高速鐵路水泥改良鉆渣路用性能研究

王偉志 嚴赪強 徐永福 王 浩

(1.上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，上海 200003；2.上海交通大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200240；3.皖江工學(xué)院，安徽馬鞍山 243000)

引言

目前，能直接用于高速鐵路路基填筑的天然填料較少，且天然填料的路用性能很難滿足工程要求，需要對其進行改良加固[1-2]。

在滬蘇湖高速鐵路橋梁樁基的鉆孔灌注樁施工過程中，產(chǎn)生大量的鉆渣，需要運送到指定的納場所集中處理，處理費用高昂。根據(jù)《上海市建筑垃圾處理管理規(guī)定》(滬府令57號)規(guī)定，固體廢渣的處理原則是：減量化、資源化、無害化和“誰產(chǎn)生、誰承擔(dān)處理責(zé)任”。因此，鉆渣最理想的處理方法就是改良利用[3]。

鉆渣改良利用就是將鉆渣與固化劑充分拌合，經(jīng)壓實、養(yǎng)護形成堅固穩(wěn)定的路基，常采用的固化劑主要有石灰、水泥等[4-5]。水泥改良土用作高速鐵路路基填料的可行性已得到廣泛驗證，傅代正采用水泥、石灰改良下蜀黏土用作京滬高速鐵路徐滬段路基的填料[6]；王素靈采用水泥改良濕陷性黃土，成功應(yīng)用于鄭西高速鐵路路基填筑，形成了水泥改良土的施工方法、工藝流程和質(zhì)量檢測的成套技術(shù)[7]。

對材料進行改良時，水泥摻量是極其重要的指標。張保衛(wèi)采用水泥改良粉細砂，分析了改良土耐久性的影響因素，提出水泥的最佳摻量為5%[8]；史衛(wèi)國等通過在黏性土中摻入3%～7%水泥，改善黏土的顆粒級配、塑液限和壓縮性，提高強度和水穩(wěn)性[9]；朱江江等依托浩吉重載鐵路工程，采用水泥改良全風(fēng)化軟質(zhì)巖填料，并分析路基填筑施工關(guān)鍵控制參數(shù)和碾壓工藝[10]；顏勝才針對高鐵路基填料的水泥改良問題，通過室內(nèi)試驗研究了水泥改良土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)水泥改良土具有良好的擊實特性和水穩(wěn)性，并且要求水泥摻量不宜低于3%[11]。

水泥改良土從攪拌、運輸、攤鋪整平到碾壓成型需3～4 h，還應(yīng)考慮延遲擊實影響，并由此衍生出了對水泥改良土施工工藝的諸多成果。閆登峰和王蘭根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果指出，延遲擊實對水泥改良細砂的最大干密度和7 d飽和無側(cè)限抗壓強度有一定影響，但只要選擇的碾壓工藝合適、壓實含水率控制得當(dāng)，延遲擊實不影響水泥土路基整體性狀[12]；顏勝才等介紹了水泥改良土的作用機理，通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，分析了水泥改良土擊實性、水穩(wěn)性、強度特性、剛度特性等物理力學(xué)特性[13-14]；柳墩利等分析了鄭西鐵路高速鐵路水泥改良土路基壓實系數(shù)達不到設(shè)計要求的原因，建議檢測時應(yīng)考慮碾壓延遲影響，采用擊實延遲時間相同的最大干密度控制壓實系數(shù)[15]。

相關(guān)學(xué)者對水泥改良土進行了大量的研究，但對改良土用于路基填筑的具體實際方案研究還相對較少。以下依托滬蘇湖高速鐵路上海段水泥改良土路基工程，提出采用水泥改良鉆渣用于路基填筑的施工方案，為高速鐵路路基的鉆渣改良利用提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

