高速公路含沙低液限黏土路基技術(shù)研究

鄧敏旋

（江西贛東路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 撫州 344000）

0 引言

公路在修筑過程中，路基作為道路的基礎(chǔ)，其修筑質(zhì)量對(duì)道路整體性能有顯著影響，良好的道路路基應(yīng)具備較強(qiáng)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。在道路建設(shè)中，路基施工是最為重要的部分之一，影響路基施工的主要因素有土質(zhì)、天氣、壓實(shí)等[1]。目前低液限粉黏土在國內(nèi)外已有不少的研究，但其完整性尚不夠，許多問題仍需深入研究。該文將通過實(shí)際工程進(jìn)行研究，為粉黏土路基施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

某高速公路施工區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)蝕為主的風(fēng)沙草灘地貌，全年降水量較少，地質(zhì)干燥，其土質(zhì)大部分為含砂低液限黏土。該文試驗(yàn)路段選段為K1537+000～K1537+100，長度為100 m。設(shè)計(jì)車道為雙向四車道，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，路基寬為36 m。該路段為低液限粉黏土，經(jīng)過現(xiàn)場測試及試驗(yàn)，其壓實(shí)度、平整度、坡度、厚度均滿足施工規(guī)范要求?？紤]當(dāng)?shù)靥鞖猸h(huán)境及車輛荷載等外在因素，決定采用改良土施工技術(shù)進(jìn)行路基施工。

1.1 改良措施類型

（1）摻配沙礫改良。低液限粉黏土在路基填料施工時(shí)，多采用現(xiàn)場悶料，時(shí)間長且不宜控制含水量，導(dǎo)致難以壓實(shí)[2]。若在填筑路段表面加上礫類土后，水分易溶于填料之中，在經(jīng)過壓實(shí)等不同工藝程序之后，可達(dá)到施工要求。同時(shí)低液限粉黏土與礫類土摻配后易于壓實(shí)，為施工方帶來了方便，同時(shí)也可以提高工作效能。

（2）水泥改良。將水泥摻入低液限土內(nèi)所形成的水泥改良土具有較好的水穩(wěn)定性，同時(shí)水泥改良土可用于我國大部分地區(qū)及不同地質(zhì)地段[3]。水泥改良土施工操作比較簡單，可就地拌和或運(yùn)至施工現(xiàn)場拌和。在施工時(shí)可機(jī)械化施工，在提高工作效率同時(shí)，也保證了施工質(zhì)量，但僅適用于部分特殊地基處理地區(qū)。

1.2 施工工藝

（1）施工前準(zhǔn)備。保證前期所需材料滿足施工要求。清理施工現(xiàn)場，方便放線以及地界樁的放置。

（2）分層填筑。填筑過程中要求按層次進(jìn)行施工。首先進(jìn)行土方裝運(yùn)施工，隨后進(jìn)行平整作業(yè)，最后進(jìn)行壓實(shí)。在施工過程中要合理控制改良粉黏土的松鋪厚度，通?？刂圃?0 cm以內(nèi)。

（3）碾壓夯實(shí)。進(jìn)行碾壓夯實(shí)前，保證混合料含水量、平整度均符合施工要求方可施工。在進(jìn)行碾壓時(shí)按照先兩側(cè)后中間、先慢壓后快壓、先輕壓后振動(dòng)的原則進(jìn)行。

（4）養(yǎng)護(hù)。在施工完成之后，需進(jìn)行一周以上的養(yǎng)生。在此期間避免改良土的濕度不穩(wěn)定，同時(shí)禁止車輛通行。

2 摻配沙礫改良措施

2.1 改良機(jī)理

對(duì)低液限素土需要進(jìn)行改良，通常采用摻配沙礫的方式進(jìn)行，其改良機(jī)理主要有兩種，分別為：粒子干涉理論和最大密實(shí)理論。

（1）粒子干涉理論。粒子干涉理論認(rèn)為，為了達(dá)到最大密度，前一級(jí)顆粒之間產(chǎn)生的空隙由次一級(jí)顆粒填充，其余顆粒由再次一級(jí)顆粒填充，以此類推。當(dāng)達(dá)到臨界干涉狀態(tài)時(shí)，t=d，公式如式（1）所示：

