機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程石灰改良膨脹土填筑道床施工技術(shù)研究

伊軍鋒

(北京鼎瀚中航建設(shè)有限公司，北京 102300)

1 膨脹土相關(guān)研究概述

膨脹土的問(wèn)題是在20世紀(jì)30年代后期的時(shí)候，才被受到關(guān)注的，在1930年時(shí)，美國(guó)人發(fā)現(xiàn)他們的鑲磚住房出現(xiàn)了磚層開裂的情況，當(dāng)時(shí)的時(shí)候，他們并沒有過(guò)多地關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，只是淺顯的將問(wèn)題原因歸咎于施工問(wèn)題上，直到1938年時(shí)，美國(guó)開墾局在奧勒岡州歐維西的一個(gè)鋼制吸管基礎(chǔ)工程施工中，他們才對(duì)膨脹土有了初步的認(rèn)識(shí)，從那時(shí)開始，工程人員才開始對(duì)結(jié)構(gòu)物的損壞問(wèn)題進(jìn)行研究。研究中，他們發(fā)現(xiàn)，除了沉降問(wèn)題之外，可能還會(huì)有其他的原因影響結(jié)構(gòu)物的施工質(zhì)量。為了有效降低膨脹土帶來(lái)的危害，節(jié)省膨脹土給建筑帶來(lái)的資金消耗，對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，增加其土體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，防止由于膨脹土變形導(dǎo)致的上部結(jié)構(gòu)損害問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)膨脹土改良的課題研究是十分關(guān)鍵的，這也是確保膨脹土地基上部結(jié)構(gòu)完整性與安全性的一個(gè)有效措施。本文在分析膨脹土特性的基礎(chǔ)之上，提出在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程施工過(guò)程中，如何通過(guò)運(yùn)用石灰來(lái)對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，以滿足道床施工填筑對(duì)土體強(qiáng)度的要求。

2 膨脹土的特點(diǎn)

目前已知的膨脹土分布國(guó)家與地區(qū)大約有40多個(gè)，遍布全世界，其中亞洲、美洲、非洲幾個(gè)國(guó)家的分布最為普遍并且面積最廣。我國(guó)的膨脹土面積是世界上面積最大的國(guó)家，并且也是膨脹土地質(zhì)成因類型最為繁雜的一個(gè)國(guó)家，我國(guó)的膨脹土具有這些特點(diǎn)。

1)脹縮性。根據(jù)土質(zhì)學(xué)的理論分析中我們可以知道，膨脹土的親水性十分好，并且只要與水產(chǎn)生接觸，其體積就會(huì)大大增加，土體的濕度也會(huì)隨之提升很多。膨脹土在吸水膨脹之后，如果在土體膨脹的過(guò)程中受到外力作用的阻礙就會(huì)產(chǎn)生膨脹力，造成路面凸起，而在膨脹土中的水分流失之后，土體的體積就會(huì)收縮，土體會(huì)出現(xiàn)開裂的問(wèn)題，路面也會(huì)隨之下沉。膨脹土表現(xiàn)出的脹縮性與其他黏土所表現(xiàn)出的脹縮性有一定的差異。在土體反復(fù)膨脹收縮的過(guò)程中，土體的凝聚力會(huì)逐漸下降，土體的強(qiáng)度也會(huì)越來(lái)越弱。

2)超固結(jié)性。超固結(jié)性也是膨脹土的一個(gè)重要特征，膨脹土的超固結(jié)性特征會(huì)導(dǎo)致土體出現(xiàn)較多的細(xì)小天然孔隙，土體的干密度也會(huì)變大，土體最初的時(shí)候會(huì)表現(xiàn)出具有較高強(qiáng)度的特點(diǎn)，具有超固結(jié)性的膨脹土在進(jìn)行路基開挖之后土體的超固結(jié)應(yīng)力就會(huì)被釋放掉，這時(shí)開挖路基的邊坡就會(huì)出現(xiàn)膨脹損壞的現(xiàn)象。

