改良低液限黏土在高速公路路基施工中的應(yīng)用

盧瑞峰

（張家口路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北張家口075000）

1 引言

在高速公路路基工程施工過程中，容易遇到低液限黏土。據(jù)研究表明，低液限黏土通常塑性指數(shù)小、強(qiáng)度低、遇水后穩(wěn)定性變差，作為路基填料壓實(shí)困難，不能直接用于填筑路堤。采用石灰、水泥等水硬性材料對低液限黏土進(jìn)行改良，可以改善其水穩(wěn)定性，提高路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性[1]。 本文基于改良低液限黏土在高速公路路基施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2 工程概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目全線長113.565 km，設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h，雙向6 車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為27 m，全線橋隧比為42.3%。 通過現(xiàn)場地質(zhì)勘探，該高速公路第三合同段施工沿線多處分布有低液限黏土， 其穩(wěn)定性較差且強(qiáng)度低。 為提高公路路基施工質(zhì)量，擬計(jì)劃采用石灰改良低液限黏土。

3 石灰改良低液限黏土機(jī)理

據(jù)研究表明，低液限黏土粒度成分主要為黏粒，在摻加完石灰后，低液限黏土內(nèi)部的鈣離子會(huì)不斷增加，導(dǎo)致土粒之間的摩擦力不斷增大， 此時(shí)土體的路用性能得到極大的改良，同時(shí)土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高[2]。 低液限黏土摻加石灰并在最佳含水率的條件下拌和均勻， 此時(shí)低液限黏土?xí)c石灰產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，提高土體強(qiáng)度，具體機(jī)理如下。

3.1 離子交換作用

低液限黏土土體顆粒表面上的H+、Na+、K+等陽離子會(huì)與石灰產(chǎn)生電解反應(yīng)而產(chǎn)生的Ca2+發(fā)生離子交換作用， 使土顆粒之間的水膜厚度變薄，此時(shí)顆粒之間的距離減小并相聚集，最終形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3.2 碳酸化作用

低液限黏土與石灰產(chǎn)生碳酸化作用主要是石灰內(nèi)的Ca（OH）2與外界CO2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生CaCO3，由于CaCO3晶體強(qiáng)度較大，進(jìn)而提升土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.3 結(jié)晶作用

土體摻加完石灰后， 石灰會(huì)與水反應(yīng)生產(chǎn)晶體網(wǎng)格，與土顆粒結(jié)合后形成共晶體，使土顆粒結(jié)團(tuán)，提高土體的水穩(wěn)定性。

3.4 火山灰作用

低液限黏土內(nèi)的活性礦物質(zhì)（如Al2O3、SiO2等）與石灰內(nèi)部的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成硅酸鈣水合物、鋁酸鈣等，由于該膠凝材料的水穩(wěn)定性較好， 可有效改善土顆粒的水穩(wěn)定性，并提高其黏結(jié)能力。

4 石灰改良低液限黏土路基填料試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)概述

在施工現(xiàn)場選取具典型性的低液限黏土土樣， 分別在不同摻量石灰的改良下進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以確定最佳摻量。 石灰的摻量分別設(shè)定為0%、4%、6%、8%， 摻入后的黏土試樣分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、CBR 試驗(yàn)等[3]。

4.2 擊實(shí)試驗(yàn)

分別摻加0%、4%、6%、8%的石灰， 制備出對應(yīng)的試樣后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同石灰摻配比例擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表1 中數(shù)據(jù)可得，石灰摻量從0%到4%時(shí)，最大干密度下降了0.102 g/cm3，且幅度較大；而摻量從4%到6%時(shí)，最大干密度下降了0.022 g/cm3，幅度同樣較大；摻量從6%到8%時(shí)，最大干密度僅下降了0.005 g/cm3，對應(yīng)的幅度較低，因此，針對最大干密度而言，石灰的最佳摻量為6%。

4.3 承載比（CBR）試驗(yàn)

分別摻加0%、4%、6%、8%的石灰， 制備出對應(yīng)的試樣后進(jìn)行CBR 試驗(yàn)，壓實(shí)度設(shè)定為96%，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同石灰摻配比例CBR試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表2 中數(shù)據(jù)可得， 低液限黏土內(nèi)摻加完石灰后會(huì)逐漸發(fā)生離子交換作用和碳酸化作用， 產(chǎn)生熱量的同時(shí)會(huì)散發(fā)水分，得出的反應(yīng)物會(huì)不斷將土體內(nèi)部的空隙填充，進(jìn)而有效提高土體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度[4]，同時(shí)伴隨著CBR 的提升，其中，石灰在摻量為4%時(shí)對應(yīng)的CBR 值已滿足規(guī)范要求， 但為考慮石灰的損失，綜合考慮摻量確定為6%。

