機制砂改良土在高速公路路基填筑中的應用研究

馬海勇

中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350

高液限土具有液限高、水穩(wěn)定性差、塑性指數(shù)大等特點，不能直接應用于路基填筑。高液限土的種類較多，如富含碳酸鹽的紅黏土，易吸水膨脹、失水開裂的膨脹土，細顆粒較多、含水率大的軟黏土等。隨著我國基礎(chǔ)設施建設的飛速發(fā)展，在公路、鐵路等工程建設過程中不可避免地會遇到土路基工程，對高液限土力學行為進行研究并改良對于工程的順利開展具有重要意義，而將高液限土應用于路基填料，勢必需要進行改良，才能滿足相關(guān)要求[1-5]。除對高液限土進行改良外，還需要對其采取特殊的施工處理措施，如強夯施工法[6]、綜合法[7]、濕法重型擊實法[8]。許海亮等[9]通過現(xiàn)場碾壓試驗，確定了碾壓參數(shù)與高液限土壓實度的關(guān)系；關(guān)志娟[10]分析了高液限土路基病害的產(chǎn)生特征及成因，并從實際出發(fā)探討了優(yōu)化控制的方法。

當前處理高液限土最常見的方式包括摻水泥、摻石灰或者摻砂改良后填筑，其中摻砂改良高液限土的路用特性已有一定進展[11-12]，但所摻砂均為天然砂，這將大大受到建筑材料的供應制約。機制砂作為現(xiàn)場生產(chǎn)的原材料，能夠在極大程度上節(jié)約工程成本、縮短工期，但目前針對機制砂改良高液限土的研究還比較鮮見。因此，本文結(jié)合西南某高速公路工程遇到的高液限土路基工程，對機制砂改良高液限土的路用性能進行了室內(nèi)試驗，同時結(jié)合試驗成果探討了現(xiàn)場碾壓施工工藝流程，可為類似地區(qū)或者工程的高液限土路基處置施工提供借鑒。

1 高液限土基本性質(zhì)

西南某高速公路工程路段為高液限土路段，利用挖掘機對工程現(xiàn)場路段深約3 m的地方進行取樣作業(yè)，取出的土樣主要呈黃色且顆粒結(jié)核物較多的黏性土，對取土時間、地點、深度和試樣編號等進行標記。經(jīng)物理力學性能測試，得到如下參數(shù)：高液限原狀土為細粒土，0.006 4～0.075 0 mm粒徑占比為53.9%，0.075 0～2.000 0 mm粒徑占比為25.8%；原狀土主要化學成分為氧化鋁、硅酸鈦鋁、鋰硼化合物；原狀土塑性指數(shù)為26.6，屬高液限黏土；擊實試驗結(jié)果表明其最優(yōu)含水率為16.75%，對應的最大干密度為1.69 g/cm3；直剪試驗結(jié)果表明，原狀土的摩擦角為2.5°，黏聚力為84.18 kPa；承載比（RCB）試驗結(jié)果表明，原狀土RCB，2.5mm=2.9%，RCB，5.0mm=2.8%，小于規(guī)范最小強度的3%，故穩(wěn)定性較差。

該路段的土樣具有細顆粒含量多、液限高、RCB值低等特點，若作為路基填料，宜采用摻水泥、摻石灰或者摻砂方式進行改良填筑?？紤]到工程施工期間，天然河砂材料供應緊張，而工程現(xiàn)場機制砂總量足夠，為縮短工程工期和成本，故決定采用機制砂改良高液限土的方式進行路基填筑?，F(xiàn)場機制砂的粒徑為5～35 mm，堆積密度為1.63 g/cm3，表觀密度為2.72 g/cm3，細度模數(shù)為3.8，壓碎指標為14.2%，石粉質(zhì)量分數(shù)為8.6%。室內(nèi)試驗方案總共分為5組，其中1組為原狀土對照試驗組（機制砂摻量為0），另外4組的機制砂摻量分別為5%、8%、10%和15%。分別測定最大干密度、最優(yōu)含水率、黏聚力、摩擦角和RCB值。

2 機制砂改良高液限土試驗

2.1 最大干密度和最優(yōu)含水率

通過室內(nèi)擊實試驗得到的不同機制砂摻量下改良高液限土的最優(yōu)含水率和最大干密度變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看到：最佳含水率隨機制砂摻量的增加呈逐漸減小趨勢，而最大干密度則呈逐漸增大的變化特征。當機制砂摻量為0～10%時，最佳含水率下降幅度較快，當機制砂摻量超過10%后，最佳含水率下降幅度明顯減小，當機制砂摻量為10%時，其最佳含水率較原狀土減小2.89%；當機制砂摻量為0～8%時，最大干密度上升幅度較緩，當摻量為8%～10%時，最大干密度增加幅度較大，從1.708 g/cm3增長至1.793 g/cm3，當摻量超過10%以后，最大干密度的增長趨勢再次放緩，機制砂摻量為10%時的最大干密度較原狀土增加量為0.103 g/cm3。