3)崩解性。崩解性是在膨脹土吸水膨脹之后出現(xiàn)的一種濕化現(xiàn)象，不同類型的膨脹土所表現(xiàn)出來(lái)的崩解性也會(huì)有所差異，強(qiáng)膨脹土在浸水之后，幾分鐘的時(shí)間內(nèi)就會(huì)被完全地崩解掉，而弱膨脹土在浸水之后，可能會(huì)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)崩解的情況，并且也不會(huì)被完全崩解。

4)裂隙性。多裂隙性是膨脹土的一個(gè)突出特點(diǎn)，由多裂隙性結(jié)構(gòu)構(gòu)成的膨脹土體，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的物理力學(xué)效應(yīng)，影響膨脹土的強(qiáng)度，導(dǎo)致工程地質(zhì)性質(zhì)被惡化，膨脹土中的裂縫主要分為幾種類型，有垂直、水平、斜交這三種，這些裂縫會(huì)將土體分割成幾何形狀的塊體，使土體無(wú)法保持完整性。

5)強(qiáng)度衰減性。膨脹土的抗剪強(qiáng)度極易產(chǎn)生變動(dòng)，并且變動(dòng)的幅度也十分大，土體具有的超固結(jié)性特征，導(dǎo)致土體在初期的時(shí)候表現(xiàn)出的強(qiáng)度十分高，但是隨著時(shí)間的慢慢推移，土體會(huì)受到風(fēng)化作用以及脹縮性的影響，其抗剪強(qiáng)度會(huì)被大大削弱。強(qiáng)度削弱的速度以及頻率與土體中物質(zhì)的構(gòu)成以及結(jié)構(gòu)形態(tài)等有關(guān)，并且還與風(fēng)化作用等的強(qiáng)度有一定的關(guān)系。

6)風(fēng)化特性。膨脹土?xí)艿綒夂颦h(huán)境因素的干擾，出現(xiàn)風(fēng)化的問(wèn)題，在土體開挖之后，部分的土體暴露在空氣中，空氣中的一些物質(zhì)會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生風(fēng)化作用，使其出現(xiàn)碎裂、泥化等狀況，造成土體結(jié)構(gòu)損壞，影響土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。膨脹土風(fēng)化作用的強(qiáng)度可以劃分為三個(gè)等級(jí)，分別是強(qiáng)、中、弱，在地表或者是邊坡的表層，由于受到大氣以及一些生物作用的影響，膨脹土的干濕變化速度較快，土體會(huì)出現(xiàn)碎裂的情況，結(jié)構(gòu)的連結(jié)性也會(huì)被完全破壞，該程度破壞作用的土體厚度為1～1.5 m。在微風(fēng)化層部分，大氣與生物對(duì)土體產(chǎn)生的風(fēng)化作用已經(jīng)有所下降，干濕變化速度也逐漸緩慢，土體基本能夠維持原有狀態(tài)，該程度破壞作用的土體厚度為1 m。弱風(fēng)化層，該部分的土體結(jié)構(gòu)在地表的淺層部位，在該部位大氣與生物對(duì)土體產(chǎn)生的破壞作用已經(jīng)有了明顯的改善，但是總體而言，破壞的強(qiáng)度還是較大的，干濕變化程度也是比較顯著的，土體大多呈現(xiàn)為碎塊形狀，結(jié)構(gòu)連結(jié)功能已經(jīng)基本喪失。

7)分布廣，類型多。目前我國(guó)已知的有20多個(gè)省，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)有膨脹土，其中安徽、云南、廣西、四川、河南等地的膨脹土問(wèn)題最為突出。并且膨脹土的成因也十分的復(fù)雜，比如有沉積型的、有殘積型的也有巖溶侵蝕之后所形成的等，這些問(wèn)題的分布都十分的廣泛。膨脹土施工問(wèn)題不僅與土質(zhì)問(wèn)題有關(guān)，并且與土的成因以及年代以及歷史發(fā)展都有很大的關(guān)系。

3 膨脹土的危害

我國(guó)由于膨脹土地基所導(dǎo)致的建筑損壞面積已經(jīng)達(dá)到了1 000萬(wàn)m2，尤其是對(duì)鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施造成的危害極其嚴(yán)重。就拿江蘇省來(lái)說(shuō)，江蘇省每年消耗在膨脹土路面維修上的資金不計(jì)其數(shù)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成危害主要有以下幾個(gè)方面。

