高液限土路堤土質特性與施工工藝研究

盧劍雄

(湖南省湘筑工程有限公司)

1 工程簡介

G高速公路是滬蓉國道主干線重要的一段,其中 B1、B2合同段位于渝東偏東南部位,屬于西南山區氣候,潮濕多雨,而且路段地下水系發達。這里廣泛分布著含水量較大的潮濕性土,它們多為高液限粘土或高液限粉土,其含水量普遍達 35%以上,并且分布較深。經地表調查及工程鉆探揭露,場地內覆蓋層主要為褐黃色的紅粘土,挖方段落的覆蓋層達十幾米且為含水量過大(48%～53%)、塑性指數不合格(32%～35%)的高液限土,而且紅粘土層在水平方向上厚度變化較大,未發現有裂隙發育。覆蓋層以下的巖石為液性指數偏高、塑性指數合格的軟質泥巖,其含水量仍達 43%～48%,該種巖石的特點為遇水軟化,雪融后翻漿。

(1)K0+590～K0+690段:基巖埋深較大,上覆紅粘土層厚度 9.10～19.60m。

(2)K1+480～K1+980段:K1+600～K1+800段地質條件較好,該段鉆孔揭露深度內均為基巖;其余地段上覆紅粘土層厚度 5.20～11.80m。

(3)K3+200～K3+270段:上覆紅粘土層為 4.50～6.20m。

(4)K3+940左幅道路中心線:該孔上覆紅粘土層厚8.20m,且7.00～8.20m有土洞發育。

2 高液限土土質特性研究

2.1 高液限土常規物理力學指標測定

為進一步查明石忠路高液限土物理力學性質,同時考慮到高液限土填筑路堤在復浸水不利情況下的結構相似性,分別在不同路段路塹基底鉆取原狀土樣 25組,進行土工常規測試得到主要設計參數。

通過測試統計所得石忠路高液限土含水率約為33.92%;天然密度約為 1.84g/cm3;孔隙比約為 1.023;飽和度約為 92.15;液限約為 44.86%;塑限約為 25.19%;抗剪強度(固結快剪):黏聚力 c取 26.3kPa;內摩擦角 φ取 13.2°;壓縮系數約為0.29MPa-1。按《巖土工程勘察規范》可知這類高液限土屬于紅黏土,但在此基礎上又具有抗剪強度偏低,壓縮性偏高的特殊性,大體來說仍符合高液限土的宏觀范疇。通過計算含水比為0.756,按《巖土工程勘察規范》劃分紅黏土的復浸水特性屬I類,即收縮后復浸水膨脹,能恢復到原位。

2.2 高液限土路堤填料壓實度控制指標測定

路堤施工時壓實度的主要控制指標是最大干密度和最佳含水量,針對不同填料一般通過室內試驗來測定其相應的指標。對于高液限土,其土粒成分主要為細粒土,根據《公路土工試驗規程》(JTJ051-93)中的標準擊實試驗(T0131-93),通過干土法來進行試驗。取 G高速公路高液限土路段現場挖方土樣,所做的室內標準擊實試驗結果如圖 1所示,由此可得出該土樣在最佳含水量 15%下可得最大干密度1.80kg/cm3。

由于施工現場所填筑的土來源不一,同一處所取的土體也隨開挖從外到內風化程度逐步減弱,填筑的土體顆粒相當不均勻,甚至隨著取土開挖深度的加深而大顆粒土壤比例逐漸增加。而室內標準擊實試驗,要求試驗用土樣要過38mm的篩子,取 38mm篩下的土樣留用作為試驗用土樣,因此,當施工現場填筑土體中大于 38mm超尺寸顆粒土的含量在 3%～30%的時候要進行校正。

圖 1 最大干密度及最佳含水量圖

2.3 高液限土結構特性研究

(1)抗剪強度變化規律研究。

考慮到高液限土隨分布不同其含水量變化較大,為測定高液限土抗剪強度隨含水量的變動而變化的情況,特選取15%、25%、35%三個不同含水量條件下測定其各自的抗剪強度。試驗選用ZJ-2型等應變直剪儀,不同含水量條件下測得的抗剪強度指標平均值列于表 1中。

