黃河沖積平原區(qū)粉質(zhì)過(guò)濕土路基處理措施研究

摘要 路基是公路的主要承重層，它和路面共同承擔(dān)著行車荷載的作用，同時(shí)為路面提供堅(jiān)固、穩(wěn)定的基礎(chǔ)。路基的強(qiáng)度與穩(wěn)定性是公路的強(qiáng)度與穩(wěn)定的前提，會(huì)受到水、溫度、土質(zhì)等因素的影響，從而導(dǎo)致路基出現(xiàn)各種病害，其中以路基的含水量較高引起壓實(shí)度不足而導(dǎo)致沉降的例子最多。公路施工時(shí)，往往受區(qū)域土質(zhì)條件限制和工期緊張等方面原因，一般就近采用天然土方填筑路基。黃河沖積平原區(qū)廣泛分布天然含水量較高的低液限粉土，簡(jiǎn)稱粉質(zhì)過(guò)濕土。文章通過(guò)分析該類土質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)、壓實(shí)度與含水率的關(guān)系等，進(jìn)一步提出包括翻土晾曬、摻石灰等改進(jìn)措施及施工注意事項(xiàng)，從而有效減少黃河沖積平原地區(qū)過(guò)濕土路基病害，為類似項(xiàng)目的路基施工質(zhì)量控制提供參考。

關(guān)鍵詞 粉質(zhì)過(guò)濕土；壓實(shí)度；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0140-04

0 引言

黃河沖積平原區(qū)由于其特有的地質(zhì)和水文條件，使得道路修筑面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，粉質(zhì)過(guò)濕土作為路基填筑材料時(shí)，由于其高天然含水率和低液限特性，常常導(dǎo)致路基土體壓實(shí)不足、穩(wěn)定性差，從而引發(fā)沉陷等病害。因此，對(duì)此類土質(zhì)的路基處理技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)提高道路質(zhì)量和使用壽命具有重要意義。國(guó)內(nèi)外已有大量類似的研究，張志偉[1]通過(guò)添加石灰、水泥及土壤固化劑等三種方式對(duì)雅安地區(qū)的過(guò)濕性土壤進(jìn)行了改良，并對(duì)其壓實(shí)性能、水穩(wěn)定性及承載能力等方面進(jìn)行了研究，數(shù)值仿真結(jié)果表明該方法能夠有效改善過(guò)濕土；張瑜等[2]采用石灰、水泥改性良粉土，結(jié)果表明水泥改性土的CBR值隨水泥摻入量的增大而增大，其強(qiáng)度與水泥摻入率呈正相關(guān)；T Chompoorat等[3]以水泥為主要原料，通過(guò)對(duì)淤泥的處理，確定了合理的水泥配比，可以滿足路基及基層材料的需要；Usaborisut Jettapol等[4]研究了土質(zhì)、含水量和有機(jī)質(zhì)等因素對(duì)粉土壓縮性能的影響；楊紅霞[5]對(duì)某一路段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明在適宜含水量條件下，采用動(dòng)靜壓實(shí)結(jié)合的辦法，可以有效改善路基的壓實(shí)效果。

1 粉質(zhì)過(guò)濕土基本物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 顆粒組成及微觀特性

粉質(zhì)過(guò)濕土主要由粉粒、砂粒及黏粒組成，其中粉粒和砂粒占據(jù)較大比例，大約占總數(shù)的85%。這種特定的顆粒組合導(dǎo)致在粉粒與砂粒之間存在空隙，由于缺少足量的黏粒填補(bǔ)這些空隙，從而形成了一種類似“搭積木”的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不易壓實(shí)。更重要的一點(diǎn)，粉粒既不具備黏粒的黏結(jié)能力，也不具備砂粒在土體中形成骨架的功能。因此，當(dāng)粉粒含量過(guò)高且粒度分布不合理時(shí)，將導(dǎo)致粉土難以壓實(shí)，且容易導(dǎo)致表層重皮現(xiàn)象的發(fā)生。

