高速公路中基于改良土的路基填筑技術(shù)

鄭斌

（河北廣通路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

在我國(guó)工程建設(shè)中，尤其是鐵路或公路，施工中有很大可能遭遇土路基工程，其中不乏較多的高液限土，其水穩(wěn)定性差，較易受水影響，不能不經(jīng)處理便使用于工程路基填筑中，且其塑性指數(shù)大、液限偏大，同樣限制了應(yīng)用。在實(shí)踐中，常常遇到較難壓實(shí)的土質(zhì)，比如紅黏土、膨脹土，其易出現(xiàn)“彈簧”現(xiàn)象，軟黏土同樣如此，這些均屬于高液限土，前者富含碳酸鹽，后者含水率大且細(xì)顆粒很多，膨脹土則具有吸收膨脹、失水開裂的特性。因此，為將這些不良性質(zhì)的高液限土應(yīng)用于高速公路的路基填筑，勢(shì)必需要對(duì)其土力學(xué)行為進(jìn)行研究分析，通過改良處理[1-5]，使其滿足應(yīng)用要求。在具體的改良方法中，主要包括綜合法、強(qiáng)夯法以及重?fù)舴ǖ萚6-8]。另外，也有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了碾壓參數(shù)的研究，以提高高液限土的密實(shí)度[9]；也有學(xué)者對(duì)該類土的病害原因與特點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了控制措施[10]。

對(duì)于不同區(qū)域的高液限土而言，由于地質(zhì)差異，其在功能特點(diǎn)方面存在不同。當(dāng)下，高液限土的改良方案中，摻砂法具有一定的研究前景[11-12]。然而，對(duì)于摻加機(jī)制砂的有效性仍較少報(bào)道。基于此，以我國(guó)西南區(qū)域某高速公路為案例，針對(duì)其工程中所存在的高液限土，為研究摻加機(jī)制砂進(jìn)行改良的可靠性，于室內(nèi)進(jìn)行了其路用性能的探索測(cè)試，并基于檢測(cè)結(jié)果，對(duì)機(jī)制砂改良土的現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)進(jìn)行說明。

1 高液限土基本特性

以我國(guó)西南區(qū)域某高速公路為案例，針對(duì)其工程中所存在的高液限土，先采用挖機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土樣挖取，位置為地表下約3m，發(fā)現(xiàn)所取樣土表現(xiàn)為淺黃色黏性土，含有很多的顆粒結(jié)合物。記錄相應(yīng)的取樣地點(diǎn)、時(shí)間與深度等。對(duì)土樣實(shí)施性能試驗(yàn)，獲得的指標(biāo)情況為：原狀土中，比例最高的為細(xì)粒土，粒徑主要分布在0.0064～0.075mm，比例達(dá)52.6%，0.075～2mm 區(qū)間粒徑的比例為25.8%，所含物質(zhì)主要有硅酸鈦鋁、氧化鋁等；塑性指數(shù)為26.7，為高液限性質(zhì)、難壓實(shí)的黏土；通過擊實(shí)試驗(yàn)，得到其最佳含水率為17.65%，相應(yīng)的最大干密度為1.71g/cm3；由承載比試驗(yàn)得CBR2.5=2.7%，CBR5.0=2.6%，小于標(biāo)準(zhǔn)中最小強(qiáng)度的3%，穩(wěn)定性較差；摩擦角為2.5°，黏聚力為84.18kPa。

鑒于背景路段的上述土樣性質(zhì)，其無法直接用于路基填筑施工，須采取改良方式進(jìn)行處理后方能使用。一般可通過摻砂、摻石灰或摻水泥等改進(jìn)方式。本工程現(xiàn)場(chǎng)具備較多的機(jī)制砂存量，故而考慮以此進(jìn)行高液限土的改良。通過試驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)貦C(jī)制砂堆積密度、表觀密度分別為1.64、2.69g/m3，壓碎指標(biāo)為13.8%，細(xì)度模數(shù)取3.7，石粉含量為8.7%，粒徑大小為5～35mm。本次設(shè)計(jì)5 組不同機(jī)制砂摻量的改良土室內(nèi)方案，設(shè)定土樣的機(jī)制砂摻量分別為0%（對(duì)照組）、5%、8%、10%以及15%。試驗(yàn)后測(cè)得相關(guān)指標(biāo)參數(shù)值。