表1 含水量與抗剪強度指標關系

由此可見高液限土的抗剪強度隨著含水量的增加而大幅度降低,由此說明水對高液限土具有很大的影響作用。

(2)壓縮性能變化規律研究。

由于高液限土高壓縮性,土壤顆粒細小等特點,在利用高液限土填筑路堤并對高液限土路堤進行沉降分析時,應注意路堤堤身的沉降情況,而這首要問題就是必須了解堤身填料的壓縮性能。取本項目高液限土挖方材料進行室內擊實試驗,按規范要求的壓實度制備高液限土填筑土樣,對其進行壓縮試驗。另一方面,為探討高液限土壓縮性隨不同含水量變化而變化的情況,特針對 15%最佳含水量并按 93%規范要求壓實度壓實后的土樣與 35%原狀高液限土的壓縮性能進行對比,研究其壓縮指標的變化趨勢。

試驗采用高壓固結壓縮儀,杠桿比例 20∶1,環刀直徑50cm2,分別進行三組試驗,得到最佳含水量以及規范要求壓實功壓實下的土樣壓縮性能,三組e-p曲線如圖 2所示,變動幅度不大,可近似取壓縮系數 α1-2在 0.17～0.20MPa-1,可見,標準擊實后的高液限土土樣仍有一定的壓縮程度。

原狀高液限土含水量平均為 35%左右,通過之前高液限土基本物理力學性能試驗可知其壓縮系數一般為 0.28～0.34MPa-1,而 15%最佳含水量的土在 93%的壓實功壓實后,其壓縮系數變為 0.17～0.20MPa-1。由圖中變化程度可以看出,高液限土的壓縮性能隨著含水量的增大以及外界初始荷載條件的減小而大幅度提高,也從另一個方面反應出水對高液限土的影響。

圖 2 高液限土路堤填料 e-p曲線

(3)高液限土結構特性分析。

上述兩項補充試驗為不同含水量條件及壓實情況下高液限土抗剪強度指標和壓縮性能的變化,說明了高液限土結構本身對含水量變化和外界荷載影響較敏感,是一種結構變動很大的土。這也是由高液限土親水,粒徑小,塑性大等特點決定的。首先,隨著填筑,外界荷載逐步增大,填料中水逐步消散,填筑土體自身結構必然持續改變,而且結構變動程度也比一般的填料要高,必然引起路堤堤身一定程度的沉降;其次,由于當地惡劣的氣候環境,在高液限土路堤運營期間,隨著雨雪反復滲入浸潤,同樣使得填筑土體結構持續改變,一方面降低填料強度,影響路堤堤身穩定性;另一方面也會造成路堤堤身的不均勻沉降。

3 高液限土路堤施工工藝研究

3.1 施工現場壓實度影響因素分析及其控制方法

(1)現場壓實度影響因素分析。

①含水量控制。現場填筑填料時應參考室內試驗指標,尤其是對于高液限土,必須嚴格控制填料的含水量在最佳含水量附近,一般要求左右偏差不超過 2%～3%。

②松鋪厚度。在同樣的壓實功作用下,不同的松鋪厚度有著不同的壓實效果。松鋪厚度如果過大,壓實功消散較快,不能將松鋪層整體壓實,很難達到指定的壓實度,過小填料自身反作用力增大,會出現反彈現象。

③碾壓遍數。通常松鋪厚度和碾壓遍數可以結合起來考慮,針對具體的路段應該設計不同的松鋪厚度,并找出各自穩定的碾壓遍數,再對比各組松鋪厚度的穩定壓實效果,選擇最合適的松鋪厚度。

④壓實機具選擇與組合。壓實機具的選擇與組合對高液限土路基壓實度的效果有著很大的影響。對于高液限土路基,應采用三輪壓路機(18～21t)初壓,接著再根據實際情況使用振動壓路機碾壓。當土質為黏土,擊實最大干容重為1.80kN/m3左右,最佳含水量為 15%左右時,一般采用18t振動壓路機壓實,有膨脹性時,隨膨脹系數的增大應采用更重的振動壓路機;對于顆粒較大的砂性土和碎石顆粒,擊實最大干容重較大,而且隨含石率的增大而增大,最佳含水量較低,而且隨含石率的增大而降低,一般采用 25t振動壓路機壓實。

⑤碾壓程序。對于高液限土路基,可先用三輪壓路機初壓,由路堤外緣向中間碾壓 2～4遍,然后用振動壓路機按照不同情況再碾壓 2～4遍。要求振動壓實每一遍都進行壓實度檢查,統計達到要求的壓實度不同壓路機所需的遍數和最佳適宜的碾壓速度,以保證壓實質量并正確指導之后的施工。