滬蘇湖鐵路上海段線路長約66.85 km，沿線產(chǎn)生的渣土和泥漿干化后土方總計154.3萬m3，具體路段產(chǎn)量見表1。

表1 各區(qū)渣土和干化泥漿數(shù)量 萬m3

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，渣土和泥漿必須運至指定的消納場所進行處理，泥漿在進入消納場所前還需要進行預(yù)處理。上海市重大工程渣土消納場主要有：浦東機場2號圍區(qū)：(總庫容約400萬m3，接收泥漿)、南匯東灘N1庫區(qū)(容量3 900萬m3配套設(shè)施完善，渣土和泥漿處置和消納的費用約為1.3億元)。因此，從高速鐵路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展角度看，對渣土和泥漿的改良利用具有顯著的經(jīng)濟效益和重要的社會意義。

滬蘇湖鐵路上海段施工Ⅵ標段路基填方設(shè)計276.88萬m3，其中承臺土改良利用62.81萬m3，尚缺方200多萬m3，需要外運遠購。為了節(jié)省工程造價，解決路基填料難題，就近將施工Ⅶ標的鉆孔灌注樁產(chǎn)生的鉆渣泥漿干化后改良利用，選擇石湖蕩站貨場改路DK67+700～DK67+865，開展水泥改良土路基填筑施工工藝試驗，路基橫斷面設(shè)計橫斷面見圖1。試驗段土層巖性主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉土粉砂層，具體土層如下。①(1)素填土(Q4m)：稍濕，松散；②(2)黏土(Q4m+al)：軟塑，σ0=120 kPa；③(3)1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m)：流塑，σ0=50 kPa；④(3)3粉質(zhì)黏土(Q4m)：軟塑，σ0=100 kPa。

圖1 路基橫斷面(單位：m)

2 改良土的路用性能

2.1 鉆渣的基本性質(zhì)

鉆渣取自施工Ⅶ標鉆孔灌注樁施工現(xiàn)場，鉆渣試樣呈淡黃色，機質(zhì)含量為0.5%。鉆渣顆粒分布曲線見圖3，粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為28%，屬于細粒土，鉆渣在塑限圖上的位置見圖4。由圖4可知，鉆渣塑性指數(shù)一般為10～17，可以定名為低液限粉質(zhì)黏土。

圖2 施工現(xiàn)場鉆渣試樣

圖3 鉆渣顆分曲線

圖4 鉆渣在塑性圖上所處位置

2.2 擊實特性

鉆渣摻5%水泥和6%石灰改良后，改良土的擊實曲線見圖5。鉆渣及改良土的最大干密度(ρd)和最優(yōu)含水率(wop)見表2。由表2可知，經(jīng)過水泥和石灰改良后，鉆渣具有較好的壓實性能。水泥改良土和石灰改良土的擊實曲線斜率較小且曲線平緩，表明石灰和水泥改良土的干密度隨含水率的變化幅度比鉆渣的變化幅度小，即石灰和水泥改良土的干密度隨含水率變化遲緩，有利于路基填筑施工過程中石灰和水泥改良土含水率的控制。

圖5 重型擊實曲線

表2 鉆渣及其改良土的最大干密度和最有含水率

2.3 無側(cè)限抗壓強度

改良土的無側(cè)限抗壓試驗見圖6，試樣直徑為10 cm、高10 cm，高徑比為1∶1，采用P·O42.5水泥。7 d飽和無側(cè)限抗壓強度見表3。經(jīng)過石灰水泥改良后，鉆渣的7 d齡期的飽和無側(cè)限抗壓強度均滿足高速鐵路路基填料的強度要求，故石灰水泥改良鉆渣可以用作高速鐵路路基填料。

表3 鉆渣改良土的7 d飽和無側(cè)限抗壓強度

圖6 無側(cè)限壓縮試驗

7 d齡期的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的關(guān)系見圖7(a)，隨著水泥摻量增加，無側(cè)限抗壓強度增加。水泥摻量小于5%時，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加而增大；水泥摻量大于5%，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加而增大，但幅度有所減小。7 d齡期的無側(cè)限抗壓強度隨石灰摻量的關(guān)系見圖7(b)，隨著石灰摻量增加，無側(cè)限抗壓強度增加，4%～6%摻量改良效果較為明顯，6%～8%摻量改良的效果減緩。

