高速公路改良粉黏土路基施工技術(shù)研究

葉 俊

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

0 引言

近年來，我國公路建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，由于我國地大物博，土質(zhì)資源極為豐富，在我國西北高原地區(qū)擁有豐富的粉黏土。粉黏土是一種液限較低、塑性指數(shù)偏小，CBR值很低且水穩(wěn)較差的土壤，因此作為路基填料壓實(shí)施工中較為困難。如果沒有對(duì)粉黏土進(jìn)行改良處理，會(huì)導(dǎo)致路基壓實(shí)度、承載能力和強(qiáng)度難以滿足施工要求。我國對(duì)粉黏土路基壓實(shí)施工研究很多，但粉黏土改良方案研究較少。故該文依托工程，在項(xiàng)目路段取樣，研究粉黏土土質(zhì)特征，并采用水泥和砂礫改良粉黏土檢測(cè)其CBR值和抗壓模量。研究不同水泥和砂礫摻量對(duì)粉黏土路基性能的影響，推動(dòng)我國粉黏土路基施工事業(yè)發(fā)展具有重要意義[1]。

1 工程實(shí)踐

1.1 工程概況

某高速公路位全長262 km，起點(diǎn)樁號(hào)K1210+000，終點(diǎn)樁號(hào)K1471+000，路基最大填高9.5 m，最小填高1.2 m。由于該地區(qū)水文地質(zhì)較差，含有大量的粉黏土，其液限較低、塑性指數(shù)偏小，CBR值及強(qiáng)度低于其他土質(zhì)，因此需要進(jìn)行改良處理，保證粉黏土路基滿足施工要求。

1.2 粉黏土特征

在項(xiàng)目路段K1300+000～K1300+900取樣300 g粉黏土，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并對(duì)土的細(xì)度模數(shù)和含水率進(jìn)行計(jì)算，確定當(dāng)?shù)胤垧ね镣临|(zhì)特征，土的細(xì)度模數(shù)和含水率依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJE40—2007）進(jìn)行試驗(yàn)操作。

1.2.1 土的細(xì)度模數(shù)

土的細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式如（1）所示：

式中，A4.75、A2.36、A1.25、A0.6、A0.3、A0.15—— 通過孔徑為4.75 mm、2.36 mm、1.25 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm累計(jì)篩余百分比。

1.2.2 含水率

土的含水率計(jì)算公式如（2）所示：

式中：w—含水率（%）；m—原粉黏土的質(zhì)量（g）；ms—曬干后粉黏土的質(zhì)量（g）。

對(duì)土的細(xì)度模數(shù)和含水率繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，粉黏土含水率為45.2%，細(xì)度模數(shù)為3.5，按照標(biāo)準(zhǔn)細(xì)度模數(shù)為Mx=3.7～3.1，試驗(yàn)路段粉黏土的細(xì)度模數(shù)為3.5，為粗粒土，含水率為45.2%，說明試驗(yàn)路段粉黏土含水率較高，顆粒含量較少，水穩(wěn)定較好，松散無黏性，級(jí)配較差，為不良級(jí)配材料。做路基填方材料時(shí)需要充分壓實(shí)，不然會(huì)導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻沉降[2]。

2 粉黏土改良方案

2.1 摻配水泥改良粉黏土

硅酸鹽水泥主要由SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3等礦物成分組成，其水化凝結(jié)過程中，水泥顆粒會(huì)相互嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，不僅水化過程可以吸收粉黏土路基中的自由水，還可以凝結(jié)成骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)粉黏土路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[3]。

為研究不同摻量硅酸鹽水泥改良粉黏土路基對(duì)其施工質(zhì)量的影響，該文采用某公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)所用水泥化學(xué)成分和基本性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1和表2所示，所用水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范（GB 175—2007）要求。

