輕微濕陷性黃土區(qū)域路基工程摻灰改良處理的研究

時小波

（張家口通泰高速公路投資股份有限公司，河北 張家口 075000）

0 引言

黃土在我國分布廣泛，面積約為630 000km2，其中濕陷性黃土約占3/4，主要分布在甘肅、陜西、寧夏、山西、河北、河南等省份。濕陷性問題一直是黃土地區(qū)修建各類建筑物的典型問題。因此，近年來，我國各大高校、科研機構(gòu)及一線施工負(fù)責(zé)人員對濕陷性黃土的成因分析、病害防治等方面開展了大量研究，積累了較為豐富的實踐經(jīng)驗。劉娜等[1]介紹了濕陷性黃土的分類、成因，提出了保障邊坡穩(wěn)定的防治措施；郭顯鋒等[2]對濕陷性黃土填筑施工填料的選擇、含水量控制、壓實工序等提出了實用性對策?？紤]濕陷性黃土填筑路基病害頻發(fā)，處理難度大，改良土在具體工程實踐使用中由于工序控制不當(dāng)、病害頻發(fā)等因素，為保證工程質(zhì)量，便于施工，在高等級公路、鐵路等工程實踐中往往對帶有濕陷性的挖方土做棄方處理，而路基填料一般選用技術(shù)指標(biāo)合格的遠(yuǎn)運土方，造成了一定的資源浪費。由于黃土濕陷等級的不同，其處理方式、施工工藝、應(yīng)用范圍也存在差異。目前，國內(nèi)改良輕微濕陷性黃土用于高等級公路的具體工程實踐仍較少。在輕微濕陷性黃土區(qū)域，如果能夠改良利用原狀土作為路基填料，既能減少棄方土工程數(shù)量、節(jié)約工程投資，又能盡快解決路基填料短缺問題、加快工程施工進(jìn)度，從而減少取土場數(shù)量，最大程度地降低對地表環(huán)境的破壞。因此，開展輕微濕陷性黃土摻灰改良方案的研究尤為必要。

1 黃土濕陷現(xiàn)象的成因

黃土在形成初期非常松散，其結(jié)構(gòu)體系主要靠顆粒間的摩擦和少量水分的微弱黏聚力維持。在干旱和半干旱氣候條件下，土壤中的水分逐漸蒸發(fā)，土壤體積收縮，溶于水中的鹽類逐漸濃縮并聚集于土顆粒接觸點處，形成一定的膠結(jié)連接。經(jīng)過多次的反復(fù)濕潤干燥過程，土顆粒之間的密度逐漸增大，顆粒間的分子引力增大，顆粒間的膠接連接增強，土顆粒的抗滑移能力增強，阻止了土體的自重壓密，形成了以粗粉顆粒為主體骨架的多孔隙及大孔隙結(jié)構(gòu)。

當(dāng)黃土受水浸濕時，土顆粒之間形成水膜，顆粒之間的摩擦力降低。顆粒間的膠結(jié)連接溶于水中，土壤主體骨架強度也隨之降低。在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力等共同作用下，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，土粒向大孔滑移，從而導(dǎo)致大量的附加沉陷，這就是黃土濕陷現(xiàn)象的成因[3]。濕陷性黃土的濕陷性是導(dǎo)致路基下沉、路面破壞的根本原因。

2 摻灰改良處理的力學(xué)機理

濕陷性黃土在摻入消石灰后同普通石灰土一樣，同土發(fā)生膠體、膠凝、碳化、結(jié)晶四個反應(yīng)。

2.1 膠體反應(yīng)

濕陷性黃土在摻入消石灰后，土中的H+、Na+等離子立即與Ca（OH）2溶于水后的Ca2+發(fā)生離子交換，導(dǎo)致土顆粒之間的水膜厚度減薄，土體發(fā)生凝集或凝聚，形成團粒結(jié)構(gòu)，土的塑性和壓實性發(fā)生改變。此過程在消石灰與土接觸后即發(fā)生。

2.2 膠凝反應(yīng)

