改良鐵尾礦渣路基填筑施工與質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

董文杰

（中交二公局第六工程有限公司，西安 710000）

1 工程概況

京秦高速公路遵秦段B4 標(biāo)，為北京至秦皇島高速公路工程遵化市至秦皇島段，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，整體式路基寬度33.5 m，路基全長6.41 km，路面全長29.06 km，為PPP 項(xiàng)目，合同總造價(jià)10.21 億元，合同工期為30 個(gè)月。工程量中，路基填方1.144 7×106m3，挖方28.23×104m3，借方86.24×104m3。

2 鐵尾礦渣場區(qū)復(fù)墾

我國鐵礦分布區(qū)內(nèi)的礦石類型豐富，組成頗為復(fù)雜，以鐵尾礦渣為例，因礦區(qū)的不同，其在化學(xué)成分和粒度形態(tài)方面均存在差異[1]。濟(jì)青高速公路沿線有鐵尾礦渣，粒徑較大，氧化鋁含量較高，礦物組成包含鈉長石、結(jié)晶相石英等，僅存在少量的不定形相顆粒。從化學(xué)性質(zhì)的角度來看，鐵尾礦渣的氧化鈣含量偏低，屬于惰性材料。

2.1 顆粒特征

鐵尾礦渣表面粗糙、顆粒形狀缺乏規(guī)則性，2～0.075 mm 的砂粒組占據(jù)較大的比重，0.075 mm 以內(nèi)的顆粒相對(duì)較少，占總量的10%以下。經(jīng)取樣分析發(fā)現(xiàn)，礦物相的主要類型包含鈉長石和石英等，砂粒是其主要的形態(tài)?；诜治鰯?shù)據(jù)繪制級(jí)配曲線，發(fā)現(xiàn)該曲線的形態(tài)較為良好，無中間缺失粒組的問題，結(jié)構(gòu)效應(yīng)突出，有明顯的微觀集料骨架和填充結(jié)構(gòu)。

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

從宏觀的角度來看，相比于路基填料強(qiáng)度要求低限而言，顆粒的最小強(qiáng)度均高于該值，并且在粗粒含量增加、級(jí)配得以有效改善的條件下，強(qiáng)度特性將更為突出。但是，若將鐵尾礦渣用于路基填筑，則需充分考慮其抗沖刷能力弱、遇水易軟化的特點(diǎn)（滲透系數(shù)10-7～10-3cm/s），隨之影響機(jī)械碾壓施工效果，可能出現(xiàn)局部碾壓密實(shí)度不足的情況。

3 鐵尾礦渣路基填筑施工工藝及施工控制

3.1 鐵尾礦渣路基填筑施工工藝

根據(jù)相關(guān)施工工藝數(shù)據(jù)可知，需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括：松鋪厚度、壓實(shí)厚度、路基碾壓方式、碾壓遍數(shù)、包邊土、檢測方法（確定壓沉值）、沖擊碾壓強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)。在本項(xiàng)目中，填土高度小于5 m 的路基采用沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)1 m 一次，大于5 m 的路基采用強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)處理。具體機(jī)械設(shè)備進(jìn)場以及施工方式見表1。

表1 機(jī)械設(shè)備進(jìn)場計(jì)劃一覽表

3.2 改良鐵尾礦渣施工控制

路基是公路的重要結(jié)構(gòu)，可承受源自路面的荷載，為保證路基乃至整個(gè)道路的穩(wěn)定性，需要切實(shí)提高路基的強(qiáng)度，保證其穩(wěn)定性。在試驗(yàn)中，按6%的水泥用量考慮，將改良后的材料用于施工，依次經(jīng)過填筑、攤鋪、壓實(shí)、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)，從中判斷經(jīng)改良后鐵尾礦渣的性能表現(xiàn)。

3.2.1 施工含水量

鐵尾礦渣對(duì)水較為敏感，含水量偏高時(shí)呈流塑狀，雖然采取壓實(shí)措施但實(shí)際效果難以滿足要求；含水量偏低時(shí)，材料缺乏足夠的黏性，呈松散狀，經(jīng)過壓實(shí)后仍難以得到完整的整體結(jié)構(gòu)。具體至實(shí)際施工環(huán)境中，鐵尾礦渣的表層易風(fēng)干失水，壓實(shí)后起皮，部分情況下存在壓實(shí)度偏低的問題。對(duì)此，在改良時(shí)著重考慮其實(shí)際含水量，以最佳含水量的3%～4%為宜。

3.2.2 分層填筑

分層填筑施工，單層填筑厚度控制在35～40 cm，能夠較為有效地保證各層的填筑壓實(shí)施工效果，使其具有良好的縱向均勻性。分層填筑過程中，還需檢測表面平整度并予以控制；由平地機(jī)完成整形，使各層具有平整性以及足夠的穩(wěn)定性。