從微觀上看，土樣顆粒主要表現(xiàn)為不規(guī)則的六面體或多面體形態(tài)，其粒徑分布主要集中在40～80 μm的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出整體的均勻性。同時(shí)，存在較大粒徑的顆粒，其直徑約為100 μm，這些較大顆粒的表面填充或包裹有黏性顆粒，使得該部分較大顆粒整體呈現(xiàn)出較為飽滿的球狀。黏性顆粒的分布又顯示出極度的不均勻性，它們彼此之間并未形成連續(xù)的基質(zhì)，而是局部附著于粉粒的表面，這種分布特征導(dǎo)致土樣松散、不易壓實(shí)。

1.2 顆粒級(jí)配

采用篩分法對(duì)土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，其粒徑分配曲線如圖1所示。由圖1可以看出，粒徑大于0.075 mm的顆粒占總質(zhì)量的31%，表明在土樣中存在一定量的粗顆粒。然而，顆粒的主要分布集中在0.075～0.005 mm之間，這一區(qū)間主要由粉粒組成，顯示出較高的粉粒含量。

從粒徑分配可以觀察到，土樣的級(jí)配呈現(xiàn)出不良的分布特征。由于粉粒含量較多，而缺少足夠數(shù)量的細(xì)小黏粒填充砂粒和粉粒之間的空隙，導(dǎo)致在壓實(shí)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效的顆粒嵌鎖和空隙填充。這種不良的級(jí)配特性直接影響了土樣的壓實(shí)效果，使得壓實(shí)后的土樣難以達(dá)到預(yù)期的壓實(shí)度，不能滿足施工要求。

上述結(jié)果表明，為了提高土樣的壓實(shí)度和整體工程質(zhì)量，需要采取措施改善土樣的級(jí)配，增加細(xì)小黏粒的含量，以優(yōu)化顆粒之間的相互作用和填充效率。

1.3 天然含水率及最佳含水率

原地面下方1 m、2 m、3 m深度處分別采取土壤樣本，結(jié)果顯示這些樣本的最大天然含水率大約為20%。如圖2所示，通過(guò)分析該地區(qū)粉土的擊實(shí)特性曲線，可以觀察到在最佳含水率的左側(cè)，曲線相較于右側(cè)顯得比較平緩；當(dāng)含水率超過(guò)最佳含水率時(shí)，干密度數(shù)值急速下降，這表明粉土干密度一旦超過(guò)最佳含水率，其隨含水率的變化將變得尤為敏感。該地區(qū)過(guò)濕粉土天然含水率一般比最佳含水率大得多，若直接進(jìn)行填筑壓實(shí)，將導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)干密度數(shù)值與最大干密度的比值不能達(dá)到壓實(shí)度要求，其壓實(shí)質(zhì)量將無(wú)法滿足規(guī)范要求。因此，必須采取特定處理措施減少過(guò)濕粉土的天然含水率，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓技術(shù)的嚴(yán)格控制，以確保壓實(shí)質(zhì)量。

圖2 含水率與干密度關(guān)系曲線

2 粉質(zhì)過(guò)濕土用于路基填筑導(dǎo)致壓實(shí)度不足原因分析

2.1 含水量過(guò)高

粉質(zhì)過(guò)濕土的含水量超過(guò)了土體的最佳含水量，使得土體在壓實(shí)過(guò)程中難以達(dá)到理想的密實(shí)狀態(tài)。過(guò)高的含水量將導(dǎo)致土顆粒間的水膜變厚，減小土顆粒間的摩擦力，從而降低土體的抗剪強(qiáng)度和承載能力。

2.2 孔隙率較大

粉質(zhì)過(guò)濕土在壓實(shí)過(guò)程中，由于含水量過(guò)高，土體中的空隙無(wú)法完全被填滿，導(dǎo)致土體中存在較多的孔隙。這些孔隙在土體固結(jié)過(guò)程中難以消除，使得路基的密實(shí)度降低，影響路基的穩(wěn)定性和使用壽命。

2.3 粉土土質(zhì)問(wèn)題

粉質(zhì)土含有較多的粉粒、黏粒含量較少，這些因素都會(huì)影響土體的壓實(shí)性能。大量粉粒的存在會(huì)降低土顆粒間的黏結(jié)力，使得土體在壓實(shí)過(guò)程中難以達(dá)到理想的密實(shí)狀態(tài)，而黏粒含量較少的土體在壓實(shí)過(guò)程中容易出現(xiàn)滑動(dòng)，導(dǎo)致粉質(zhì)過(guò)濕土不易成形，施工碾壓易產(chǎn)生疊瓦狀的推移和分層現(xiàn)象，浸水時(shí)很快被濕透，形成流體狀態(tài)，耐沖蝕能力差。

