湖區(qū)堤頂公路吹砂填筑穩(wěn)定性試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

胡 濤，劉 文

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

湖區(qū)堤頂水量豐富，吹填砂的強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好，非常適宜于吹砂填筑處理地基。但考慮到砂粒粘聚力不強(qiáng)，砂粒形成的結(jié)構(gòu)較為松散，對(duì)吹砂填筑形成的邊坡穩(wěn)定性會(huì)造成一定影響，因此在吹砂填筑設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。在吹砂填筑中，單獨(dú)使用砂不能滿足要求，常采用穩(wěn)定劑將其固化來(lái)提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性[1-2]。目前，淤泥軟土穩(wěn)定劑的種類很多，如膠凝材料、無(wú)機(jī)材料等，不同材料的穩(wěn)定效果不一致，采用何種材料進(jìn)行適配是進(jìn)行吹砂填筑試驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)適配試驗(yàn)研發(fā)出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、使用性能較好的穩(wěn)定劑是吹砂填筑施工的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于吹砂填筑的穩(wěn)定性研究較多，但對(duì)穩(wěn)定劑種類研究較少，李戰(zhàn)國(guó)等[3]進(jìn)行了6種穩(wěn)定劑下的吹填砂穩(wěn)定材料固化試驗(yàn)研究，確定了最佳穩(wěn)定劑材料種類，但其研究成果具有局限性，不能完全適用于各種類型的吹砂填筑。實(shí)踐證實(shí)了一些穩(wěn)定劑難以達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定效果，雖然部分離子穩(wěn)定劑對(duì)穩(wěn)定軟土具有較好效果，但價(jià)格普遍較高，不適推廣運(yùn)用。本文分析對(duì)象為某湖區(qū)堤頂公路，其吹填砂含量大，水源豐富，為獲得最佳穩(wěn)定效果，選擇多種穩(wěn)定劑進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置不同材料配比獲得最適宜于該項(xiàng)目地區(qū)的穩(wěn)定劑。

1 試驗(yàn)材料及內(nèi)容

以某湖區(qū)堤頂公路所在區(qū)域K1+170～K1+320路段的原材料作為本文試驗(yàn)材料。吹砂填筑路基施工最主要內(nèi)容為砂源選定，對(duì)選定的砂源取樣進(jìn)行CBR值試驗(yàn)、擊實(shí)和含泥量試驗(yàn)。

項(xiàng)目線路主要為填方路基，多在原有河堤左側(cè)開(kāi)挖后吹填河砂加寬，加寬區(qū)段的河砂為新近吹填，砂粒粒徑很小，為粉砂，均含少量粘粒，狀態(tài)松散，厚度較大(一般厚約3.5～5.5 m)，物理力學(xué)性質(zhì)較差，承載力低。

1.1 砂及淤泥

砂和淤泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 吹填砂和淤泥的物理及化學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果原材料天然含水率/%天然密度/(g·cm-3)比重干密度范圍/(g·cm-3)孔隙比液限/%塑限/%pH值吹填砂5.92—2.671.35～1.640.63～1.03——9.5淤泥65.31.32——1.524112.58.3

由表1可知，吹填砂及淤泥的PH值均為堿性，從淤泥的液限、塑限值可判斷其處于流塑狀態(tài)。由于項(xiàng)目地區(qū)的淤泥烘干后凝成較大硬塊，難以匯出顆粒級(jí)配曲線(顆粒級(jí)配受人工粉碎程度影響，粉碎程度不大時(shí)往往很難測(cè)出級(jí)配曲線)。對(duì)該砂進(jìn)行篩選，結(jié)果表明粒徑在0.075～0.3 mm區(qū)間的吹填砂居多，該區(qū)間的砂礫質(zhì)量通過(guò)率達(dá)到了97%，根據(jù)級(jí)配屬性可確定屬于不良級(jí)配。

1.2 穩(wěn)定劑

采用7種穩(wěn)定劑，其中水泥穩(wěn)定劑作為對(duì)比試驗(yàn)組。試驗(yàn)穩(wěn)定劑組成如表2所示。表2中7種穩(wěn)定劑的粉磨細(xì)度均大于350 m2/kg。