(2)施工現場壓實度控制注意事項。

碾壓前,必須控制填料含水量位于最佳含水量附近,一般可調整填料含水量略大于最佳含水量。

為促使碾壓更均勻并提高壓實效率,土塊應打碎至5mm以下,每層松鋪厚度應小于 30cm,同時盡可能使填料含水量均勻。

碾壓后壓實度難以達到要求時,或是施工期間降雨,影響之前壓實效果時,應進行復壓處理。

對于填挖交界處,路堤與路塹兩者土內的含水量不相同,密實程度也不相同,高液限土更容易發生不均勻沉降。因此,壓實時應達到壓實均勻、緊密,同時,交界處 2m范圍內的挖方地基表面應挖臺階翻松,對比填料含水量,選取適當壓實機具再進行壓實。

3.2 填筑方案施工要點

(1)施工順序及控制。

路堤填筑過程中,應進行沉降和穩定監測,嚴格控制填筑速率以免由于加載過快而造成地基破壞。路堤施工期內應連續觀測路堤沉降變形,控制指標為路堤中心線地面沉降速率每晝夜不大于 1.0cm;坡腳水平位移速率每晝夜不大于 0.5cm,其填筑速率應以水平位移控制為主,如超過此限應立即停止填筑。

各填筑方案施工順序,見表 2。

(2)片石層填筑。

碎石墊層施工關鍵是如何將碎石加密到設計要求的密實度。加密方法可選用振實、夯實或壓實的方法,常用的有平振法、插振法、水撼法、夯實法和碾壓法等。這些方法的壓實效果、分層鋪筑厚度、壓實遍數、最優含水量等應根據具體施工方法以及施工機具通過現場試驗確定。當無試驗資料時,采用 60～100kN壓路機,每層攤鋪厚度為 30cm,壓實遍數為 4～6遍。

表2 各方案施工順序表

碎石墊層底面宜鋪設在同一標高上,如填筑厚度不同,墊層下土層面應挖成階梯或斜坡搭接,并按先深后淺的順序施工,搭接處應夯壓密實。各分層的搭接位置應錯開 0.5～1.0m的距離。

為防止碎石墊層邊緣部位砂石的流失和保證碎石墊層排水路徑的暢通,在碎石墊層兩側應堆放砂包。

(3)土工格柵的鋪設。

應在邊坡面以內 3.5m的范圍內鋪設。當路堤基底處理完后,應立即鋪設土工格柵,然后分層填土壓實,直至基床底面。

應將抗拉強度較高的縱幅中線置于垂直線路的方向,其外端不宜露出邊坡面,且內縮10cm。

(4)隔水土工布的鋪設。

鋪設前對下承層進行修整,人工將表面碎、塊石等堅硬凸物清除干凈。

沿橫斷面方向鋪設土工布,人工將土工布拉平,使土工布平順,松緊適度,用長 10cm的竹簽將土工布的四角固定。在邊坡處土工布回折 1m,待填土后將預留部分沿修整好的邊坡反包上來,用竹簽在距路基邊緣 20cm處固定。

相鄰兩幅土工布間搭接 30cm,搭接時高端土工布置于低端土工布的面上,防止土工布褶皺。

4 結 語

(1)分析了高液限土基本物理力學性質;對高液限土路堤填料壓實度控制指標進行測定,并考慮現場實際情況進行一定的修正,同時,探索這兩個指標與土體含石率之間的變化規律,可以靈活地控制不同情況下的壓實方法;最后,通過高液限土抗剪強度以及壓縮性能隨不同含水量等條件變化而變化的規律研究,對高液限土的結構性進行探討。這些為修筑高液限土路堤研究提供了一定的依據。

(2)根據G高速公路高液限土地區路堤分布狀況,對高液限土路堤的施工工藝進行了分析。分析了施工現場壓實度影響因素、控制方法及填筑方案施工要點。

[1]張偉華.衡棗高速公路高液限粘土的主要工程性質[J].湖南交通科技,2003,29(2).

[2]張平等.高液限粘土路堤填筑石灰改良技術研究[J].西部探礦工程,2006,(10).

[3]鐘敏雄,劉世武,柳厚祥.康耐改良高液限土路用特性研究[J].吉林化工學院學報,2005,22(1).