沉陷變形。在施工初期的時(shí)候，膨脹土土體所表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度十分高，在對(duì)其進(jìn)行粉碎壓實(shí)施工時(shí)，難度也十分大，在土體開挖施工結(jié)束之后，由于土體結(jié)構(gòu)暴露在大氣環(huán)境中，大氣環(huán)境中的一些物質(zhì)會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生影響，比如風(fēng)化作用、濕脹干縮反應(yīng)等，會(huì)導(dǎo)致土體崩解、裂縫，在結(jié)構(gòu)物受到荷載作用的情況下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不均勻的沉降問(wèn)題，路堤的高度越高，那么出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的沉陷量就會(huì)越大，表面的變形程度就會(huì)越明顯。

1)滑坡?；戮哂谢⌒翁卣鳎艿酵馏w裂縫的影響，滑坡的形式主要呈現(xiàn)為牽引式，一般呈現(xiàn)滑坡的厚度大約為1～3 m，大多數(shù)情況下，不會(huì)超過(guò)6 m，滑坡與大氣風(fēng)化作用以及土體的類型、結(jié)構(gòu)的緊密性等有關(guān)，與邊坡的高度并沒什么聯(lián)系。

2)溜塌。邊坡的表層部位以及強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)部的土體吸水過(guò)多，在重力和滲透壓力的作用力影響之下，邊坡表面會(huì)產(chǎn)生一種向下流動(dòng)的溜塌，這種問(wèn)題在雨季的時(shí)候比較容易發(fā)生，與邊坡的坡度并沒有關(guān)聯(lián)。

3)縱裂。路肩部常因機(jī)械碾壓不到，填土達(dá)不到要求的密實(shí)度，后期沉降量相對(duì)較大，加之路肩臨空，對(duì)大氣風(fēng)化作用特別敏感，干濕交替頻繁，肩部土體收縮遠(yuǎn)大于堤身，故在路肩上常發(fā)生順路線方向的開裂，形成數(shù)十米至上百米的張開裂縫，縫寬約2～4 m,大多距路肩外緣0.5～1.0 m。

4)坍肩。路堤肩部土體壓實(shí)不夠，又處于兩面臨空部位，易受風(fēng)化作用影響而導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。當(dāng)有雨水滲入時(shí)，特別是當(dāng)有路肩縱向裂縫出現(xiàn)時(shí)，在汽車動(dòng)荷載作用下，很容易發(fā)生路肩坍塌。塌壁高多在1.0 m以內(nèi)，嚴(yán)重者可大于1.0 m，常發(fā)生在雨季。

4 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道道床填筑中膨脹土的改良

對(duì)于膨脹土的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道道床填筑施工來(lái)說(shuō)，對(duì)膨脹土的脹縮性以及穩(wěn)定性進(jìn)行控制處理，是確保工程施工質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，石灰土的使用可以有效改善膨脹土的含水量界限以及土塊尺寸、脹縮性能等，在以后的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于膨脹土的改良處理能夠有進(jìn)一步的發(fā)展，提高機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道道床填筑施工的質(zhì)量。

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道石灰改良膨脹土道床填筑施工的基本情況。

本文闡述的工程設(shè)計(jì)要求是，對(duì)道槽區(qū)范圍內(nèi)的道床進(jìn)行膨脹土改良處理，消除其膨脹影響。改良處理運(yùn)用的方法是利用石灰土對(duì)其進(jìn)行處理，在填方區(qū)道床范圍0.8 m采用石灰土填筑，在挖方區(qū)超挖出0.8 m，并用石灰來(lái)對(duì)其進(jìn)行改良。改良處理的范圍為新建道肩邊線以外延伸2 m以內(nèi)的區(qū)域。改良的參數(shù)為：石灰改良處理的深度為道床厚度0.8 m，分3層填筑；采用的石灰原材料是等級(jí)為Ⅲ級(jí)以上的生石灰粉，如果采用的是含有鈣質(zhì)成分的生石灰則需要保證氧化鈣、氧化鎂的含量在70%以上，用《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE51-2009)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)對(duì)最優(yōu)摻灰量進(jìn)行確定，試驗(yàn)得出最佳的摻灰量為70%。