2.4 施工工藝不當(dāng)

過(guò)濕土在填筑過(guò)程中，如果施工工藝不當(dāng)，如壓實(shí)厚度過(guò)大、壓實(shí)遍數(shù)不足、壓實(shí)速度過(guò)快等，都可能導(dǎo)致路基壓實(shí)度不足。因此，在過(guò)濕土路基填筑過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制施工工藝，確保路基的壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 粉質(zhì)過(guò)濕土用于路基填筑改進(jìn)措施

粉質(zhì)過(guò)濕土直接用于路基填筑，由于含水量過(guò)高、孔隙率較大、排水不暢、土質(zhì)問(wèn)題和施工工藝不當(dāng)?shù)确矫嬖颍瑯O易導(dǎo)致路基壓實(shí)度不足。為保證路基的穩(wěn)定性和使用壽命，應(yīng)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，如控制含水量、改善土質(zhì)、優(yōu)化施工工藝等。在粉質(zhì)過(guò)濕土中加入生石灰粉，能夠有效降低土的含水量，確保壓實(shí)工作順利進(jìn)行并達(dá)到所需的壓實(shí)度。同時(shí)，這種方法也能改善粉土的物理和力學(xué)性質(zhì)，是一種既簡(jiǎn)單易行又經(jīng)濟(jì)有效的處理方案。

生石灰粉的添加顯著減少了過(guò)濕土中的水分含量，這種效果主要?dú)w因于三個(gè)關(guān)鍵因素：干石灰粉與黏土顆粒混合時(shí)的作用、石灰粉水化過(guò)程中的吸水作用，以及水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的水分蒸發(fā)和混合過(guò)程中水分散失。因此，減少過(guò)濕土含水量的效果與加入的生石灰粉的數(shù)量和質(zhì)量、施工時(shí)的季節(jié)、混合的頻率及持續(xù)時(shí)間等因素緊密相關(guān)。在生石灰粉摻入濕土之后，土的塑性特性發(fā)生了變化，土顆粒的團(tuán)聚變得更加粗糙，導(dǎo)致塑性范圍擴(kuò)大，塑限提高，這些變化顯著提升了土體的密實(shí)特性。加入生石灰粉后的濕土形成的石灰土，在滿足相同壓實(shí)度的條件下，具有比原始土體更廣泛的適宜含水量范圍。這些性質(zhì)的改善對(duì)壓實(shí)工作極為有利。采用添加生石灰粉的方法，將過(guò)濕土的壓實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槭彝恋膲簩?shí)問(wèn)題，因此在施工時(shí)，最佳含水量和最大干密度等關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)按照石灰土的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整。與原材料相比，石灰土的最佳含水量和最大干密度有所降低，但其強(qiáng)度和穩(wěn)定性卻得到了顯著提高。

通過(guò)精確調(diào)節(jié)生石灰粉的摻入量，能夠?qū)⒃歼^(guò)濕土的含水量降至石灰土壓實(shí)過(guò)程中所需的最佳或適宜含水量，進(jìn)而解決了過(guò)濕土難以壓實(shí)的問(wèn)題。當(dāng)土體的天然含水量遠(yuǎn)高于最佳含水量時(shí)，可以采取分層添加生石灰粉的方法，遵循“先穩(wěn)定后壓實(shí)”的原則，逐層提升壓實(shí)度，直到路基頂部的壓實(shí)度達(dá)到所需的標(biāo)準(zhǔn)。生石灰粉與濕土混合后，在水化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)吸收水分并伴隨體積膨脹，此時(shí)應(yīng)等待3～4 h，以確保充分水化和膨脹后再進(jìn)行壓實(shí)工作。在施工過(guò)程中，建議采用現(xiàn)場(chǎng)拌和的方法，確保生石灰粉與濕土能夠均勻混合，具體操作可參照石灰土的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

4 粉質(zhì)過(guò)濕土處理注意事項(xiàng)

