中東地區(qū)石灰?guī)r質(zhì)土石方回填料摻沙漠砂改良研究

李志鵬，陸土勤

（中交四航局第二工程有限公司 廣州 510230）

0 前言

卡塔爾地處沙漠地區(qū)，沙漠砂資源充沛，地質(zhì)條件為石灰質(zhì)強(qiáng)風(fēng)化巖，分布廣泛［1］。卡塔爾多哈東部走廊是連接多哈新機(jī)場(chǎng)和工業(yè)區(qū)的一條主要高速公路，道路主線全長(zhǎng)10.736 km，標(biāo)準(zhǔn)段寬264 m，雙向10 車道［2］，道路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本文結(jié)合多哈東部走廊工程實(shí)踐，對(duì)石灰?guī)r質(zhì)土石方回填料摻沙漠砂改良工藝進(jìn)行了研究。

圖1 道路典型斷面Fig.1 Typical Road Cross Section （mm）

1 概況

本工程底基層回填料為一種級(jí)配良好且低液塑限的回填土（精選料），工程量約65 萬m3，技術(shù)規(guī)格書要求通過使用英國標(biāo)準(zhǔn)《BS1377-Part2—1990》［3］試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)后，級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果中75 mm 篩通過率100%，0.075 mm 篩通過率小于20%，液限不大于35%，塑性指數(shù)不大于6%，塑性指數(shù)比卡塔爾國標(biāo)QCS［4］的10%要求更加嚴(yán)格。

液限測(cè)定試驗(yàn)：采用碟式儀法，操作方法及判別標(biāo)準(zhǔn)如下：

⑴制備試樣、調(diào)勻，鋪于銅碟前半部，然后將銅碟前沿試樣刮成水平，使試樣中心厚度為10 mm，用工具沿銅碟直徑將土樣劃開，形成V形槽；

⑵以2 擊/s 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，使銅碟反復(fù)起落，墜擊于底座上，記錄槽底兩邊的土試樣合攏長(zhǎng)度為13 mm時(shí)的擊數(shù)并取樣做含水率試驗(yàn)；

⑶使用不同含水率的試樣，重復(fù)步驟⑴、⑵4～5次；

⑷以擊數(shù)的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，含水率為縱坐標(biāo)，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制擊數(shù)與含水率關(guān)系曲線，取曲線上擊數(shù)為25擊所對(duì)應(yīng)的含水率為試樣的液限。

塑限測(cè)定試驗(yàn)：采用滾搓法，要求滾搓8～10 g 的試樣，當(dāng)土條搓成直徑為3 mm 時(shí)產(chǎn)生裂縫并開始斷裂，表示試樣的含水率達(dá)到塑限含水率要求，最后取3～5 g 土條測(cè)出含水率，經(jīng)平行測(cè)定后取平均值得到塑限。

根據(jù)合同條款，業(yè)主提供石灰?guī)r破碎料作為路基施工的原料，施工方通過加工后用于路基精選料施工。通過對(duì)甲供的石灰?guī)r破碎料取樣檢測(cè)，相關(guān)檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 級(jí)配試驗(yàn)Tab.1 Gradation Test

表2 液塑限試驗(yàn)Tab.2 Liquid Limit & Plastic Index Test

依據(jù)表1 級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果：級(jí)配75 mm 篩石灰?guī)r破碎料通過率為98%，0.075 mm 篩通過率為36%，說明這些破碎料的級(jí)配不均勻，含泥量高，不滿足技術(shù)規(guī)格書對(duì)精選料的要求。級(jí)配不合格的回填料，即使現(xiàn)場(chǎng)回填時(shí)達(dá)到回填料的最優(yōu)含水率，也難以壓實(shí)，無法達(dá)到項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書壓實(shí)度95%的要求，而如果壓實(shí)度不合格，會(huì)在路基中形成許多微小空隙，后期引起地基的不均勻下沉［5］。工程竣工通車后，車輛在高速公路行駛過程中形成豎直壓力對(duì)路基造成再次壓實(shí)，可能會(huì)使得路基的壓實(shí)度變大，微小空隙變少，導(dǎo)致路面出現(xiàn)空洞塌陷［6］，故精選回填料級(jí)配試驗(yàn)指標(biāo)必須進(jìn)行有效控制。

依據(jù)表2液塑限試驗(yàn)分析石灰?guī)r破碎料的液塑限試驗(yàn)結(jié)果，其液限值和塑性指數(shù)值較高，不符合技術(shù)規(guī)格書對(duì)精選料液塑限的要求，高液塑限土遇水飽和會(huì)產(chǎn)生下沉或滑動(dòng)，在工程上會(huì)存在質(zhì)量隱患［7］。