2 土樣改良試驗(yàn)分析

2.1 最大干密度和最佳含水率

經(jīng)由擊實(shí)試驗(yàn)，對(duì)土樣的最佳含水率進(jìn)行測(cè)定，與此同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最大干密度也可獲得，兩者的函數(shù)關(guān)系見圖1。由圖1 曲線可知，提高機(jī)制砂用量時(shí)，最大干密度基本呈現(xiàn)正相關(guān)形式，而最佳含水率則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即下降趨勢(shì)。最佳含水率在機(jī)制砂用量不超過10%時(shí)，隨含量增大，其下降較為迅速，10%以上時(shí)則緩慢降低。機(jī)制砂用量取為10%時(shí)，相比原狀土，其最佳含水率降低至97.11%；另外，對(duì)最大干密度而言，在機(jī)制砂含量8%以內(nèi)時(shí)，隨含量增大，其增幅較小，從8%到10%，其值迅速變大，而在10%以上后，其增幅又趨于緩和。機(jī)制砂含量取為10%時(shí)，相比原狀土，其最大干密度增加了6.02%。

2.2 黏聚力和摩擦角

經(jīng)過室內(nèi)剪切試驗(yàn)，對(duì)土樣的黏聚力進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)得到相應(yīng)的摩擦角，兩者的函數(shù)關(guān)系見圖2。由圖2 曲線知，當(dāng)機(jī)制砂含量增大時(shí)，黏聚力逐漸呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而摩擦角則表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。對(duì)于黏聚力，機(jī)制砂含量在8%以內(nèi)時(shí)，隨含量增大，其下降較為緩慢，8%到10%之間時(shí)則迅速降低，而超過10%后則又趨于緩和。機(jī)制砂含量取為10%時(shí)，相比原狀土，其黏聚力降低了37.42%；對(duì)于摩擦角，在機(jī)制砂含量10%以內(nèi)時(shí)，隨含量增大，其增幅較為均勻，基本呈直線增長(zhǎng)，從10%以后，其增幅仍較為均勻，但相對(duì)有所緩和。機(jī)制砂摻量取為10%時(shí)，相比原狀土，其摩擦角增加了120%。

圖2 黏聚力與摩擦角發(fā)展曲線

2.3 加州承載比

經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)可得，對(duì)改良高液限土樣的CBR 值，即承載比進(jìn)行測(cè)定，其隨機(jī)制砂摻量變化的函數(shù)關(guān)系見圖3。由圖3 曲線知，當(dāng)機(jī)制砂含量增大時(shí)，黏聚力基本逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但到一定限值后，其基本不再上升，而保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。機(jī)制砂含量在5%以內(nèi)時(shí)，隨含量增大，其增幅較為緩慢，5%～10%時(shí)則迅速增大，而摻量超過10%后則又趨于穩(wěn)定，即CBR值基本不變。由此可知，在CBR 值方面，在進(jìn)行高液限土改良時(shí)，機(jī)制砂的摻量并非越多越好，過多時(shí)無法提高土樣性能，且會(huì)造成成本提高。在本次試驗(yàn)中，機(jī)制砂含量取為10%時(shí)，CBR 值約為8.8%，比原狀土的CBR值增大了約2.26%。

綜合以上室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于高液限土樣的最佳含水率、最大干密度以及黏聚力、摩擦角、CBR值等評(píng)價(jià)指標(biāo)而言，機(jī)制砂摻量不是越大越好，而是存在一個(gè)臨界值，在該臨界值時(shí)，土樣的工程適用性、經(jīng)濟(jì)性最好，整體各項(xiàng)指標(biāo)最為合理。大于或小于臨界值時(shí)，均不能取得合適的指標(biāo)情況，本文中的該臨界值為10%，即為最佳的機(jī)制砂摻量。

3 施工工藝

3.1 碾壓方案

為合理確定上述10%機(jī)制砂摻量改良土的碾壓參數(shù)，保證改良土的實(shí)踐操作質(zhì)量，擬于項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)選取合適大小的試驗(yàn)場(chǎng)地，用于碾壓工藝測(cè)評(píng)。選取場(chǎng)地長(zhǎng)度為100m，將其劃分為4 個(gè)段落進(jìn)行填筑施工，土樣均為上述的10%機(jī)制砂摻量的改良土。碾壓方案設(shè)計(jì)為4種，分別方案一~方案四。