圖7 無側(cè)限抗壓強度隨摻量的關(guān)系曲線

2.4 延遲擊實影響

延遲擊實時間是指水泥摻入與鉆渣拌合完成后到擊實試驗完成后這段時間。延遲擊實對水泥改良土無側(cè)限抗壓強度的影響見圖8。由圖8(a)可知，隨著延遲擊實時間增加，水泥改良土無側(cè)限抗壓強度減小，延遲擊實10 h后，水泥改良土無側(cè)限抗壓強度僅剩余40%左右。水穩(wěn)系數(shù)定義為

(1)

如圖8(b)所示，隨著延遲擊實時間增加，水泥的水穩(wěn)系數(shù)減小，故從水泥改良土的水穩(wěn)性角度出發(fā)，水泥改良土路基要及時壓實養(yǎng)護，延遲碾壓時間不宜過長。

圖8 延遲擊實對無側(cè)限抗壓強度的影響

2.5 小結(jié)

以上重點探究了使用石灰及水泥對鉆渣這種低液限粉質(zhì)黏土進行改良的效果，值得注意的是，對于初始為泥漿狀的鉆渣可以先摻加2%石灰，降低水分，方便成型，后續(xù)可以摻加4%的水泥提高強度，兩種材料的綜合使用一方面滿足了強度要求，另一方面可將經(jīng)濟效益最大化。

3 施工工藝

3.1 施工參數(shù)

施工過程中，具體施工參數(shù)見表4。

表4 改良土施工過程中的參數(shù)要求

3.2 施工工藝

水泥改良鉆渣用于高速鐵路路基填筑時采用路拌法施工，鉆渣在原地擠壓排水后，運輸?shù)绞┕龅財備?、翻曬至含水率為wop±2%(wop為最優(yōu)含水率)，再采用機械攤鋪、整平，按照施工配合比撒布水泥，經(jīng)過路拌機拌和、壓路機碾壓后形成一定強度的固結(jié)體。水泥改良土路基填筑施工的工藝流程見圖9。

圖9 改良土路基填筑施工工藝流程

(1)施工準備

原材料準備：泥漿狀的鉆渣摻加2%石灰，經(jīng)壓縮機壓縮擠水30 min，壓成鉆渣泥餅，含水率控制在30%左右，施工過程見圖10。

圖10 鉆渣壓縮排水

施工準備：熟悉施工圖紙，了解設(shè)計標準及要求；對鉆渣和摻料取樣檢測，滿足要求方可使用；根據(jù)鉆渣的物性指標，初步確定改良土的水泥配合比，采用重型擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，確定水泥改良土路基的填筑參數(shù)，驗證7 d飽和無側(cè)限抗壓強度是否滿足填料要求。