石灰土改良膨脹土的施工方法及操作要點(diǎn)。

石灰改良土拌和方法采用路拌法。

施工流程：土基面驗(yàn)收→施工放樣→施工取土→運(yùn)輸→攤鋪→石灰土拌和→整形→碾壓→檢測(cè)→養(yǎng)護(hù)→驗(yàn)收

土基面驗(yàn)收。對(duì)已經(jīng)完成施工的土基，必須要進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收需要參考相關(guān)的施工技術(shù)規(guī)范文件來(lái)進(jìn)行。在驗(yàn)收合格之后在鋪土前對(duì)土基面進(jìn)行適當(dāng)灑水并重新復(fù)壓。

施工放樣：對(duì)機(jī)場(chǎng)道槽區(qū)域的石灰土施工區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，做好相應(yīng)的標(biāo)記，標(biāo)出中線和邊線位置，在直線段每40 m需要設(shè)置一個(gè)樁，在平曲線段每隔20 m設(shè)置一個(gè)樁，并且要對(duì)其進(jìn)行同步的水平測(cè)量，中樁以及邊樁，在測(cè)量時(shí)需要標(biāo)記出虛鋪的高度。

施工取土。選取取土場(chǎng)弱、中膨脹土，由專人負(fù)責(zé)施工用土的選取。采用自卸汽車在最短的時(shí)間內(nèi)將土運(yùn)輸?shù)绞┕さ膱?chǎng)地內(nèi)。然后再將其堆放到驗(yàn)收合格的土基面上，在堆放土方之前，應(yīng)該提前在土基面上進(jìn)行灑水，使其表面保持濕潤(rùn)，但是要注意灑水的量，防止土基面出現(xiàn)泥濘的問(wèn)題。

土方攤鋪。土方攤鋪施工時(shí)，采用的施工設(shè)備是大型推土機(jī)和平地機(jī)，推土機(jī)粗平，平地機(jī)精平，本工程石灰土的設(shè)計(jì)厚度為0.8 m，需要3層進(jìn)行施工處理，第一層的厚度計(jì)劃為0.27 m，第二次的厚度設(shè)計(jì)為0.27 m、第三層的厚度設(shè)計(jì)為0.26 m，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)分析，我們需要將第一層與第二層的虛鋪厚度保持在0.32 m左右，而第三層的虛鋪厚度則需要控制在0.31 m左右。

石灰土路拌。①在土方攤鋪初步整平施工完成之后，需要按照實(shí)驗(yàn)室確認(rèn)的摻灰量進(jìn)行石灰土撒用量的計(jì)算，并將撒用量錄入到XKC163石灰灑布機(jī)車載系統(tǒng)中，用石灰撒布車進(jìn)行生石灰的摻撒。②在石灰土摻撒完成之后，用徐工WR550石灰土拌合機(jī)對(duì)其進(jìn)行拌和施工，拌和的遍數(shù)一般在一到兩遍，在對(duì)石灰土進(jìn)行拌和施工時(shí)，需要安排施工人員用摟耙進(jìn)行人工篩選，將尺寸過(guò)大的顆粒曬選出來(lái)。③盡量控制拌和機(jī)，減小拌和機(jī)在原地轉(zhuǎn)向的次數(shù)，確保道床表面的平整性。④在拌和結(jié)束后，如混合料的含水量不足，灑水車補(bǔ)充灑水。灑水后，應(yīng)再次拌和，使水分在混合料中分布均勻。灑水及拌和過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)檢查混合料的含水量，含水量宜略大于最佳值。⑤混合料拌和均勻后應(yīng)色澤一致，沒有灰條、灰團(tuán)和花面，且水分合適和均勻。