2 摻砂比例對(duì)回填料的性能影響分析

回填材料中，通常在土壤中拌合水泥、石灰等生成水泥穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定土或者綜合穩(wěn)定土，以達(dá)到改善土壤使用性能的目的［8］。本工程技術(shù)規(guī)格書要求：精選料塑性指數(shù)不大于6%，卡塔爾地區(qū)的石灰?guī)r破碎料不能直接用作本工程回填料。由于卡塔爾物資匱乏，水泥、石灰等材料都需要從國外進(jìn)口，且配送周期長(zhǎng)，使用水泥、石灰進(jìn)行改良經(jīng)濟(jì)效益較差。

為推動(dòng)項(xiàng)目實(shí)施，結(jié)合卡塔爾豐富的沙漠砂資源，供應(yīng)充沛，選擇了摻沙漠砂改良石灰?guī)r破碎料。為了滿足使用技術(shù)規(guī)格書要求，回填料中需要摻更多的砂，但是塑性指數(shù)不大于6%的材料已經(jīng)很接近無液塑限的狀態(tài)，如果摻砂比例控制不好，材料會(huì)變成無粘性狀態(tài)，造成壓不實(shí)，且摻砂量提高也會(huì)導(dǎo)致施工成本大幅上漲，在沒有現(xiàn)有數(shù)據(jù)可以參考的情況下，很有必要探索最佳的摻砂比例來改良石灰?guī)r質(zhì)土石方回填料性能，以最經(jīng)濟(jì)合理的方式來達(dá)到更嚴(yán)格的要求。

2.1 摻砂比例對(duì)回填料級(jí)配的影響

對(duì)甲供石灰?guī)r破碎料分別按照10%、20%、30%、40%、50%的比例摻入沙漠砂進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)［9］，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表3 沙漠砂級(jí)配Tab.3 Gradation for Desert Sand

表4 摻砂后回填料級(jí)配Tab.4 Gradation for Backfill Material Mixed with Desert Sand

根據(jù)級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果畫出級(jí)配試驗(yàn)曲線，如圖2所示。

圖2 級(jí)配試驗(yàn)曲線Fig.2 Gradation Curve of Backfill Material Mixed with Desert Sand

對(duì)比分析各摻砂比例試驗(yàn)結(jié)果，摻砂后回填料級(jí)配均得到改善，滿足75 mm 篩通過率100%，0.075 mm篩通過率小于20%的要求。

2.2 摻砂比例對(duì)回填料液塑限的影響

液塑限指標(biāo)是反應(yīng)粘土隨著含水率變化從一種狀態(tài)變?yōu)榱硗庖环N狀態(tài)的界限含水率［10］。

甲供石灰?guī)r破碎料液塑性試驗(yàn)結(jié)果不滿足技術(shù)規(guī)格書對(duì)精選料的要求，且液塑限值均很高，通過對(duì)破碎回填料在未摻砂、摻入10%、20%、30%、40%、50%沙漠砂進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，回填料液塑限試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 回填料液塑限試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Tab.5 Liquid Limit & Plastic Index Test for Backfill Material Mixed with Desert Sand

根據(jù)液限和塑性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果畫出級(jí)配曲線，如圖3所示。

圖3 液限及塑性指數(shù)結(jié)果曲線Fig.3 Liquid Limit Curve of Backfill Material Mixed with Desert Sand

通過表5、圖3 進(jìn)行分析，沒有摻砂以及摻砂量為10%的甲供石灰?guī)r破碎料無論是液限還是塑性指數(shù)都不符合技術(shù)規(guī)格書要求，摻砂量達(dá)到20%、30%、40%、50%的回填料液限和塑性指數(shù)均得到明顯改善，滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

3 摻砂比例分析及選擇

根據(jù)級(jí)配和液塑限試驗(yàn)結(jié)果的分析，在甲供石灰?guī)r破碎料中摻入20%、30%、40%、50%的沙漠砂，試驗(yàn)結(jié)果全部符合技術(shù)規(guī)格書中精選料的要求。但是甲供石灰?guī)r破碎料中摻砂量為20%時(shí)塑性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果處于臨界值，不利于質(zhì)量控制，摻砂量為40%、50%時(shí)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果雖滿足技術(shù)規(guī)格書要求，但是不利于成本控制。綜合上述分析對(duì)精選料從質(zhì)量及成本等多角度出發(fā)，選擇在甲供石灰?guī)r破碎料中摻加30%的沙漠砂進(jìn)行改良為最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

卡塔爾多哈東部走廊項(xiàng)目的石灰?guī)r破碎料不能直接用于回填施工，通過摻入30%的沙漠砂，可有效改善回填料的級(jí)配和液塑限的性能，在控制精選回填料質(zhì)量的基礎(chǔ)上，最大限度地節(jié)約項(xiàng)目成本，達(dá)到控制質(zhì)量及成本的雙贏目的，保證了工程的順利實(shí)施。