4.1 合理設(shè)置取土場(chǎng)

由于路段內(nèi)土場(chǎng)的地下水位比較高，土的天然含水量較大。為了降低土的含水量，先采用取土坑周圍開(kāi)溝放水的方法，這樣能夠減少一部分土的含水量。為保證雨后能正常運(yùn)輸，進(jìn)出土場(chǎng)的便道也應(yīng)精心修整。

4.2 晾曬處理

黃河沖積平原區(qū)土壤肥沃，基本農(nóng)田大量分布，征地較為困難，如計(jì)劃采用粉質(zhì)過(guò)濕土填筑路基，盡量提前規(guī)劃土方晾曬場(chǎng)地，并在場(chǎng)地四周設(shè)置臨時(shí)排水溝、沉淀池等排水措施，優(yōu)先考慮在紅線范圍內(nèi)尋找地勢(shì)平坦、運(yùn)輸條件好的場(chǎng)地。

過(guò)濕土含水率過(guò)高時(shí)，可以從取土坑中將其挖掘出來(lái)，堆放在坑邊進(jìn)行初步干燥，然后運(yùn)送到晾曬場(chǎng)地；如無(wú)晾曬場(chǎng)地，可以將其運(yùn)輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)段的一面進(jìn)行初步干燥，然后用推土機(jī)推到工作區(qū)，用上述機(jī)具進(jìn)行1～2次的整平，最后把2/3的石灰均勻撒在工作面上。摻灰、壓碎、拌和和初壓應(yīng)在同一時(shí)間進(jìn)行。

4.3 鋪設(shè)處理

對(duì)初步碾壓的土層悶料24 h后，再將剩余的1/3石灰均勻鋪撒在土層上，再進(jìn)行翻拌，測(cè)試石灰土的含水量，使其達(dá)到最佳含水量的±2%，然后整平后用重型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，直至達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度。

4.4 填筑厚度控制

在路基填筑工程中，填筑厚度的控制顯得尤為重要。這一環(huán)節(jié)如果處理不當(dāng)，會(huì)引發(fā)一系列的工程問(wèn)題。如果填土層過(guò)薄，將會(huì)導(dǎo)致施工工序的增多，不僅增加了人工操作的次數(shù)，也使得機(jī)械臺(tái)班的使用效率降低。相反，如果填筑的土層過(guò)厚，問(wèn)題同樣嚴(yán)重。過(guò)厚的土層難以翻透，難以將土塊粉碎至所需的細(xì)度，下層土體的水分不能及時(shí)散失，即使經(jīng)過(guò)碾壓，也難以達(dá)到設(shè)計(jì)的壓實(shí)度要求。在這種情況下，繼續(xù)使用重型壓路機(jī)進(jìn)行反復(fù)碾壓，不僅不能解決問(wèn)題，還可能導(dǎo)致路基出現(xiàn)“彈簧”狀態(tài)。因此，在過(guò)濕土施工中，填筑厚度是一個(gè)需要特別嚴(yán)格控制的指標(biāo)。正確控制每層填土的厚度，既能保證土體得到有效壓實(shí)，又能避免因過(guò)薄或過(guò)厚帶來(lái)的一系列施工問(wèn)題，這就需要在施工前通過(guò)精確計(jì)算和科學(xué)規(guī)劃，結(jié)合實(shí)地情況和機(jī)械設(shè)備的性能特點(diǎn)，制定出合理的填筑厚度標(biāo)準(zhǔn)，并在施工過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)行，以確保路基工程的質(zhì)量與進(jìn)度。

4.5 填筑前含水量控制

因?yàn)檫^(guò)濕土的自然含水量比較高，而且遇到雨水之后，它的含水量還會(huì)增加，因此，在施工過(guò)程中，一定要將其控制在最佳含水量。在高溫季節(jié)施工時(shí)，過(guò)濕土表面經(jīng)過(guò)暴曬后比較干燥，含水量低于最佳含水量，但內(nèi)部土含水量還是比較高，內(nèi)外含水量不均勻。因此，在土方填筑前，應(yīng)將其在攤鋪場(chǎng)地外翻曬、粉碎，直到含水量均勻（一般比最佳含水量大2%左右）后方能用于路基填筑。