土體礦物中的SiO2和Al2O3在水溶液中同石灰發(fā)生反應(yīng)，形成了較為堅韌的硅酸鈣（CaSiO3）、二鋁酸鈣（CaO·2A1203）和一鋁酸鈣（CaO·A1203）的混合物。該混合物將土體顆粒凝聚，不易溶于水，需較長時間發(fā)生反應(yīng)。

2.3 碳化反應(yīng)

Ca（OH）2溶于水后，Ca2+與空氣中的CO2接觸，經(jīng)碳酸化反應(yīng)而形成CaCO3。

2.4 結(jié)晶

隨著石灰土水分的散失以及化學(xué)反應(yīng)對水分子的消耗，混合體中的Ca（OH）2和硅酸鹽、碳酸鹽、氯酸鹽晶體逐步析出，使土顆粒之間空隙減少，更加密實，從而使土體獲得“附加強度”。

以上為石灰土發(fā)生的四種物理、化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過以上四個過程，土體骨架孔隙得到了有效填充，固結(jié)后強度較大；利用石灰較強的固結(jié)能力，土顆粒之間的膠結(jié)連接能夠顯著增強，從而提高了土體的承載能力；改良石灰土在固結(jié)完成后具備一定的封水作用，對降低改良土以下的濕陷性黃土的濕陷量具有良好的效果。

3 張石高速蔚縣支線摻灰改良處理試驗

張石高速蔚縣支線工程位于河北省張家口市南部地區(qū)，地處蔚縣境內(nèi)，出露地層種類較多，區(qū)域內(nèi)地層有：元古界震旦亞界長城系，薊縣系；古生界寒武系、奧陶系；中生界侏羅系；新生界第三系、第四系。地形屬山間盆地河谷區(qū)，地貌形態(tài)有山前沖積扇、山前沖積平原、河流階地、河漫灘、河床等，輕微濕陷性黃土分布較廣。依據(jù)項目設(shè)計圖紙[4]，根據(jù)設(shè)計地勘取樣10 個探井的濕陷性試驗結(jié)果分析，濕陷性黃土狀土厚度為1～5.5m，深度為1.6～10m。其中，Ⅰ級（輕微）非自重濕陷性黃土段長14km，Ⅱ（中等）非自重濕陷性黃土段長2km。該項目挖方土600 456m3，以輕微非自重濕陷性黃土為主，約368 811m3，占比61%。

本文以張石高速蔚縣支線工程某挖方段挖方土為樣本，對原狀土的濕陷性等級、性能指標(biāo)等參數(shù)進(jìn)行判定與檢測，開展了摻灰（消石灰）1%、3%、5%三種改良方案的研究。

3.1 原狀土取樣及濕陷性等級的判斷

試驗在某挖方段取樣，原狀土為黃褐色細(xì)粒土，潔凈無雜質(zhì)。試驗選取3處共計20kg土樣，對土的有機質(zhì)含量、膨脹性、濕陷量、含水率、承載比等指標(biāo)進(jìn)行檢測和試驗。

經(jīng)檢測，樣本土有機質(zhì)含量為1.87%，自由膨脹率為10%。參考《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）[5]《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG 3610—2019）[6]，判定樣本土不屬于有機質(zhì)土，不屬于膨脹土。其余各項指標(biāo)見表1。

表1 原狀土試驗測定結(jié)果

自重濕陷系數(shù)δzs=0.001～0.025，濕陷程度無～輕微；濕陷起始壓力Psh=5～200kPa，自重濕陷量△zs=0～41.5mm，多數(shù)為0，△zs小于70mm，判斷場地均為非自重濕陷性場地；總濕陷量△s=51～283.62mm，△s小于350mm，判斷地基的濕陷性等級I（輕微）級[7]。

結(jié)果表明，原狀土承載比均小于3%，不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）[8]對路床填料最小承載比的要求，不能用作路基填料。