4.4 膨脹率試驗(yàn)

分別摻加0%、4%、6%、8%的石灰， 制備出對應(yīng)的試樣后進(jìn)行膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同石灰摻配比例膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表3 中數(shù)據(jù)可得，隨著石灰的不斷摻加，黏土發(fā)生物理、化學(xué)作用后逐漸硬化，膨脹率降低的同時(shí)穩(wěn)定性增高，當(dāng)石灰摻量超過6%時(shí)，對應(yīng)的膨脹率降低幅度變低，因此，推薦石灰摻量為6%。

4.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

分別摻加0%、4%、6%、8%的石灰， 制備出對應(yīng)的試樣后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 結(jié)合表中數(shù)據(jù)可得，石灰摻加后黏土試樣的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增強(qiáng)， 當(dāng)石灰摻量為6%時(shí)，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為0.52 MPa，滿足規(guī)范要求的不低于0.5 MPa，因此，推薦石灰摻量為6%。

表4 不同石灰摻配比例無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5 改良低液限黏土路基施工研究

5.1 施工工藝

5.1.1 施工放樣

首先對路堤進(jìn)行清理，確保足夠的清潔和干燥，并在路堤上劃分出網(wǎng)格區(qū)域，每20 m 的距離設(shè)定一個(gè)樁，以便后續(xù)卸料施工。

5.1.2 上土、整平

選用自卸式汽車和挖掘機(jī)將取土運(yùn)至施工現(xiàn)場， 均勻地將土體卸至事先劃分好的網(wǎng)格區(qū)域中， 并選用平地機(jī)將土料進(jìn)行均勻整平。 為提高混凝土拌和的均勻性，石灰進(jìn)場前對素土進(jìn)行預(yù)濕潤，并嚴(yán)格控制含水量，不得過濕[5]。

5.1.3 布格、摻灰

采用人工的方式均勻劃分區(qū)域面積， 并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H面積嚴(yán)格控制裝卸的石灰量，采用機(jī)械進(jìn)行攤鋪處理，針對不均勻區(qū)域應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)攤。

5.1.4 拌和

采用挖掘機(jī)進(jìn)行拌和，確?；彝翆宇伾３忠恢?，通常需拌和3 遍左右，確保顆粒大小和均勻性滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5.1.5 調(diào)整含水率

拌和完畢后，及時(shí)測定灰土的含水率，當(dāng)含水率較低時(shí)應(yīng)采用灑水車進(jìn)行補(bǔ)水， 而含水率過高時(shí)需將土料進(jìn)行翻曬處理，確保含水率滿足規(guī)范要求。

5.1.6 穩(wěn)壓、整平

待含水率滿足要求后選用推土機(jī)進(jìn)行穩(wěn)壓， 再采用平地機(jī)進(jìn)行整平處理，兩種工序應(yīng)保持交錯(cuò)進(jìn)行。

5.1.7 碾壓

整平完后采用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓施工， 速率控制在1.5～2.0 km/h，且控制靜壓和振動(dòng)壓實(shí)的遍數(shù)在4～6 遍。

5.1.8 養(yǎng)護(hù)

碾壓完畢后采用土工布進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期不得少于3 d，并在施工現(xiàn)場適當(dāng)位置設(shè)立標(biāo)志牌和隔離墩，嚴(yán)禁在養(yǎng)護(hù)期間放行車輛[6]。

5.2 施工質(zhì)量檢測

石灰摻量設(shè)定為6%， 石灰改良低液限黏土路基施工完畢后，分別對路基的回彈彎沉值和壓實(shí)度進(jìn)行現(xiàn)場檢測。 檢測結(jié)果表明，采用石灰改良后低液限黏土作用路基填料施工后對應(yīng)的承載能力可滿足規(guī)范要求， 且壓實(shí)度高于96%，證實(shí)了石灰改良的可行性， 并表明石灰摻量為6%時(shí)路基施工質(zhì)量良好。

6 結(jié)語

本文就改良低液限黏土在高速公路路基施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)合室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、CBR 試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定石灰最佳摻量為6%；重點(diǎn)對石灰改良低液限黏土路基施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究， 結(jié)合彎沉值和壓實(shí)度對路基施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。 研究結(jié)果表明，采用石灰改良低液限黏土技術(shù)可有效提高路基的整體穩(wěn)定性和承載能力，具有較高的可行性和實(shí)用性。