其中，方案一的設(shè)計(jì)情況為：碾壓器械型號(hào)為山推SR22M 型壓路機(jī)，采取靜壓后弱振，再進(jìn)行強(qiáng)振，接著又弱振，最后再次予以靜壓的搭配組合，其中靜壓共2 次，每道工序下的弱振與強(qiáng)振均實(shí)施2 次。方案二的設(shè)計(jì)情況為：碾壓器械型號(hào)為山推SR22M 型壓路機(jī)，采取靜壓后弱振，再次反復(fù)弱振，接著仍弱振，最后再次予以靜壓的搭配組合，其中靜壓共2次，每道工序下的弱振均實(shí)施2 次，共計(jì)6 次弱振。方案三的設(shè)計(jì)情況為：碾壓器械型號(hào)為山推SR22M 型壓路機(jī)，采取靜壓后弱振，再進(jìn)行強(qiáng)振，接著仍強(qiáng)振，最后再次予以靜壓的搭配組合，其中靜壓共2次，每道工序下的弱振與強(qiáng)振均實(shí)施2次。方案四的設(shè)計(jì)情況為：碾壓器械型號(hào)為山推SR22M 型壓路機(jī)，采取靜壓后強(qiáng)振，再進(jìn)行強(qiáng)振，接著仍強(qiáng)振，最后再次予以靜壓的搭配組合，其中靜壓共2 次，每道工序下的強(qiáng)振均實(shí)施2 次，共計(jì)6次強(qiáng)振。

山推SR22M型壓路機(jī)共有三種工作模式，分別為靜壓、弱振與強(qiáng)振，其模式切換依據(jù)為振動(dòng)頻率的選取。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，方案一、方案二、方案三、方案四的最終壓實(shí)度分別為93.5、90.3、91.7、88.7，因此最優(yōu)的碾壓工藝組合為方案一，即靜壓后弱振1次，再進(jìn)行強(qiáng)振2次，接著弱振2次，最后再次予以靜壓1次的搭配組合。

3.2 施工流程

對(duì)于改良土填筑施工效果而言，改良土的拌和技術(shù)為關(guān)鍵性工序。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮實(shí)際條件，本次對(duì)路基土施行改良優(yōu)化時(shí)，擬采取操作簡(jiǎn)便的路拌法進(jìn)行。路拌法施工工序主要包括測(cè)量放樣、攤鋪整平、分層填筑七步，各步驟的工藝要點(diǎn)如下：

（1）填前整平。即在施工前，對(duì)相應(yīng)路段的進(jìn)行清理整平工作，主要清理雜物，保證下承層表面平整順直，無浮渣碎屑等。

（2）測(cè)量放樣。該步驟是保證施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，主要是在平整堅(jiān)硬的下承層上按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)放，確定原地面高程。

（3）填料運(yùn)輸。填料制取時(shí)，除保證機(jī)制砂摻量精確稱量為10%之外，還應(yīng)對(duì)土樣進(jìn)行排水處理，避免取土過程中獲得的土樣含水率存在顯著差異，實(shí)踐中可采取斜面挖土法。

（4）上料。上料之前應(yīng)掌握現(xiàn)場(chǎng)路基的地下水位情況，水位較高時(shí)宜采取先砂后土的方案，而當(dāng)水位較低時(shí)，則可采取先土后砂方案。現(xiàn)場(chǎng)的松鋪厚度取為35cm。

（5）攤鋪整平。填土與機(jī)制砂混合后，先借助路拌機(jī)進(jìn)行2次攪拌，但不得攪至路基底部，以免機(jī)制砂落進(jìn)底面，接著實(shí)施2次翻拌，翻拌時(shí)宜攪至底部，原因是避免填筑的上下兩層之間存在素土夾層，影響施工質(zhì)量。翻拌時(shí)須將砂土盡量拌和均衡。

（6）碾壓。采用前文所述的碾壓方案一進(jìn)行施工，即靜壓后弱振1次，再進(jìn)行強(qiáng)振2次，接著又弱振2次，最后再次予以靜壓1次。注意分層進(jìn)行碾壓，保證每層的碾壓密實(shí)度。

（7）分層填筑。背景項(xiàng)目的路基較高，為高達(dá)20m左右的高路堤項(xiàng)目，因此在現(xiàn)場(chǎng)填筑時(shí)，考慮采用階梯形方案，填筑時(shí)應(yīng)保持合適的坡度，并在標(biāo)高6m 和15m處設(shè)置填筑平臺(tái)。

4 結(jié)論

（1）在改良土的評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，提高機(jī)制砂的用量，則最佳含水率、黏聚力均相應(yīng)而下降，而最大干密度、摩擦角、承載比等參數(shù)則呈現(xiàn)正相關(guān)。

（2）機(jī)制砂摻量并非越大越有利于性能改進(jìn)，而是存在一個(gè)臨界值，在該臨界值時(shí)，整個(gè)土樣的工程適用性、經(jīng)濟(jì)性最好，整體各項(xiàng)指標(biāo)最為合理。大于或小于臨界值時(shí)，均不能取得合適的指標(biāo)情況，本文中的該臨界值為10%，即為最佳的機(jī)制砂摻量。

（3）在機(jī)制砂改良土的鋪筑施工中，最合適的碾壓方案為：靜壓后弱振一次，再進(jìn)行強(qiáng)振兩次，接著弱振兩次，最后再次予以靜壓一次。