(2)測量放線

按設(shè)計圖紙放線，在路基兩側(cè)各加寬30 cm，對放好樣的中樁、邊樁做好保護。

(3)基底平整

基底表面基本平整，密實，無積水凹陷。根據(jù)路基填筑寬度在路基兩側(cè)開挖排水溝，排水溝與既有排水溝和河流連接。

(3)運輸

鉆渣填料由自卸車運輸，車輛應(yīng)加篷布覆蓋。

(4)卸料

鉆渣卸在備料區(qū)及時翻曬，四周挖排水溝。

(5)晾曬

鉆渣備料區(qū)晾曬，每天用路拌機粉碎兩遍，鏵犁翻曬2～4遍，至鉆渣含水率達到wop±2%，運至填筑路段上料，見圖11(a)。

圖11 水泥改良土路基填筑施工

(6)撒布方格網(wǎng)線

按照試驗段確定松鋪系數(shù)和自卸車運輸數(shù)量，計算方格網(wǎng)尺寸，用滑石粉畫出方格網(wǎng)，同時標注車輛行走路徑和卸料順序。

(7)上料

自卸車按照規(guī)劃線路運輸至指定方格網(wǎng)內(nèi)，均勻卸料。

(8)攤鋪、初平

攤鋪和初平按照“橫向全寬、縱向水平”方式施工，虛鋪厚度按松鋪系數(shù)設(shè)置。

每層填料卸料完成后，采用推土機攤鋪初平，再由路拌機拌粉碎1次，最后采用人工填補和刮平。

(9)布灰

采用袋裝水泥，水泥布灰面積的計算公式為：單袋水泥質(zhì)量÷[(混合料最大干密度×理論壓實系數(shù)/(1+水泥摻量)]/壓實厚度。根據(jù)單袋水泥布灰面積畫出布灰方格網(wǎng)尺寸，裝載機將袋裝水泥云至布灰方格網(wǎng)內(nèi)，人工破袋均勻布灰，見圖11(b)。

(10)拌和、補灰

采用路拌機從兩側(cè)向路基中線方向拌和3遍，拌和重疊寬度控制在50 cm以上，拌和時設(shè)專人跟隨拌和機檢查拌和深度。拌合后填料色澤均勻，沒有灰條、灰團和花面，嚴禁底部留有“素土”夾層，見圖11(c)。

(11)精平整型

先用推土機穩(wěn)壓1遍，再用平地機初平和整型。

(12)碾壓成型

采用22t壓路機由兩側(cè)路肩向中心碾壓，后輪應(yīng)重疊1/2輪寬，必須超過兩段的接縫處，路基兩側(cè)應(yīng)多壓1～2遍。終凝前碾壓到設(shè)計壓實度，且沒有明顯輪跡，見圖11(d)。

3.3 質(zhì)量檢測

水泥改良土路基填筑質(zhì)量的控制指標主要有：壓實系數(shù)、7 d飽和無側(cè)限抗壓強度、灰劑量和顆粒粒徑，具體說明如下。

(1)壓實系數(shù)：采用灌砂法檢測，按每100 m每層檢測6個點。實測值均大于0.92，滿足設(shè)計要求(0.90)。

(2)7 d飽和無側(cè)限抗壓強度：現(xiàn)場取樣，室內(nèi)進行無側(cè)限壓縮試驗，按100 m每層檢測3個點。實測值均大于460 kPa，滿足規(guī)范規(guī)定的填料強度要求的無側(cè)限抗壓強度大于200 kPa。

(3)灰劑量：按100 m每層3個點，根據(jù)EDTA滴定法，實測值均大于6.5%。

(4)顆粒粒徑：現(xiàn)場目測和室內(nèi)篩分法，大于40 mm的顆粒不到6%，大于20 mm的顆粒不足26%，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

鉆渣改良利用是變廢為寶的集約環(huán)保措施，經(jīng)過水泥改良后，鉆渣滿足高速鐵路路基填料要求，根據(jù)滬蘇湖高速鐵路上海段水泥改良鉆渣路基填筑施工實踐，得到以下主要結(jié)論。

(1)鉆渣利用的難點在于收集和擠壓排水。如果有足夠場地建設(shè)沉淀池，沉淀后的鉆渣可以直接運送至填筑場地風(fēng)干、晾曬，同時解決了收集和擠壓排水的難題；若場地不足，可采用機械擠壓排水，再壓成鉆渣泥餅。

(2)水泥改良鉆渣的水穩(wěn)定性好、強度大、路基整體性強，可滿足高速鐵路對路基填料的要求。蘇湖高速鐵路上海段鉆渣摻加4%水泥改良后，7 d飽和無側(cè)限抗壓強度均大于460 kPa，滿足規(guī)范規(guī)定的填料強度要求。

(3)水泥改良鉆渣路基施工工藝簡單、機械化程度高、質(zhì)量易于控制、施工過程污染小，具有廣泛的適應(yīng)性。