4.6 遇到雨天處理方法

在施工期間，如果遇到降雨，通常的做法是盡快用上層土進(jìn)行覆蓋，以保護(hù)下方的路基。同時(shí)，必須加強(qiáng)排水措施，在路基的邊坡上利用防雨布搭建臨時(shí)的急流引導(dǎo)槽，以防止強(qiáng)降雨沖毀邊坡。對(duì)于已經(jīng)壓實(shí)的路基部分，為了防止雨水滲透，必須在下雨來(lái)臨前使用防雨布將其完全遮蔽。等到雨停后，可以撤去防雨布，對(duì)路基進(jìn)行必要的復(fù)壓工作，然后進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)試，確認(rèn)無(wú)誤后再繼續(xù)下一步施工。這種方法既能確保路基的壓實(shí)度，也有助于縮短整體的施工周期。

對(duì)于已經(jīng)加入了石灰，但是還沒(méi)有進(jìn)行平整和碾壓的路段，在遇到下雨的時(shí)候應(yīng)搶壓，并用防雨布進(jìn)行遮蓋。由于路段的高低不平，有些地方會(huì)被雨水滲透，因此在雨停之后，應(yīng)馬上拉開(kāi)防雨布，進(jìn)行局部的翻曬。如果有一些積水比較嚴(yán)重的話，可以把濕的土挖出來(lái)，換填攪拌均勻的石灰土，然后再進(jìn)行整平碾壓，直到壓實(shí)度合格為止。

4.7 連續(xù)施工

在粉質(zhì)過(guò)濕土的施工過(guò)程中，確保施工工序的連續(xù)性是關(guān)鍵所在，這意味著必須精心安排施工計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)快速、流暢的作業(yè)轉(zhuǎn)換，減少因等待或準(zhǔn)備工作而導(dǎo)致的不必要的時(shí)間浪費(fèi)。施工團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)隨時(shí)準(zhǔn)備投入工作，以突擊的方式迅速推進(jìn)工程進(jìn)度，確保在短時(shí)間內(nèi)完成施工任務(wù)。同時(shí)，密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)對(duì)于粉質(zhì)過(guò)濕土的施工同樣至關(guān)重要。由于這類土對(duì)水分非常敏感，雨水的侵襲可能會(huì)導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)的條件惡化，增加施工難度，甚至可能損害已完工的部分，造成質(zhì)量隱患。因此，施工期間應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控天氣狀況，并根據(jù)預(yù)報(bào)調(diào)整施工計(jì)劃。

4.8 石灰的存儲(chǔ)與使用

石灰的存放時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng)，特別是在未加覆蓋的情況下，其有效的鈣鎂成分可能會(huì)顯著下降，進(jìn)而使得摻入過(guò)濕土的石灰無(wú)法達(dá)到預(yù)期的改良效果。即便是最初質(zhì)量合格的石灰，如果在無(wú)遮蓋的環(huán)境中放置數(shù)月，其品質(zhì)也可能會(huì)降低至不合格的水平。此外，在石灰使用前，必須確保其充分消解且嚴(yán)格篩選，以避免使用未完全消解的石灰處理路基。在碾壓成形之后，如果遇到雨水，那些未充分消解的石灰會(huì)繼續(xù)消解，可能導(dǎo)致局部區(qū)域膨脹、松軟甚至產(chǎn)生鼓包，形成類似蘑菇的形狀，這種情況會(huì)嚴(yán)重影響路基的強(qiáng)度及其表面的平整度。

5 結(jié)束語(yǔ)

路基的壓實(shí)度和穩(wěn)定性對(duì)于公路工程的整體質(zhì)量至關(guān)重要，因此在施工過(guò)程中必須遵循嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。特別是在黃河沖積平原區(qū)，普遍存在的粉質(zhì)過(guò)濕土由于其天然特性無(wú)法直接滿足路基施工的要求。該文從微觀和宏觀層面對(duì)粉質(zhì)過(guò)濕土進(jìn)行了深入分析，提出了有效的改良措施，旨在確保粉質(zhì)過(guò)濕土經(jīng)過(guò)處理后能夠符合路基填筑的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為該地區(qū)的路基施工提供有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)

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