式中，t——前粒徑的間隙距離；——次粒級(jí)的粒徑；——前粒級(jí)的粒徑；D——次粒級(jí)的實(shí)用實(shí)積率；d——次粒級(jí)的理論實(shí)積率。

（2）最大密實(shí)度理論。最大密實(shí)度理論是一種在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的理想曲線，當(dāng)?shù)V料顆粒級(jí)配愈接近拋物線時(shí)，其密實(shí)度越大，空隙率最小，表達(dá)式如式（2）所示：

式中，Px——粒徑為d的集料的通過百分率（%）；D——集料的最大粒徑（mm）。

2.2 滲透試驗(yàn)研究

為了研究沙礫改良土的滲透性能，該文采用常水頭滲透試驗(yàn)來測試水泥改良土的滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表1及圖1，計(jì)算公式如式（3）所示：

圖1 不同沙礫含量滲透系數(shù)試驗(yàn)圖

表1 不同沙礫含量滲透系數(shù)試驗(yàn)表

式中，K——滲透系數(shù)（cm/s）；Q——時(shí)間t秒內(nèi)滲透水量（cm3）；L——兩側(cè)壓孔中心間的試樣長度，L=10 cm；A——試樣斷面積（cm2）；H——平均水頭差（cm）；t——時(shí)間（s）。

從表1、圖1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可得出，當(dāng)沙礫土含量為0%時(shí)，滲透系數(shù)為6.626×10-4cm/s；當(dāng)沙礫土含量為30%時(shí)，滲透系數(shù)為6.587×10-4cm/s；當(dāng)沙礫土含量為40%時(shí)，滲透系數(shù)為6.477×10-4cm/s；當(dāng)水泥含量為50%時(shí)，滲透系數(shù)為5.515×10-4cm/s；沙礫土與滲透系數(shù)線性關(guān)系為y=-0.344 3x+7.162，R2 =0.708 8。隨著沙礫土含量的增加，改良土的滲透系數(shù)從6.626×10-4cm/s減少到5.515×10-4cm/s，減少了15%左右。由此可知，在摻加沙礫土進(jìn)行改良時(shí)，沙礫土含量與滲透系數(shù)成反比關(guān)系，與抗?jié)B能力為正比關(guān)系。水泥含量達(dá)到50%時(shí)，改良土抗?jié)B能力最佳，可用于低液限黏性土路基施工當(dāng)中。

2.3 抗壓回彈模量試驗(yàn)

回彈模量是指路基、路面或筑路材料在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與其回彈應(yīng)變的比值，是采用彈性半空間基礎(chǔ)模型進(jìn)行研究，在瞬時(shí)力作用下可恢復(fù)變形能力的體現(xiàn)。彈性模量在路面設(shè)計(jì)中被用作抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)。 當(dāng)豎向載荷為恒定值時(shí)，回彈模量越大，豎向位移越小。

該文通過室內(nèi)試驗(yàn)，分別對(duì)礫類土摻量為30%、40%、50%的改良粉黏土進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，每一個(gè)摻量都進(jìn)行了三組平行試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖2。

表2 礫類土不同含量的抗壓回彈模量

圖2 礫類土含量與抗壓回彈模量關(guān)系

由表2、圖2可知，當(dāng)?shù)[類土含量為30%時(shí)，抗壓回彈模量為6.8 MPa；當(dāng)?shù)[類土含量為40%時(shí)，抗壓回彈模量為17.2 MPa；當(dāng)?shù)[類土含量為50%時(shí)，抗壓回彈模量為78.7 MPa；隨著礫類土含量的上升，抗壓回彈模量也逐漸上升，其線性方程為y=36.3x-37.733，R2=0.855 8?？傻贸龅[類土摻量從30%到40%時(shí)抗壓回彈模量值的增長速度明顯低于40%到50%，可以看出在礫類土含量達(dá)到40%時(shí)，礫類土其骨架作用，在50%時(shí)抗壓回彈模量最大，其變化趨勢和CBR值一樣。

