公路路基膨脹土土性改良及施工技術研究

陳 碩

(湖北省核工業(yè)地質(zhì)局，湖北 孝感 432000)

0 引 言

公路路基在運營期間的安全性易受到地質(zhì)條件、施工技術等因素的影響，尤其是山區(qū)公路，往往地會遇到較大規(guī)模特殊巖土、不良地質(zhì)作用等，在一定程度上加大了公路路基工程建設難度。膨脹土受氣候環(huán)境影響較大，存在明顯地吸水膨脹和失水收縮特性，可能會被工程人員視作良好的路基填料[1]。如果對膨脹土處置或施工不當，可能導致邊坡大變形、滑坡、坍塌等災害，影響公路運營壽命，從而導致大量經(jīng)濟損失。選擇合理、可行的膨脹土改良方案，已經(jīng)成為工程技術人員要解決的重要問題。近年來，國內(nèi)外學者也通過理論公式計算、室內(nèi)模型、數(shù)值模擬等方法來探討了膨脹土路基的基本特性和破壞機理，并提出一些有價值的改良措施[1]。但是，工程師在開展膨脹土邊坡設計和施工任務時，仍以工程類比法為主，對膨脹土的方案較保守，從而導致工程費用過高，故研究膨脹土改良措施和施工技術具有十分重要地工程意義。

1 膨脹土判別及處治措施選擇

1.1 試驗段工程概況

依托項目為某地區(qū)公路工程，沿線地質(zhì)條件較復雜，地下水位較低，且沿線分布著具有弱、中等膨脹性的膨脹土，厚度基本在3～5 m左右。如果將膨脹土作為廢方處理，會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的污染。同時，該公路項目路基填方借土困難，需對膨脹土改良后作為填料來填筑路堤，以節(jié)約工程造價。為了研究膨脹土改良方法和路堤施工工藝，選擇樁號K18+720～K18+920段路基工程作為試驗路段。

1.2 膨脹土判別

(1)判別方法。在將公路路基膨脹土改良之前，必須合理劃分其脹縮等級，以選擇經(jīng)濟合理地處治措施。目前存在若干個公路路基膨脹土脹縮性判別方法，如模糊數(shù)學理論、粗糙集理論、Fisher判別理論等，這些判別方法是基于若干膨脹土性能指標，通過理論計算對其開展判別，并不能解決膨脹土性能的地域差異性[2]。為了提高膨脹土改良技術的工程適用性，可在試驗段取土樣，將觀察法和室內(nèi)試驗法結合來判別。

(2)判別程序。公路路基膨脹土脹縮性判別可分為現(xiàn)場初判、室內(nèi)試驗詳判兩步：第一，現(xiàn)場觀察試驗段土樣顏色、土顆粒大小、干濕類型等，并結合當?shù)亟?jīng)驗公式初步判定；第二，在室內(nèi)開展土樣的膨脹率、塑性指數(shù)試驗等等，參照相關規(guī)范詳細判定膨脹土脹縮性。

1.3 膨脹土改良方案選擇

目前，國內(nèi)外公路路基膨脹土改良方法應用較廣泛的有摻無機結合料、包邊法、土工材料加固法等，各種改良措施的特點及適用條件見表1。結合本項目的特點，擬采用摻石灰來改良沿線膨脹土作為路基填料，石灰對膨脹土的改良主要體現(xiàn)在陽離子交換、膠凝作用、碳酸化作用等。

表1 常用路基膨脹土改良措施

2 石灰改良膨脹土試驗研究

為了得到膨脹土改良的最佳石灰摻量，石灰摻量分別取1%、2%、3%，4%、5%、6%、7%，分析不同摻灰量下膨脹土的脹縮性、抗剪強度指標等參數(shù)，各室內(nèi)試驗土樣的養(yǎng)護齡期均為28d。

2.1 膨脹土脹縮率試驗

由于膨脹率是評價土體膨脹性大小的關鍵指標之一，本文開展了各摻灰量下膨脹土自由膨脹率試驗，土樣自由膨脹率隨石灰摻量變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同摻灰量下膨脹土自由膨脹率

試驗結果表明，隨著石灰摻量的提高，路基膨脹土膨脹率會不斷降低，但降低速率先大后小。當石灰摻量小于5%，土樣膨脹率隨摻灰量提高變化幅度大，兩者之間基本呈線性負相關關系；當石灰摻量超過5%，增加石灰摻量，土體膨脹率變化幅度并不是特別明顯，其降級率基本保持在53.2%左右，因此，初步擬定該項目公路路基膨脹土最優(yōu)石灰摻量在5%～7%。

2.2 膨脹土抗剪強度試驗

目前測定土體抗剪強度指標(黏聚力和內(nèi)摩擦角)的方法較多，但基本可分為原位測試和室內(nèi)試驗兩大類。原位測試有十字板剪切試驗等，室內(nèi)試驗包括直接剪切試驗、三軸壓縮試驗等。該項目膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角測定選擇直剪試驗，儀器是四聯(lián)動應變控制直剪儀。各石灰摻灰量下膨脹土抗剪強度指標試驗結果如圖2所示：