整形。混合料拌和均勻后，應(yīng)立即用平地機(jī)整形。在直線段，平地機(jī)由兩側(cè)向槽中線進(jìn)行刮平；在曲線段，平地機(jī)由內(nèi)側(cè)向中心進(jìn)行刮平。用22 t壓路機(jī)在初平的區(qū)域上快速碾壓1～2遍，以暴露潛在的不平整。對(duì)于局部低洼處，應(yīng)用齒耙將其表層50 mm以上耙松，并將新拌的混合料鋪入用平地機(jī)進(jìn)行找平。嚴(yán)禁用薄層貼補(bǔ)法進(jìn)行找平。

碾壓。整形后，當(dāng)混合料的含水量為最佳含水量時(shí)立即用22 t壓路機(jī)在結(jié)構(gòu)層全寬范圍內(nèi)進(jìn)行碾壓。首先22 t振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓4遍，然后26 t壓路機(jī)振動(dòng)碾壓2遍。壓路機(jī)的碾壓速度，頭兩遍宜采用1.5～1.7 km/h為宜，以后宜采用2.0～2.5 km/h。碾壓后進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，當(dāng)天施工的作業(yè)面應(yīng)當(dāng)日碾壓合格。為保證石灰土層表面不受損壞，嚴(yán)禁壓路機(jī)在已完成的或正在碾壓的地段上掉頭或急剎車。碾壓過(guò)程中，如有“彈簧”、松散、起皮等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)翻開，加適量的石灰重新拌和或用其他方法處理，使其達(dá)到質(zhì)量要求。

養(yǎng)生與交通管制。石灰土層碾壓完成并經(jīng)壓實(shí)度檢查合格后，應(yīng)即開始養(yǎng)生。養(yǎng)生期7天，整個(gè)養(yǎng)生期間應(yīng)始終保持穩(wěn)定土表面潮濕，但不應(yīng)過(guò)濕或忽干忽濕。在養(yǎng)生期間，除灑水車外，不準(zhǔn)其他車輛行駛。

檢測(cè)。采用灌砂法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均大于等于96%；施工過(guò)程中隨時(shí)采用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定石灰劑量，均大于等于7%；7天自由膨脹率均小于10%；在0.8m厚石灰土層頂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)，道基反應(yīng)模量均大于60 mn/m3。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)采用國(guó)產(chǎn)專用路拌設(shè)備改良膨脹土填筑的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道道床完全能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2)拌和過(guò)程中，尤其要加強(qiáng)含水量的控制，當(dāng)含水量接近最佳含水量時(shí)，碾壓效果越好，壓實(shí)指標(biāo)越能達(dá)到要求。灑水車配置足夠，我們采用在拌和機(jī)和灑水車之間加裝了一根連接桿，充分利用拌和機(jī)的自吸泵裝置，直接通過(guò)連接水管將水車的水自吸至拌和機(jī)刀頭，在灰土拌和中加水拌和，效果較好。

3)由于采用的是生石灰，拌和完成后放置4～5 h，可使生石灰充分消解，有利于含水量及壓實(shí)度控制。

4)拌和機(jī)速度控制在5 m/min,充分拌合一遍后，拌和深度能滿足施工要求。均勻性經(jīng)外觀觀測(cè)無(wú)夾灰層和夾土層現(xiàn)象，混合料色澤一致，無(wú)灰條、灰團(tuán)和花面。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)際取上、中、下三層進(jìn)行灰劑量檢測(cè)，均勻性基本符合要求。

5)根據(jù)試驗(yàn)段施工，一臺(tái)路拌機(jī)的每天實(shí)際工作效率在5 000 m2左右，考慮到各種機(jī)械的合理搭配，一臺(tái)灰土撒布機(jī)配合二臺(tái)路拌機(jī)和三臺(tái)水車施工，能滿足每天10 000 m2的工作效率，各種機(jī)械搭配較為合理。

經(jīng)過(guò)沉降觀測(cè)，道床沉降滿足設(shè)計(jì)要求，能夠進(jìn)行后期水穩(wěn)基層和面層施工。工程實(shí)踐證明，石灰改良膨脹土在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道施工中可作為填料使用，通過(guò)試驗(yàn)段施工，采取有效措施，嚴(yán)格施工控制，施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，是改良弱、中膨脹土切實(shí)可行的方法，既提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)又有效地降低了工程造價(jià)，現(xiàn)已在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程中較多使用。

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