表1 所用水泥化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表（wt%）

表2 所用水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果表

該文在試驗(yàn)室內(nèi)采集項(xiàng)目工程粉黏土土樣，攤鋪成粉黏土路基并采用水泥摻量為2%、4%、6%、8%改良粉黏土路基，檢測(cè)試驗(yàn)路基的7 d、30 d抗壓回彈模量以及CBR值，檢測(cè)結(jié)果如表3所示，水泥摻量與粉黏土路基7 d、30 d抗壓回彈模量以及CBR值關(guān)系如圖1所示。

表3 粉黏土路基壓回彈模量和CBR值檢測(cè)結(jié)果表

圖1 水泥摻量與粉黏土路基7 d、30 d抗壓回彈模量以及CBR值關(guān)系圖

由圖1可知，粉黏土路基7 d、30 d抗壓回彈模量以及CBR值隨著水泥摻量的增加而逐漸遞增。水泥摻量從2%增加到8%時(shí)，粉黏土路基7 d抗壓回彈模量增加率分別為58.3%、15.8%、4.5%，粉黏土路基30 d抗壓回彈模量增加率分別為14.7%、10.3%、2.3%。路基7 d和30 d抗壓回彈模量增加率隨水泥摻量逐漸減小，水泥摻量從6%增加到8%時(shí)，粉黏土路基抗壓回彈模量增加率較小。這是因?yàn)樗鄤┝吭?%左右時(shí)，粉黏土路基強(qiáng)度已經(jīng)完全形成，再增加水泥劑量對(duì)路基強(qiáng)度增加不會(huì)有影響。

水泥摻量從2%增加到8%時(shí)，粉黏土路基CBR值從43.8%增加到79.2%，路基CBR值增加率高達(dá)80.8%。這是因?yàn)榉垧ね谅坊兴喙羌芙Y(jié)構(gòu)起到重要的連接支撐作用，可以有效增強(qiáng)水泥土的強(qiáng)度。對(duì)水泥劑量與粉黏土路基CBR值進(jìn)行線性分析：y=11.84x+31.65、R2=0.999 5，粉黏土路基CBR值隨水泥摻量增加而逐漸增加。因此結(jié)合7 d、30 d抗壓回彈模量以及CBR值，水泥改良粉黏土路基可以有效增強(qiáng)其承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并確定最佳水泥摻量為6%。

2.2 砂礫改良粉黏土

在粉黏土路基中摻加一定級(jí)配的砂礫來改善不良級(jí)配材料的粉黏土，該文采用某公司生產(chǎn)的砂礫作為集料，集料檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 集料檢測(cè)結(jié)果表

通過比例搭配粉黏土，來提高路基的密實(shí)度和摩擦力，采用最大密實(shí)度理論[4]，計(jì)算公式如（3）所示：

式中：Px——集料粒徑為d篩孔通過百分率（%）；D——集料的最大粒徑（mm）。

根據(jù)最大密實(shí)度理論，砂礫摻量分別為30%、40%、50%，因此該文在試驗(yàn)室內(nèi)采集項(xiàng)目工程粉黏土土樣，攤鋪成粉黏土路基并采用砂礫摻量為30%、40%、50%改良粉黏土路基，檢測(cè)試驗(yàn)路基抗壓回彈模量以及CBR值，檢測(cè)結(jié)果如表5所示，砂礫摻量與粉黏土路基抗壓回彈模量以及CBR值關(guān)系如圖2所示。

表5 粉黏土路基壓回彈模量和CBR值檢測(cè)結(jié)果表

由圖2可知，粉黏土路基抗壓回彈模量以及CBR值隨著砂礫摻量的增加而逐漸遞增。砂礫摻量從30%增加到50%時(shí)，粉黏土路基抗壓回彈模量增加率分別為252.3%、139.7%，對(duì)比水泥改良粉黏土路基試驗(yàn)路段最大抗壓模量僅為0.44 MPa，砂礫摻量粉黏土較水泥改良抗壓模量得到很大提升。對(duì)砂礫摻量與粉黏土路基抗壓回彈模量進(jìn)行線性分析：y=5.715x-4.79、R2=0.966 4，粉黏土路基抗壓回彈模量隨砂礫摻量增加呈線性遞增的趨勢(shì)。