3.2 原狀土摻灰配合比的確定

為增強濕陷性黃土地基承載力，對原狀土進(jìn)行三種摻灰（消石灰）1%、3%、5%改良試驗。經(jīng)檢測，各試件的CBR測定值見表2。

表2 原狀土摻灰配合比試驗測定結(jié)果

試驗測定結(jié)果表明：對原狀土摻灰改良處理后，可顯著提高土體承載比。用作路床填料時，灰劑量為3%、5%的改良處理方案均滿足設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求，且摻灰3%改良處理方案更為經(jīng)濟合理，推薦使用。

4 輕微濕陷性黃土區(qū)域路基施工技術(shù)要點

4.1 填方路基施工

為確保路基填筑施工質(zhì)量，在確定試驗配合比后，張石高速蔚縣支線編制了《濕陷性黃土路基填筑專項施工方案》，并在取樣現(xiàn)場附近選取了100m 路基試驗段，對專項施工方案中的機械設(shè)備組合、碾壓速度、灰劑量控制方法、現(xiàn)場拌和質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)措施等進(jìn)行驗證和優(yōu)化。常見問題及主要施工技術(shù)要點歸納如下：

（1）路基填筑前應(yīng)對原地表的腐殖土、生活垃圾等進(jìn)行清理，直至清理至原狀土完全裸露，無雜質(zhì)，并進(jìn)行填前壓實。

（2）灰土拌和宜采用集中拌和，但在工程實施前應(yīng)結(jié)合工程實際，與現(xiàn)場拌和進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)比較。在保證拌和質(zhì)量的前提下，擇優(yōu)選擇造價較低的拌和方式。張石高速蔚縣支線選取了現(xiàn)場拌和的施工工藝。

（3）土方應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“畫格上土、掛線施工”的原則，控制填筑厚度，土方松鋪厚度不應(yīng)大于拌和設(shè)備的有效拌和深度；摻灰前需對土方含水量進(jìn)行現(xiàn)場測定，如土方含水量較高，應(yīng)在晾曬處理后再進(jìn)行摻灰拌和；石灰宜采用袋裝石灰，以方便控制灰土使用劑量。

（4）生石灰吸水性、吸濕性極強，應(yīng)注意防潮，必須保證儲存環(huán)境干燥，應(yīng)在庫、棚中儲存，且儲存期（塊灰）不得超過1個月；因生石灰遇水熟化，可放出大量的熱，因此生石灰不能與易燃、易爆及液體物品混存，以免引起火災(zāi)、爆炸。

（5）在攤鋪過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制填料粒徑，并對結(jié)塊石灰進(jìn)行粉碎處理，保證石灰土均勻穩(wěn)定?；覄┝砍繒r易引起路基龜裂，不足時黃土濕陷量較大引起路基沉陷，CBR值不滿足規(guī)范要求。

（6）機型設(shè)備的相關(guān)參數(shù)、數(shù)量應(yīng)合理，并滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。如拌和機的拌和深度應(yīng)不小于土層的虛鋪厚度；碾壓設(shè)備的壓實功應(yīng)滿足壓實厚度、壓實度要求；機械設(shè)備類型配備應(yīng)齊全。

（7）嚴(yán)格控制壓路機碾壓速率。碾壓速度太慢，石灰土水分散失快，無法保證土體的最佳含水率影響壓實效果；碾壓速度太快，急剎急停易破壞土體表面的整體性，導(dǎo)致起拱。

（8）改良土路基填筑宜連續(xù)施工，否則需進(jìn)行灑水處理，應(yīng)避免土體表面長時間暴曬水分散失導(dǎo)致起拱、開裂。

（9）試驗段施工完畢后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，應(yīng)及時對專項方案進(jìn)行優(yōu)化。重點是改良土含水率的設(shè)定范圍，應(yīng)考慮填料性質(zhì)、季節(jié)、自然環(huán)境、拌和水分散失等因素，控制改良土含水率至最佳含水率，確保路基填筑質(zhì)量。

4.2 低填淺挖及挖方段路床濕陷性黃土的處理

在輕微濕陷性黃土區(qū)域，低填淺挖及挖方段在清表或挖除土方后，需對地面進(jìn)行填前壓實等處理。常見問題及主要施工技術(shù)要點有：

（1）上路床調(diào)拱之前應(yīng)對原地表進(jìn)行清理，并進(jìn)行填前壓實。如土體含水量較高需進(jìn)行翻挖、晾曬后進(jìn)行摻灰處理，確保填前壓實施工質(zhì)量。