表2 穩(wěn)定劑組成分類類型穩(wěn)定劑組成W0普通硅酸鹽水泥W1膠凝材料+熟石灰+硫酸鈉+礦渣W2膠凝材料+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇W3膠凝材料+硫酸鹽激發(fā)劑+減水劑+礦渣+粉煤灰W4膠凝材料+硫酸鋁+碳酸鈉+尿素+減水劑+有機(jī)高分子化合物W5膠凝材料+石膏+有機(jī)高分子化合物+熟石灰+減水劑W6膠凝材料+石膏+堿+減水劑+生石灰+礦渣W7水泥熟料+沸石粉+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇+乙烯基樹(shù)脂+丙烯酸酯+羧甲基纖維素鈉

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1獲取最佳吹填砂和淤泥配比

試驗(yàn)采用W2水泥穩(wěn)定劑(摻量為6%)，以吹填砂和淤泥比例為研究變量，淤泥和吹填砂比例設(shè)置11種，即：1∶0、0.9∶0.1、0.8∶0.2、0.7∶0.3、0.6∶0.4、0.5∶0.5、0.4∶0.6、0.3∶0.7、0.2∶0.8、0.1∶0.9、0∶1。進(jìn)行研究變量的試驗(yàn)組合，通過(guò)測(cè)試試件的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度求得最佳吹填砂和淤泥配比。

1.3.2獲取穩(wěn)定強(qiáng)度最高的穩(wěn)定劑

按照表2穩(wěn)定劑類型進(jìn)行不同穩(wěn)定劑下的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。以穩(wěn)定劑摻量為變量，制作試件進(jìn)行7 d及28 d下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、水穩(wěn)性能、凍融性能試驗(yàn)。由此確定最佳穩(wěn)定劑摻量組合。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中相關(guān)試件的物理性能試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)等參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)、 《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)、 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)進(jìn)行。

2.1 最佳吹填砂和淤泥配比試驗(yàn)

采用穩(wěn)定劑W2，對(duì)11種不同比例的泥砂各設(shè)置3組試件，進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。不同泥砂比例的混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 不同泥砂比例下的穩(wěn)定土7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 序號(hào)淤泥和吹填砂比例7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值/MPa11∶00.3920.9∶0.10.4230.8∶0.20.4640.7∶0.30.5550.6∶0.40.6760.5∶0.50.7870.4∶0.60.8680.3∶0.71.1990.2∶0.80.87100.1∶0.90.25110∶10.33

由表3可知，當(dāng)泥沙比大于0.3∶0.7時(shí)，隨著泥砂比增大，其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值逐漸減少；當(dāng)泥沙比小于0.3∶0.7時(shí)，其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值降低，尤其是泥沙比為0.1∶0.9時(shí)，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值最?。蝗繛樯皶r(shí)，其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值僅為0.33 MPa，顯然并非砂含量越大越好，這里選擇淤泥與吹填砂比例為0.3∶0.7，作為后續(xù)試驗(yàn)的泥砂比。

2.2 獲取穩(wěn)定強(qiáng)度最高的穩(wěn)定劑試驗(yàn)

采用0.3∶0.7的泥沙比，進(jìn)行不同穩(wěn)定劑試驗(yàn)(見(jiàn)表2)，穩(wěn)定劑摻量為7%[3]，每組穩(wěn)定劑均制作6組試件，獲取試件的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，試驗(yàn)值取均值。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同穩(wěn)定劑試件下的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 泥沙比穩(wěn)定劑無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa7 d28 dW01.161.66W11.321.83W21.772.180.3∶0.7W31.392.02W40.821.38W50.621.57W60.461.32W71.231.73

由表4可知，在泥砂比相同情況下，不同穩(wěn)定劑下試件7 d及28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值有較大差異，總體來(lái)說(shuō)W2穩(wěn)定劑下的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均最大，其次是W3、W1，而W4、W5、W6穩(wěn)定劑的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值偏小。W7穩(wěn)定劑下的7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值較大，但其組成成分種類多，并不經(jīng)濟(jì)。