圖2 砂礫摻量與粉黏土路基壓回彈模量和CBR值關(guān)系圖

砂礫摻量從30%增加到50%時(shí)，粉黏土路基CBR值增加率分別為95.2%、10.35%，對(duì)比水泥改良粉黏土路基試驗(yàn)路段最大CBR值為79.2%，砂礫摻量粉黏土路基承載能力得到大幅度提升。對(duì)砂礫摻量與粉黏土路基CBR值進(jìn)行線性分析：y=36.85x-16.467、R2=0.958 7，粉黏土路基CBR值隨砂礫摻量增加呈線性遞增的趨勢(shì)。這是因?yàn)樯暗[摻量越大，砂礫圖骨架受力作用得到增強(qiáng)，大大增強(qiáng)了路基承載能力與性能，因此試驗(yàn)路段砂礫改良的粉黏土路基摻量控制在50%，保證路基使用性能滿足施工要求。

3 施工工藝

3.1 基底處理

粉黏土路基施工前需要對(duì)基層進(jìn)行打掃和密實(shí)處理，保證基底工作面干凈密實(shí)。首先采用膠輪碾壓機(jī)對(duì)基底進(jìn)行碾壓工作，壓實(shí)過程中若基底過于潮濕應(yīng)在基底布設(shè)一層防水土工布?；浊謇砗兔軐?shí)處理完成后，使用白畫線在基底畫2 m×2 m方格區(qū)域，方便后續(xù)填筑施工。

3.2 填土拌和

試驗(yàn)路段路基填土應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定的最佳水泥摻量為6%和最佳砂礫摻量為50%，對(duì)粉黏土進(jìn)行改良處理。使用拌和機(jī)對(duì)粉黏土和水泥、砂礫進(jìn)行充分拌和，拌和過程中需要注意拌和機(jī)的拌和速度，不宜過快，應(yīng)保證粉黏土和水泥、砂礫拌和均勻。

3.3 路基填筑與壓實(shí)

粉黏土路基填筑施工過程中，改良粉黏土應(yīng)按照要求，由裝卸車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，改良土的填筑工作依據(jù)預(yù)先在基底畫的方格網(wǎng)進(jìn)行。每20個(gè)方格網(wǎng)一輛裝卸車，每一個(gè)方格網(wǎng)都使用相同填土量，改良土松鋪高度30 cm后對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行粗略整平，對(duì)于路基邊角處以及路基內(nèi)缺口處進(jìn)行人工處理。最后使用平整機(jī)進(jìn)行精確整平。

改良粉黏土路基填筑與整平工作后，用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路基土進(jìn)行壓實(shí)處理，壓實(shí)速度不得低于1 km/h且不得高于3 km/h，壓實(shí)遍數(shù)不得低于6遍且不得高于12遍，壓實(shí)施工時(shí)應(yīng)按先靜壓再強(qiáng)壓最后靜壓的方式進(jìn)行碾壓施工，保證壓實(shí)度達(dá)到要求[5]。

4 結(jié)語

該文通過研究不同摻量水泥和砂礫摻量對(duì)粉黏土路基進(jìn)行改良施工，并檢測(cè)其CBR值和抗壓模量得到以下結(jié)論：

（1）粉黏土路基7 d、30 d抗壓回彈模量以及CBR值隨著水泥摻量的增加而逐漸遞增，其抗壓回彈模量增加率逐漸減小。

（2）粉黏土路基抗壓回彈模量以及CBR值隨著砂礫摻量的增加而逐漸遞增，砂礫改良粉黏土效果優(yōu)于水泥改良。

（3）確定最佳水泥摻量為6%，最佳砂礫摻量為50%。