路基換填技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用

苗國軍

（甘肅恒和交通工程科技開發(fā)有限公司， 甘肅 蘭州 730070）

公路項目的路基決定著整個工程的質(zhì)量。 甘肅地區(qū)存在濕陷性黃土地質(zhì)， 此類土質(zhì)通常被認為是不良路基填料， 難以在工程中直接使用[1]。 考慮到工程造價問題， 將現(xiàn)有黃土改良， 對路基進行換填具有實際可行性[2]。 本文研究濕陷性黃土的路基換填技術(shù)， 通過界限含水率試驗、 無側(cè)限抗壓強度試驗和抗剪強度試驗， 對利用石灰和水泥進行改良的實際可行性進行論證和分析。 最后， 在實際工程項目中進行驗證， 也為類似工程提供參考。

1 改良黃土路基填料研究

甘肅地區(qū)的黃土具有濕陷性， 濕陷性黃土通常被認為是不良路基填料。 但是， 考慮到填料成本問題， 項目使用基于黃土的改性填料（或稱為改良黃土填料） 進行換填。 為了對基于黃土的改性填料的性能進行研究， 以濕陷性黃土作為樣本， 通過不同配比的石灰和水泥為改良劑， 對濕陷性黃土進行改良， 改良用的石灰為Ⅱ級鈣質(zhì)生石灰， 改良用的水泥標號為P·O42.5。

1.1 界限含水率試驗

將黃土樣本碾碎烘干， 用0.5 mm 孔徑的濾網(wǎng)篩選。 分別用器皿將黃土樣本和石灰進行充分混合， 調(diào)成膏狀， 放入保濕設(shè)備中， 24 h 后進行試驗[3]；而對于水泥改良后的黃土樣本， 則應(yīng)在膏狀樣本保濕24 h 后， 并且在試驗前0.5 h 添加預(yù)先設(shè)定配比的水泥， 充分攪拌， 混合均勻。 其中， 石灰改良后的黃土樣本中的石灰配比為3%、 5%、 8%、 10%和12%； 水泥改良后的黃土樣本中的水泥配比為2%、4%、 6%、 8%和10%。 界限含水率曲線分別見圖1和圖2。

圖1 石灰改良后的黃土樣本的界限含水率曲線

圖2 水泥改良后的黃土樣本的界限含水率曲線

石灰和水泥摻入黃土后， 其顆粒會與黃土顆粒產(chǎn)生離子作用， 改變黃土內(nèi)部黏結(jié)顆粒的大小， 構(gòu)造出更為穩(wěn)固的顆粒結(jié)構(gòu)[4-5]。 對于石灰改良后的黃土樣本而言， 液限、 塑限和塑性指數(shù)均得到了較大的提升。 石灰配比在3%～8%時， 提升效果較為緩慢； 石灰配比在10%～12%時， 提升效果較為顯著。對于水泥改良后的黃土樣本而言， 塑限、 液限和塑性指數(shù)也均得到了穩(wěn)定提升， 且其改善效果要優(yōu)于石灰改良后的黃土樣本的改善效果。 整體而言， 經(jīng)過石灰改良或者水泥改良后的黃土， 其濕陷性得到了改善， 提高了作為路基填料的可能性。

1.2 無側(cè)限抗壓強度

石灰或者水泥與黃土的配比， 是影響無側(cè)限抗壓強度的關(guān)鍵因素。 濕陷性黃土中大量存在膠著狀態(tài)的氧化鋁和氧化硅， 加入石灰或者水泥后， 會產(chǎn)生灰結(jié)效應(yīng)， 形成鋁酸鈣、 硅酸鈣和碳酸鈣等強度較高的物質(zhì)， 可以加強黃土顆粒的強度[6]。 進行抗壓強度試驗的黃土樣本， 用2 mm 孔徑的濾網(wǎng)進行篩選即可。 仍然選擇石灰配比為3%、 5%、 8%、10%和12%， 水泥配比為2%、 4%、 6%、 8%和10%，進行對比研究。 試驗樣本需要制作成直徑為5 cm、高度為5 cm 的圓柱體， 用靜力壓實法將樣本壓實。樣本的壓實度應(yīng)超過96%， 然后養(yǎng)護7 d， 進行無側(cè)限抗壓強度試驗， 得到不同配比的石灰改良后的黃土樣本或水泥改良后的黃土樣本的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線， 分別見圖3 和圖4。

