào)加固土體為例，其3d抗壓強(qiáng)度值可達(dá)總強(qiáng)度值的66%，7d抗壓強(qiáng)度值可達(dá)總強(qiáng)度值的90%。 在實(shí)際土體加固施工工程中，加固后土體可以在7d時(shí)間內(nèi)基本達(dá)到使用強(qiáng)度使用強(qiáng)度按要求， 從而增強(qiáng)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(jìn)行復(fù)合使用， 從而進(jìn)一步增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

圖2 改良加固后土體強(qiáng)度測(cè)定

3.5 剪切特性測(cè)試

對(duì)于常規(guī)的粉質(zhì)黏土進(jìn)行直剪試驗(yàn)， 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(duì)應(yīng)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(shí)還規(guī)定了s（土體沉降量），用以分析邊坡變化。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程中的各個(gè)指標(biāo)， 同時(shí)建立粉質(zhì)黏土的法向應(yīng)力以及抗剪強(qiáng)度間關(guān)系曲線，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 法向應(yīng)力與抗剪程度間關(guān)系曲線

按照土體的強(qiáng)度理論公式τ=c+σtanφ， 通過(guò)計(jì)算擬合得出τ=5.065+σtan38.7，相關(guān)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(shí)，τf1=46.8454kPa；垂直壓力為200kPa 時(shí)，τf2=84.8234kPa； 垂 直 壓 力 為300kPa 時(shí)，τf3=128.8654kPa；垂直壓力為400kPa時(shí)，τf4= 168.3842kPa。

以上述測(cè)試及計(jì)算方法， 將其余四組改良后粉質(zhì)黏土的剪切特性進(jìn)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(cè)試結(jié)果

4 配合比選擇

在路基工程建設(shè)的過(guò)程中， 增加路基土的密度可以增加土的抗剪強(qiáng)度，降低土的壓縮性和滲透性。通過(guò)干土擊實(shí)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(shí)法、承載比、立方體抗壓強(qiáng)度以及剪切特性的測(cè)定， 同時(shí)考慮到有效利用油頁(yè)巖廢渣和粉煤灰廢棄物，達(dá)到保護(hù)耕地、減少污染的目的，最終優(yōu)選出油頁(yè)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(yè)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(fù)摻比例的條件下，調(diào)整對(duì)比3個(gè)材料中任意2種材料的比例， 并在此基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展，然后提出了5種混合比例用于室內(nèi)基礎(chǔ)試驗(yàn)。

（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(huì)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(yè)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(yè)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。