2.2 黏聚力和摩擦角

圖1 最大干密度和最優(yōu)含水率隨機制砂摻量變化情況

通過室內(nèi)剪切試驗得到的不同機制砂摻量下改良高液限土的黏聚力和摩擦角的變化特征如圖2所示。從圖2中可以看到，機制砂摻量對黏聚力的影響趨勢呈三階段變化特征：摻量為0～8%時，黏聚力的減小幅度較緩；當摻量為8%～10%時，黏聚力的減小趨勢較陡；當摻量超過10%以后，機制砂摻量對黏聚力的影響將逐漸減弱；機制砂摻量為10%時的黏聚力較原狀土降低量為31.5kPa。機制砂摻量對摩擦角的影響呈兩階段變化特征：當摻量為0～10%時為線性增長趨勢；摻量為10%～15%時也呈線性增長趨勢，但是線性增長斜率有所減小；當機制砂摻量為10%時，摩擦角較原狀土增大約3°。

圖2 黏聚力和摩擦角隨機制砂摻量變化情況

2.3 RCB值

不同機制砂摻量下改良高液限土的RCB變化特征如圖3所示。從圖3中可以看到：RCB值隨機制砂摻量的增大呈逐漸減大趨勢；當摻量為0～5%時，增加幅度較緩；當摻量為5%～10%時，增加幅度較快；當摻量超過10%后，RCB值基本保持不變，這表明機制砂對于高液限土的改良作用并不是摻量越高越好；當摻量為10%時，RCB值接近最大值，且比原狀土增大6.2%。

綜合含水率、干密度、黏聚力、摩擦角以及RCB值試驗結(jié)果可知，從工程安全性、合理性和經(jīng)濟性各方面考慮，當機制砂摻量為10%時，改良高液限土的各項性能基本達到最佳，故建議本路段改良高液限土的機制砂摻量為10%。

3 機制砂改良高液限土施工工藝

3.1 碾壓工藝研究

圖3 RCB值隨機制砂摻量變化情況

在工程現(xiàn)場選出一塊試驗用地，總長度為100 m，并將其分為4段，填筑料均為摻10%機制砂改良高液限土，分別進行4種碾壓工藝試驗。碾壓機械為山推SR22M型壓路機，根據(jù)振動頻率大小，將其工作模式分為靜壓模式、小振模式和強振模式3種，碾壓行走速率2 km/h，試驗結(jié)束后，對各碾壓試驗段進行壓實度測試。從試驗結(jié)果可以看到：第1種碾壓方案（靜壓1次＋小振2次＋強振2次＋小振2次＋靜壓1次）的最終壓實度為93.6%，第2種方案（靜壓1次＋小振2次＋小振2次＋小振2次＋靜壓1次）的最終壓實度為90.4%，第3種方案（靜壓1次＋小振2次＋強振2次＋強振2次＋靜壓1次）的最終壓實度為91.8%，第4種方案（靜壓1次＋強振2次＋強振2次＋強振2次＋靜壓1次）的最終壓實度為88.8%。由此可見，機制砂改良高液限土的最佳碾壓工藝為：靜壓1次＋小振2次＋強振2次＋小振2次＋靜壓1次。

3.2 施工工藝流程

拌和工藝是現(xiàn)場施工的重要一環(huán)，根據(jù)實際情況，決定選用路拌法對路基土進行改良施工，其具體過程總結(jié)為：填前整平、測量放樣、填料運輸、上料、攤鋪整平、碾壓以及分層填筑7個步驟。

施工工藝詳細流程為：

1）填前整平：在路基工程施工之前，需對下承層進行整平，將土壤表面的雜質(zhì)清理干凈，并保證其平整和堅實。

2）測量整平：在整平好的下承層上進行測量放樣工作，然后對原地面高程進行測量。

3）填料運輸：采用斜面挖土法將土中的水排出，取土作業(yè)盡量選在同一層土中，以保證含水率相同或者相近，機制砂摻量為10%。

4）上料：若路基地下水位較高，則采用先砂后土；若路基水位低，則采用先土后砂?；旌狭系乃射伜穸缺３衷?5 cm左右。

5）攤鋪整平：采用路拌機對填土和機制砂進行拌和2遍，注意不要翻拌至底部，防止砂子掉入底部，然后再進行翻拌2遍，此時需要拌至底部，以保證砂土拌和均勻，避免上下層之間出現(xiàn)素土夾層。

6）碾壓：采用方案1（靜壓1次＋小振2次＋強振2次＋小振2次＋靜壓1次）進行分層碾壓施工。

7）分層填筑：由于路基高度達到20 m，屬于高路堤工程，因而在填筑過程中采用階梯形填筑法，并在8 m和16 m處設置臺階，填筑邊坡坡比為1∶1.5。

8）碾壓結(jié)束后，對路基進行了取樣試驗，得出平均壓實度為92.9%，壓實效果較佳且符合設計規(guī)范。

4 結(jié)語

1）高液限改良土的最佳含水率、黏聚力隨機制砂摻量的增加而減小，最大干密度、摩擦角以及RCB值隨機制砂摻量的增加而逐漸增大。

2）綜合考慮工程安全性、合理性和經(jīng)濟性，認為機制砂摻量10%為本工程高液限土路段的最佳改良摻量。

3）通過現(xiàn)場碾壓工藝試驗，確定機制砂改良高液限土的最佳碾壓工藝為：靜壓1次＋小振2次＋強振2次＋小振2次＋靜壓1次。同時提出了以路拌法為基礎(chǔ)的機制砂改良高液限土施工工藝流程，碾壓結(jié)果表明路基平均壓實度達92.9%，效果較佳，研究成果可為類似路基工程的施工提供相關(guān)借鑒。