（2）濕陷等級為Ⅰ級黃土，覆土厚度小于2m 的區(qū)域，宜采用沖擊碾壓處理。

（3）濕陷等級為Ⅰ級黃土，覆土厚度大于2m 的區(qū)域，應(yīng)采用強夯處理。夯擊能的控制應(yīng)結(jié)合土體的有機質(zhì)含量、膨脹性、濕陷量、含水率等指標(biāo)進(jìn)行；也可超挖至路床頂以下30cm，采用3%石灰土進(jìn)行換填處理，處理范圍橫向延伸至路基邊溝外。

（4）石灰土溫縮及干縮特征比較明顯，抗凍性較差，易造成基層開裂，在溫差變化較大的基層禁止使用。在濕陷性黃土區(qū)域如挖方土含水量較大的不宜采用石灰土換填處理方案。

4.3 輕微濕陷性黃土處理的其他注意事項

（1）涵洞、橋梁及擋土墻臺背濕陷性黃土地基路段采用強夯處理，施工中應(yīng)先進(jìn)行強夯處理再做橋涵構(gòu)造物下部結(jié)構(gòu)施工。避免因強夯引起構(gòu)造物下部結(jié)構(gòu)位移或橫向剪切破壞。

（2）路基填筑的各層面間應(yīng)平整，符合平縱坡要求，不得出現(xiàn)積水，以免影響石灰土填筑及碾壓質(zhì)量。

（3）當(dāng)采用石灰土路基分段填筑時，先填地段接頭處預(yù)留緩于1:1 的坡度，并在各填筑層面上預(yù)留不小于2m寬的平臺，便于接頭段的銜接。

（4）路基填筑工程中，應(yīng)首先解決臨時排水問題，完善排水系統(tǒng)，嚴(yán)禁出現(xiàn)積水現(xiàn)象，保障石灰土最佳含水率。

因張石高速蔚縣支線地處張家口市南部地區(qū)，最大凍深達(dá)118mm，因此摻灰3%改良土僅作為路基下路床填筑材料，并采用現(xiàn)場拌和工藝組織施工。該項目設(shè)計挖方輕微非自重濕陷性黃土約368 811m3，摻灰利用土方267 200m3，與棄方后進(jìn)行借土填方的技術(shù)方案相比，節(jié)省工程投資近1 015 萬元；取消取土場3 處、棄土場2處，減少對高速公路周邊地表植被的破壞和取棄土引起的水土流失等環(huán)保問題，取得了良好的社會效益。

5 結(jié)語

張石高速蔚縣支線高速公路項目于2019 年12 月建成通車。截至目前，根據(jù)設(shè)置的觀測點顯示，采用摻灰3%改良土填筑路基段落路基穩(wěn)定，路面未出現(xiàn)開裂、不均勻沉降等病害?；谠摴こ虒嵺`，本文分別從濕陷性黃土濕陷現(xiàn)象的成因、改良土力學(xué)機理等方面進(jìn)行了理論分析；通過開展試驗對輕微濕陷性黃土進(jìn)行了等級判定，明確了摻灰配合比方案；制定了專項施工方案，并通過修建試驗段進(jìn)行優(yōu)化完善；提出在輕微濕陷性黃土區(qū)域公路工程路基施工技術(shù)要點。建議在確定輕微濕陷性黃土的摻灰處理方案時，要加大取樣范圍，保證土壤樣本的代表性；根據(jù)路基填筑高度及設(shè)計公路荷載對承載力的要求靈活調(diào)整試驗參數(shù)。同時，在開展大范圍路基填筑施工前，要以相關(guān)技術(shù)規(guī)范、試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，制定專項施工方案，進(jìn)行驗證性試驗，優(yōu)化施工技術(shù)措施，嚴(yán)格控制填料粒徑、含水率、灰劑量等關(guān)鍵指標(biāo)與試驗指標(biāo)一致，并做好施工工序銜接，保障公路路基施工質(zhì)量。