由上可知，在采用礫類土改良粉黏土?xí)r，礫類土的最佳摻量應(yīng)為50%，此時(shí)改良粉黏土CBR最大，抗壓回彈模量最大。

3 水泥改良措施

3.1 水泥改良機(jī)理

水泥與水混合后，經(jīng)過物理和化學(xué)反應(yīng)，水泥可由塑性泥漿變?yōu)閳?jiān)硬的巖石。水泥是一種水硬性膠凝材料，不僅可以在空氣中硬化，還可以在水中更好地硬化并保持較好的強(qiáng)度。在低液限粉黏土中，混入適量的水泥，然后通過灑水、攪拌、攤鋪、壓實(shí)和最終養(yǎng)護(hù)獲得的混合物稱為水泥改性土。這種水泥改性土可以很好地改善土壤的物理力學(xué)性能，并且比粉黏土具有更強(qiáng)的水穩(wěn)定性和抗凍性。

3.2 水泥改良土CBR試驗(yàn)

為了研究不同含量水泥改良土的承載能力，該文在室內(nèi)分別對(duì)水泥含量為2%、3%、4%、5%的改良粉黏土CBR值進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見表3及圖3。

表3 不同水泥含量改性黏土CBR值

圖3 不同水泥含量改良粉黏土CBR值關(guān)系圖

通過表3、圖3可知，當(dāng)水泥含量為2%時(shí)，試件1 CBR值為42.5，試件2 CBR值為41.7，試件3 CBR值為42.3，其均值為42.2；當(dāng)水泥含量為3%時(shí)，試件1 CBR值為51.4，試件2 CBR值為50.9，試件3 CBR值為51.7，其均值為51.3；當(dāng)水泥含量為4%時(shí)，試件1 CBR值為59.8，試件2 CBR值為60.3，試件3 CBR值為60.7，其均值為60.3；當(dāng)水泥含量為5%時(shí)，試件1 CBR值為71.7，試件2 CBR值為71.3，試件3 CBR值為72.2，其均值為71.7。

由以上數(shù)據(jù)可得出，隨著水泥含量的增加，CBR值呈線性增加關(guān)系，在水泥含量在5%時(shí)，水泥改良粉黏土承載能力最強(qiáng)，故在施工時(shí)水泥含量為5%時(shí)用量最佳。

3.3 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

為了研究不同含量水泥改良土的抗壓能力，該文在室內(nèi)對(duì)不同齡期的水泥含量分別為2%、3%、4%、5%的改良粉黏土進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)值測試，試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖4所示。

由表4及圖4數(shù)據(jù)可知，在相同水泥含量情況下，隨著齡期增加無側(cè)向抗壓強(qiáng)度隨之增加，呈現(xiàn)線性上升關(guān)系。不同齡期水泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增加2倍以上。當(dāng)水泥含量在4%～5%之間，7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度處于平緩狀態(tài)，其增長可忽略不計(jì)。當(dāng)水泥含量在2%～4%時(shí)，各齡期水泥摻加所改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均線性增加。由此可得，在進(jìn)行改良土施工時(shí)，可選用齡期較大的水泥且水泥含量控制在3%～4%最佳。

表4 水泥強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系表

圖4 水泥含量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖

4 結(jié)語

路基施工在道路建設(shè)中是重要環(huán)節(jié)，路基施工質(zhì)量影響道路使用性能。在我國不少地區(qū)影響路基施工的主要因素為低液限粉黏土，為了解決這類問題，該文依據(jù)實(shí)際工程，將沙礫摻入低液限粉黏土中轉(zhuǎn)化為沙礫改良土，對(duì)改良土形成機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)沙礫改良土進(jìn)行抗?jié)B性能和抗壓回彈模量試驗(yàn)研究，得出在沙礫含量為50%時(shí)，改良土抗?jié)B效果最佳，CBR最大，抗壓回彈模量最大；將水泥摻入低液限粉黏土中轉(zhuǎn)化為水泥改良土，對(duì)該改良土土壤承載力及抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行CBR試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，得出水泥含量在5%時(shí)，CBR值最大，土承載能力最佳；水泥含量在2%～4%時(shí)，隨著水泥齡期增加，其抗壓強(qiáng)度越好，可為公路路基施工提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。