表4中7種穩(wěn)定劑強(qiáng)度差異原因如下：

1)堿性環(huán)境下，強(qiáng)度低的穩(wěn)定劑產(chǎn)生膨脹型水化物。如W4穩(wěn)定劑混合料產(chǎn)生了Al2(SO4)3組分；W5穩(wěn)定劑混合料中產(chǎn)生石膏組分等。膨脹型水化產(chǎn)物會(huì)破壞凝膠體的強(qiáng)度骨架，從而降低造穩(wěn)定土的強(qiáng)度。

2)穩(wěn)定劑自身會(huì)產(chǎn)生凝膠量，該凝膠量能顯著影響穩(wěn)定土的強(qiáng)度，如W6穩(wěn)定劑中膠凝組分硬化程度相對(duì)不高，水化時(shí)產(chǎn)生的C-S-H膠凝量也相對(duì)較少，而W2穩(wěn)定劑含有膠凝組分較多，使得該類穩(wěn)定土強(qiáng)度高。為此，可以從穩(wěn)定劑材料的本身活性入手來(lái)調(diào)配穩(wěn)定土強(qiáng)度，提高穩(wěn)定劑中高活性膠凝材料含量，控制好膨脹組分及堿組分含量。

2.3 不同穩(wěn)定劑摻量下的試件物理及力學(xué)性能試驗(yàn)

保持泥砂比不變，研究不同穩(wěn)定劑摻量對(duì)試件7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度。穩(wěn)定劑選取表2中的W0、W2、W3。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

a)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

b)28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，同一穩(wěn)定劑下，穩(wěn)定劑摻量影響試件的強(qiáng)度。隨著穩(wěn)定劑摻量增加，試件的7d及28d抗壓強(qiáng)度值也逐漸增大，如W3穩(wěn)定劑摻量為8%的試件，其28 d抗壓強(qiáng)度值是穩(wěn)定劑摻量為2%的試件的2.69倍。比較同一穩(wěn)定劑摻量下不同穩(wěn)定劑種類的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)W2穩(wěn)定劑的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均比其他穩(wěn)定劑類型的強(qiáng)度值要高。其主要原因是W2中C-S-H凝膠劑增多,使試件硬化程度得到較大提高，從而提高了試件整體強(qiáng)度。

2.4 劈裂抗拉強(qiáng)度

保持泥砂比不變，7%穩(wěn)定劑摻量下的28d劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如表6所示，各組試件均有3組，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值。W0、W2、W3穩(wěn)定劑下的穩(wěn)定土的劈裂強(qiáng)度分別為0.55、0.56、0.42 MPa。3種穩(wěn)定劑的劈裂強(qiáng)度均大于0.4 MPa，滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中劈裂抗拉強(qiáng)度要求。W2與W0相比，劈裂強(qiáng)度相當(dāng)，但W3穩(wěn)定劑下的試件劈裂強(qiáng)度相對(duì)于W0值下降了23.6%。

2.5 水穩(wěn)性能試驗(yàn)

保持泥砂比不變，7%穩(wěn)定劑摻量下水穩(wěn)定性試驗(yàn)(28 d標(biāo)養(yǎng)干濕循環(huán)試驗(yàn))結(jié)果如表5所示。

表5 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定劑吸水率/%循環(huán)試驗(yàn)后的試件抗壓強(qiáng)度/MPa未干濕循環(huán)試件抗壓強(qiáng)度/MPa干濕循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度變化率/%W03.923.152.8112W23.456.823.5691.6W33.834.193.3126.6

表5展示了3種不同穩(wěn)定劑下的試件干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，3種不同穩(wěn)定劑導(dǎo)致的干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果差異性較大。W2穩(wěn)定劑循環(huán)試驗(yàn)后的試件抗壓強(qiáng)度值最大，抗壓強(qiáng)度變化率最大，效果最佳。穩(wěn)定土吸水率影響試件強(qiáng)度，呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，即吸水率越高，抗壓強(qiáng)度越低。如W2吸水率為3.45%，但強(qiáng)度值為6.82 MPa，顯著高于其他2種穩(wěn)定劑的強(qiáng)度，吸水率卻最低。其主要原因是W2穩(wěn)定劑中有聚乙烯醇及聚丙烯酰胺，這類物質(zhì)較好地提高了土粒間的團(tuán)聚作用，使其能較好地削弱土粒間的表面能，從而使土粒與水之間的作用減弱，達(dá)到增強(qiáng)土粒與膠凝水化物強(qiáng)度目的，整個(gè)穩(wěn)定土的水穩(wěn)性增強(qiáng)，也是W7穩(wěn)定劑下穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大的原因之一。