圖2 膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角

試驗結果表明，在相同養(yǎng)護齡期下(28d)，膨脹土抗剪強度指標隨著石灰摻量提高而不斷改善，主要原因在于：隨著石灰加入和養(yǎng)護齡期不斷增加，石灰中活性成分(CaO和MgO等)與膨脹土中的碳酸鹽出現(xiàn)膠凝化學反應，使得相鄰土顆粒間地結合水膜變得更薄，同時石灰中鈣離子Ca2+與土顆粒周圍的陽離子產(chǎn)生交換作用，這樣會包裹原有土顆粒而出現(xiàn)較大的粗糙組合團粒，從而改善了土體的顆粒級配，提高其內(nèi)摩擦角，石灰的硝化作用也會在土體中形成CaCO3膠結物，這些膠結物使得膨脹土中分散地土顆粒凝聚成團，也增強相鄰土顆粒間黏結力[3]。此外，膨脹土黏聚力在石灰摻量達到6%出現(xiàn)了拐點，即石灰大于6%，路基膨脹土黏聚力不但沒有提高，反而出現(xiàn)降低的趨勢。因此，結合土體自由膨脹率和抗剪強度指標變化規(guī)律，擬定公路路基膨脹土最優(yōu)石灰摻量為6%。

3 改良膨脹土路基填筑施工技術

3.1 施工質(zhì)量標準和工藝流程

摻灰膨脹土作為公路路基填料時，含灰量和土顆粒粒徑要符合相關設計規(guī)范：含灰量偏差在-0.5%～1%，粒徑要在60 mm以內(nèi)，粒徑大于15 mm的土顆粒含量不超過20%。目前，膨脹土路基施工方法有路拌法和廠拌法，需要的施工機械一般有挖掘機、裝載機、自卸汽車、推土機、壓路機等，在確定機械組合時，要在滿足施工效率的前提下，再考慮其經(jīng)濟效果。

改良膨脹土路基是采用“三階段、四區(qū)段、九流程”的施工工藝[4]，比一般路基施工多出摻灰拌和、悶料兩個流程，其中三階段指的是準備階段、施工階段、驗收階段，四區(qū)段包括填土區(qū)段、整平去端、壓實區(qū)段、檢測區(qū)段，九流程涉及測量放樣、地基處理、摻灰拌和、攤鋪壓實、檢測整修等作業(yè)。

3.2 施工質(zhì)量控制要點

(1)原材料檢驗。石灰的質(zhì)量對膨脹土的改良效果有著直接影響，在路基填料拌和之前，要分批次對進場的石灰活性進行測定，評價石灰活性可采用CaO和MgO的含量[5]。石灰質(zhì)量檢測合格后，還應當控制好石灰摻量和含水率，并在拌和混合料之前開展預拌試驗。

(2) 分層填筑壓實。在用自卸車將改良后的膨脹土填料運至施工現(xiàn)場后，在分層攤鋪，并按照松鋪系數(shù)、壓實厚度等計算出每一處堆放的膨脹土方量及卸車間距。同時，為了保證路基各層位的壓實度滿足規(guī)范要求，壓實機械在碾壓膨脹土填料時應超寬碾壓(一側超寬25 cm左右)，并保證足夠的碾壓遍數(shù)。如果路基填料局部壓實度不足，可將混合料挖除，再次碾壓。

(3)施工質(zhì)量檢測。改良膨脹土路基在攤鋪壓實后，需要對路基壓實度、摻灰量、含水量等展開檢測，其中壓實度檢測可選擇灌砂法或環(huán)刀法，壓實度滿足規(guī)范要求才能夠進入下一工序。如果壓實度不符合規(guī)范規(guī)定，則應當繼續(xù)碾壓，再重新檢測；摻灰量、含水量等參數(shù)在檢測時可采用隨機抽樣的方法，每一千平方米的路基檢測點數(shù)量不小于4個。

4 結束語

(1) 路基膨脹土進行改良之前，必須對膨脹土的物理力學特性進行判別，劃分膨脹土脹縮等級，工程上常用方法有觀察法和室內(nèi)試驗法；

(2) 路基工程中常用的膨脹土改良方法包括摻無機結合料、包邊法、土工材料加固等，其中石灰對膨脹土的改良往往體現(xiàn)在陽離子交換、膠凝作用、碳酸化作用等；

(3) 隨著石灰摻量提高，膨脹土自由膨脹率、抗剪前度指標會有明顯的增加，擬定公路路基膨脹土最佳石灰摻量為6%；

(4) 膨脹土路基應當選擇“三階段、四區(qū)段、九流程”的施工工藝，施工期間應從原材料檢驗、分層填筑壓實、施工檢測等方面加強質(zhì)量控制。