圖3 石灰改良后的黃土樣本的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線

圖4 水泥改良后的黃土樣本的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線

由圖3 可以看出， 石灰改良后的黃土表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化特性， 改良后的黃土的強度隨著石灰配比的增大而逐步增大； 在達到峰值時， 強度不再變化， 此時表現(xiàn)出一定的脆性， 其試樣的抗壓破壞形態(tài)是典型的啞鈴型破壞， 這種脆性隨著石灰配比的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。 因此， 對于改良黃土填料而言， 并非石灰配比越高越好， 在實際施工中， 推薦采用配比為8%的石灰改良黃土填料。

由圖4 可知， 水泥改良后的黃土的強度在達到峰值后， 會有一個略微下降的階段， 然后才逐漸保持穩(wěn)定， 即存在著應(yīng)變軟化現(xiàn)象。 在試驗側(cè)壓破壞后的斷面， 可以看到明顯的剪切帶。 同樣地， 隨著水泥配比的增大， 改良黃土填料的脆性也呈顯著增大的趨勢， 綜合成本因素考慮， 工程項目實際施工中適宜采用水泥配比為6%左右的改良黃土填料。

圖5 為石灰、 水泥改良后的黃土樣本的無側(cè)限抗壓強度與配比的關(guān)系。

圖5 石灰、 水泥改良后的黃土樣本的無側(cè)限抗壓強度與配比的關(guān)系曲線

隨著石灰配比或水泥配比的逐步提高， 石灰、水泥改良后的黃土樣本的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。 石灰改良后的黃土樣本的無側(cè)限抗壓強度明顯低于水泥改良后的黃土樣本的無側(cè)限抗壓強度。 石灰配比為3%時， 改良后的黃土的無側(cè)限抗壓強度為0.739 MPa， 大于0.5 MPa， 可以作為高速公路的路基填料使用。 石灰配比達到8%后， 改良后的黃土的強度提升變緩， 而且將變得不經(jīng)濟。因此石灰配比選為5%或8%比較合適。

相比較而言， 水泥改良后的黃土的無側(cè)限抗壓強度提高非常顯著， 且與水泥配比呈近似線性關(guān)系。 水泥配比大于2%時， 水泥改良后的黃土的無側(cè)限抗壓強度均遠大于0.5 MPa， 均可作為高速公路的路基填料使用。

2.3 抗剪強度

同樣按照上述試樣制備方法， 對改良后的黃土填料的抗剪強度進行試驗， 抗剪強度以剪切應(yīng)力表征。 剪切試驗前， 采用擊實儀設(shè)備， 將樣本制作成直徑為6.2 cm、 高度為2 cm 的切削樣本， 養(yǎng)護7 d。剪切試驗裝置的豎直剪切應(yīng)力設(shè)為200 kPa， 得到3%、 8%和12%石灰改良黃土填料的剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系， 見圖6。

圖6 石灰改良后的黃土樣本的剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線

石灰改良后的黃土填料， 其抗剪強度存在一個明顯的峰值， 配比越高， 抗剪強度峰值越大。 在各自抗剪強度達到峰值前， 改良黃土的抗剪強度特性曲線近似為一條直線， 剪切應(yīng)力與剪切位移近似線性關(guān)系， 此階段的改良黃土填料在剪切應(yīng)力的作用下， 剪切變形是塑性變形， 試樣不會被破壞； 達到強度峰值后， 抗剪強度經(jīng)過一個下降的過程， 然后才逐漸趨于穩(wěn)定， 此時改良后的黃土填料具有一定的脆性[7]， 在此階段， 繼續(xù)增大剪切應(yīng)力， 試樣就會被剪斷破壞。 同樣地， 隨著配比的增大， 前期的塑性強度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢， 而脆性也隨著配比的提高而逐漸增大， 因此， 選擇石灰配比8%左右的改良黃土填料， 綜合性能最優(yōu)。

2 黃土路基現(xiàn)場換填試驗

經(jīng)過對改良黃土填料的各項測試數(shù)據(jù)進行對比，選定石灰配比5%和8%的改良黃土填料以及水泥配比4%和8%的改良黃土填料， 用于現(xiàn)場換填試驗。

在試驗過程中， 先對路基的下層進行夯實處理。 處理完畢后， 按照測量和放樣規(guī)劃， 將施工面劃分為網(wǎng)格單元。 在獨立的施工段， 將改良黃土填料逐層攤鋪， 嚴格控制填料的含水率[8]。 施工機械在逐層攤鋪、 整平后， 配合振動壓實機械進行壓實， 及時跟進含水率、 壓實度的檢測。

2.1 石灰改良黃土填料用于路基換填

現(xiàn)場用于路基換填的5%石灰改良黃土填料，測得平均干密度為1.894 g/cm3， 最佳含水率為9.7%；8%石灰改良黃土填料， 測得平均干密度為1.926g/cm3，最佳含水率為11.5%。 在施工過程中， 每層攤鋪厚度為30 cm， 經(jīng)過3 次碾壓后， 用灌砂法檢測路基的壓實度， 得到石灰改良后的改良黃土填料的壓實度數(shù)據(jù)，見圖7。