2.6 凍融性能試驗(yàn)

保持泥砂比不變，7%穩(wěn)定劑摻量下凍融性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 凍融試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定劑試件質(zhì)量損失達(dá)5%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)凍融循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度/MPa未凍融的試件抗壓強(qiáng)度/MPa凍融循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度損失率/%W0320.371.7779.1W2370.862.2962.4W3190.252.2188.7

表6中，不同穩(wěn)定劑摻量下的凍融試驗(yàn)結(jié)果差異性較大，凍融循環(huán)后的試件抗壓強(qiáng)度與試件質(zhì)量損失達(dá)到5%時(shí)的循環(huán)次數(shù)均具有較大差異，其中W2穩(wěn)定劑摻入土層后表現(xiàn)出的結(jié)果最佳，如W2試件凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度值為0.86 MPa，顯著高于W3的0.25 MPa，其凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率最低，仍滿足規(guī)定填料要求。

3 最佳穩(wěn)定劑下的吹砂填筑施工現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

吹砂填筑路堤的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是必測(cè)項(xiàng)目，一般通過(guò)對(duì)預(yù)先設(shè)定的邊樁進(jìn)行水平位移及地表隆起測(cè)量數(shù)據(jù)分析來(lái)判斷路堤的穩(wěn)定性[4-6]。采用W2穩(wěn)定劑，同時(shí)保持淤泥與吹填砂的比例為0.3∶0.7進(jìn)行試驗(yàn)段填筑。

試驗(yàn)段中每隔100 m設(shè)定一個(gè)觀測(cè)斷面，對(duì)邊樁進(jìn)行固定，每個(gè)邊樁位置取上、下2個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)一個(gè)600 m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行觀測(cè)，設(shè)置4個(gè)斷面，不同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行位移和沉降量觀測(cè)，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 吹砂填筑地基穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果mm 時(shí)間位置測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4水平位移豎向位移水平位移豎向位移水平位移豎向位移水平位移豎向位移30 d上841459114673873328下333732353838291860 d上4269547440472725下272726292921201490 d上3152435829352421下1723232520161210120 d上2832273423221819下11151821181388150 d上122013171113107下611866633累計(jì)上196318228329176204112100下105113107116111927262

由表7可知，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平位移均比豎向位移小，同一測(cè)點(diǎn)的水平位移或豎向位移隨著時(shí)間增長(zhǎng)位移值逐漸降低，累計(jì)到150 d時(shí)，30 d內(nèi)的位移值降低到15 mm以下，路基趨于穩(wěn)定。其中，測(cè)點(diǎn)2的水平及豎向位移值累計(jì)量最大。測(cè)點(diǎn)2位置不同時(shí)間的水平及豎向位移增長(zhǎng)曲線如圖2所示，圖2中測(cè)點(diǎn)2不同位置處的水平及豎向位移呈現(xiàn)先增大后減少趨勢(shì)，在150 d時(shí)降低到20 mm以下，小于規(guī)定設(shè)計(jì)值?？梢?jiàn)，最佳穩(wěn)定劑及泥沙比條件下的地基穩(wěn)定性滿足規(guī)定要求。

圖2 測(cè)點(diǎn)2在不同時(shí)間下的位移量實(shí)測(cè)值曲線

4 結(jié)論

1)采用不同比例的淤泥和吹填砂混合物為基料，當(dāng)泥砂質(zhì)量比為0.3∶0.7時(shí)，其混合物的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果最優(yōu)。

2)W2穩(wěn)定劑下的7 d及28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大，穩(wěn)定效果最佳。其主要組分包括水泥熟料+沸石粉+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇+乙烯基樹(shù)脂+丙烯酸酯+羧甲基纖維素鈉。采用W2穩(wěn)定劑穩(wěn)定砂土能夠獲得較好的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及凍融特性。

3)最佳泥沙比及最佳穩(wěn)定劑下試驗(yàn)段的長(zhǎng)期穩(wěn)定性滿足要求。