3.2.3 壓實(shí)工藝

壓實(shí)工藝集多道工序于一體，按照“靜壓（1 遍）→弱振（2遍）→強(qiáng)振（2 遍）→靜壓（1 遍）”的順序有序施工。不同壓實(shí)方式下的速度存在差異，靜壓2.0～2.5 km/h，振動(dòng)壓實(shí)時(shí)可適當(dāng)放慢速度（1.5～1.7 km/h），振幅為2～2.5 mm。精準(zhǔn)控制壓路機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)，不可在工作面急剎車或調(diào)頭，否則均會(huì)對(duì)壓實(shí)層的完整性造成不良影響。

3.2.4 保濕養(yǎng)護(hù)

壓實(shí)后，進(jìn)入養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，全程使改良鐵尾礦渣路基保持濕潤的狀態(tài)。夏季施工時(shí)，高溫環(huán)境容易使路基水分快速蒸發(fā)，因此，采取補(bǔ)灑水等方法，將路基的含水量穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)。冬季氣溫較低，則采取覆蓋措施，例如，在路基上覆蓋20 cm 厚的土層，起到隔離保溫的作用，以免低溫凍傷。

4 改良鐵尾礦渣的應(yīng)用效果分析

壓實(shí)度是評(píng)價(jià)路基施工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，因此，要在施工中安排壓實(shí)度檢測，根據(jù)實(shí)測結(jié)果判斷路基的施工效果。環(huán)刀法、灌砂法是較為常規(guī)的壓實(shí)度檢測方法，其在應(yīng)用中易受到人為因素的干擾，實(shí)測結(jié)果準(zhǔn)確性偏低。相比之下，利用回彈模量評(píng)價(jià)路基填筑質(zhì)量較為可行。在水泥改良鐵尾礦渣試驗(yàn)時(shí)，共在該路段內(nèi)選取10 個(gè)斷面，聯(lián)合應(yīng)用承載板法和彎沉儀法，由專員操作，分別在1 d、7 d、14 d 齡期測試，得到具體的測試結(jié)果，據(jù)此對(duì)水泥改良鐵尾礦渣的施工效果做出判斷。

4.1 靜態(tài)回彈模量

基于檢測結(jié)果生成承載板法測定的靜態(tài)回彈模量直觀圖形，如圖1 所示。分析發(fā)現(xiàn)，1 d、7 d、14 d 齡期時(shí)，路基回彈模量分別達(dá)到27 MPa、47 MPa、69 MPa；通過對(duì)各齡期的對(duì)比可知，14 d 的靜態(tài)回彈模量達(dá)到1 d 齡期時(shí)的2.6 倍，有顯著提升。

圖1 承載板法測定的平均靜態(tài)回彈模量

4.2 動(dòng)態(tài)變形模量

PFWD 法測定的動(dòng)態(tài)變形模量結(jié)果如圖2 所示。分析發(fā)現(xiàn)，在1 d、7 d、14 d 齡期時(shí)，動(dòng)態(tài)變形彈模量分別達(dá)到20 MPa、41 MPa、56 MPa；隨著齡期的增加，動(dòng)態(tài)變形模量也有同步提升的變化趨勢(shì)，兩者具有突出的線性變化特征。

圖2 PFWD法測定的動(dòng)態(tài)變形模量

此外，還考慮到靜態(tài)回彈模量與動(dòng)態(tài)變形模量的關(guān)系。從指標(biāo)變化趨勢(shì)的角度來看，無論是承載板法還是PFWD 法，兩種方法測量得到的路基模量均顯現(xiàn)出高度趨同的變化規(guī)律，反映出兩種方法均具有可行性，可用于評(píng)價(jià)路基的強(qiáng)度以及承載能力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法所測定的靜態(tài)回彈模量和動(dòng)態(tài)變形模量均能夠達(dá)到要求，有力地論證了水泥改良鐵尾礦渣材料應(yīng)用效果較佳的事實(shí)。

5 后期路基質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

通過試驗(yàn)測定的壓沉值可判斷路基最終質(zhì)量。具體土方混填路堤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土石混填路堤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)論

1）鐵尾礦渣的水穩(wěn)定性較差，遇水易軟化，在應(yīng)用水泥材料加以改良后，依托于水泥的水化作用，可大幅度提升鐵尾礦渣的水穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)鐵尾礦渣強(qiáng)度的增加，得到優(yōu)質(zhì)的路基填料，使其更為有效地適應(yīng)特殊的工程施工環(huán)境。

2）相比于傳統(tǒng)填土路基施工，水泥改良鐵尾礦渣路基對(duì)工藝的要求更高，諸如含水量控制、填筑、壓實(shí)、養(yǎng)生均是重要環(huán)節(jié)，要根據(jù)具體的施工條件（填料實(shí)際含水量、現(xiàn)場環(huán)境溫度等）采取針對(duì)性的控制措施，將各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。

3）隨著水泥改良鐵尾礦渣路基齡期的增加，其彈性模量也隨之增加，兩者呈現(xiàn)出顯著的線性變化規(guī)律。