圖7 石灰改良后的改良黃土填料的壓實度

經(jīng)過3 次碾壓后， 路基的壓實度均超過94%，所換填的改良黃土路基符合規(guī)范要求； 經(jīng)過5 次碾壓后， 路基的壓實度已經(jīng)超過96%； 經(jīng)過6 次碾壓后， 路基的壓實度超過97%， 工程質(zhì)量良好。 在工程質(zhì)量方面， 8%石灰改良黃土填料優(yōu)于5%石灰改良黃土填料。

2.2 水泥改良黃土填料用于路基換填

現(xiàn)場用于路基換填的4%水泥改良黃土填料，測得平均干密度為1.876 g/cm3， 最佳含水率為10.6%；8%水泥改良黃土填料， 測得平均干密度為1.945g/cm3，最佳含水率為12.3%。 在施工過程中， 每層攤鋪厚度為30 cm， 經(jīng)過3 次碾壓后， 用灌砂法檢測路基的壓實度， 得到水泥改良后的石灰改良后的改良黃土填料的壓實度數(shù)據(jù)， 見圖8。

圖8 水泥改良后的石灰改良后的改良黃土填料的壓實度

經(jīng)過3 次碾壓后， 路基的壓實度均達到94%以上， 所換填的水泥改良黃土路基符合規(guī)范要求； 經(jīng)過4 次碾壓后， 路基的壓實度已經(jīng)達到96%； 經(jīng)過6 次碾壓后， 4%水泥改良黃土填料路基的壓實度超過97%， 6%水泥改良黃土填料路基的壓實度超過98%， 施工效果良好。 與石灰改良后的黃土填料相比， 經(jīng)水泥改良后的黃土填料的性能更優(yōu)。

3 工程應(yīng)用實例

甘肅省西和至宕昌高速公路項目， 路線起于隴南市西和縣石峽鎮(zhèn)， 以樞紐立交與G7011 十天高速公路（湖北十堰至甘肅天水） 相接， 經(jīng)隴南市西和縣大橋鎮(zhèn)、 蒿林鄉(xiāng)， 隴南市禮縣雷壩鎮(zhèn)、 灘坪鎮(zhèn)、白河鎮(zhèn)、 隴南市宕昌縣韓院鄉(xiāng)、 南陽鎮(zhèn)， 止于隴南市宕昌縣臨江鋪鎮(zhèn)， 以樞紐立交與G75 蘭海高速公路（甘肅蘭州至海南?？冢?相接， 線路全長100.494 km。設(shè)特大橋和大橋共64 座， 中橋共14 座， 涵洞55道；隧道16 座； 互通式立交7 處； 橋隧比為78%； 路基寬度25.5 m 的雙向四車道高速公路標準， 項目概算總投資189.799 億元， 建設(shè)工期4 年。 該高速公路經(jīng)過部分濕陷性黃土地段， 路基需要進行換填處理。 其中， 西和縣區(qū)域內(nèi)路段的濕陷性黃土用配比為8%的石灰改良黃土進行換填； 宕昌縣區(qū)域內(nèi)由于黃土的濕陷性更嚴重， 采用配比為8%的水泥改良黃土進行換填。 經(jīng)過建設(shè)單位、 設(shè)計單位和監(jiān)理單位共同認可， 路基工程順利通過驗收， 質(zhì)量達標。

4 結(jié)論

結(jié)合甘肅省西和至宕昌高速公路項目， 對路基換填技術(shù)進行研究， 得到如下結(jié)論。 一是對濕陷性黃土， 利用石灰和水泥進行改良， 效果良好， 改良后的黃土填料可以作為公路的路基填料。 二是改良后的黃土填料， 其抗壓強度和抗剪強度均隨著石灰或者水泥配比的提高而逐漸增大。 但是， 其抗壓強度和抗剪強度， 在經(jīng)過塑性增長階段后， 都存在脆性。 選擇適中的配比， 更能發(fā)揮出改良黃土填料的綜合性能。 三是在現(xiàn)場路基換填試驗中， 改良黃土填料經(jīng)過3 次碾壓后， 路基的壓實度均超過94%；經(jīng)過5 次碾壓后， 路基的壓實度均超過96%。 與石灰改良后的填料相比， 經(jīng)水泥改良后的黃土填料，其綜合性能更優(yōu)。 四是實際工程應(yīng)用了配比為8%的石灰改良黃土填料和配比為8%的水泥改良黃土填料對不同路段進行路基換填， 路基質(zhì)量達標， 工程驗收合格。