濱海吹填砂和淤泥路基的固化及施工研究＊

李戰(zhàn)國 張務(wù)民 潘鳳文 李學(xué)輝 付 軍 李 悅

（北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 北京 100124） （唐山市交通局2） 唐山 063000）（唐山市交通建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督處3） 唐山 063000） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院4） 武漢 430063）

目前我國沿海地區(qū)有大量的建設(shè)工程項(xiàng)目，如沿海高速的建設(shè)、曹妃甸由圍海造地而形成的工業(yè)區(qū)建設(shè)［1］等.這些工程在建設(shè)過程，路床填料通常為山皮石，且隨著可開采的山皮石越來越少，價(jià)格仍在繼續(xù)上漲.另一方面，沿海建設(shè)工程項(xiàng)目中為充分利用沿海地區(qū)的資源優(yōu)勢，降低項(xiàng)目造價(jià)，路床以下路基通常采用吹砂或淤泥固結(jié)后填筑［2－4］，采用固化處理時(shí)僅有對吹填淤泥的少量研究報(bào)道［5－7］.本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究確定了適于吹填砂和淤泥混合物的固化劑類型及固化后混合物的力學(xué)性能，并結(jié)合實(shí)際工程研究了固化泥砂混合物作為路床填料時(shí)的施工方法，最后對吹填砂路床和山皮石路床進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益對比分析.

1 試驗(yàn)材料、方法與方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為18.5MPa和44.3MPa，細(xì)度為350m2／kg.本研究試制了6種固化劑G1，G2，…，G6，其主要化學(xué)成分分別如下：G1由膠凝材料A、熟石灰、Na2SO4、礦渣組成；G2由膠凝材料A、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇組成；G3由膠凝材料A與膠凝材料B、硫酸鹽激發(fā)劑（石膏，Na2SO4，CuSO4）、減水劑、礦渣和粉煤灰組成；G4由膠凝材料 A，Al2（SO4）3，Na2CO3，一種有機(jī)高分子化合物、尿素和減水劑組成；G5由膠凝材料A、石膏、熟石灰、一種有機(jī)高分子化合物和減水劑組成；G6由膠凝材料B、石膏、生石灰、堿、一種有機(jī)高分子化合物、減水劑和礦渣組成.各固化劑的粉磨細(xì)度均達(dá)到350m2／kg以上.

吹填砂為曹妃甸濱海大道用于填筑路基的吹填砂，淤泥為濱海大道兩側(cè)淤泥；它們的物理性質(zhì)指標(biāo)和主要化學(xué)成分分別見表1和表2.

吹填砂的顆粒級配指標(biāo)見表3，顆粒級配累積曲線見圖1.由圖1和表3可知，該吹填砂的主要粒徑分布在0.075～0.3mm間，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約96%，由不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)可知吹填砂屬于級配不良砂（SP）.

表1 吹填砂與淤泥的物理性能指標(biāo)

表2 吹填砂和淤泥的主要化學(xué)成分

表3 吹填砂顆粒級配指標(biāo)

圖1 吹填砂顆粒級配累積曲線

1.2 試驗(yàn)方法

1）吹填砂和淤泥的物理性能試驗(yàn)均按JTJ051－93《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行.

2）試樣制備、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)參考《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 057－94）.

3）固化泥砂混合物的干濕循環(huán)試驗(yàn)沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本研究參考文獻(xiàn)［8］進(jìn)行試驗(yàn).具體過程如下：試塊養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，將試塊取出，放入與室溫相同的水中浸泡12h；然后置于室溫條件下自然風(fēng)干12h，此為一次干濕循環(huán)；如此反復(fù)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn).

4）凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，試塊的制備參考《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 057－94）中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試塊，凍融過程參考JTG E30－2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行.

5）現(xiàn)場路基的彎沉值和回彈模量測試.彎沉值測定采用貝克曼梁彎沉儀測定，測試參數(shù)如下：又輪組單軸載為100kN，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑為21.3cm，2輪中心距1.5cm×21.3cm為標(biāo)準(zhǔn)車.回彈模量測試參考《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 057－94）中的頂面法.

1.3 試驗(yàn)方案

1）確定吹填砂和淤泥的最佳混合比例.吹填砂和淤泥的質(zhì)量比分別為：100∶0，60∶40，40∶60，20∶80，0∶100，以水泥作為固化劑固化不同比例的混合物，通過混合物的強(qiáng)度指標(biāo)確定最佳混合比例.

2）確定固化強(qiáng)度指標(biāo)最佳的固化劑.從上述方案中選擇泥、砂最佳比例，結(jié)合有關(guān)參考文獻(xiàn)和實(shí)際工程實(shí)例，考慮到固化劑的實(shí)際成本，固定水泥和固化劑G1～G6的摻量（外摻法）為7%，測試系列固化土的7d，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，尋求固化效果最佳的固化劑.

3）研究固化效果較好的固化劑固化泥砂混合物的其他性能指標(biāo)，如劈裂抗拉強(qiáng)度、干濕循環(huán)性能及凍融性能等.

4）結(jié)合唐山市濱海大道海港開發(fā)區(qū)至曹妃甸段一級公路工程，采用本文的固化劑固化泥砂混合物作為路床填料，研究固化混合物的施工過程；并測試其性能.

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 確定吹填砂和淤泥最佳混合比例的試驗(yàn)結(jié)果

水泥摻量為7%時(shí)，固化不同比例泥砂混合物的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 固化土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表4的強(qiáng)度結(jié)果可知，泥砂混合物其比例為40∶60時(shí)固化強(qiáng)度最好，固化土強(qiáng)度分別比純淤泥和純砂固化強(qiáng)度提高了194.7%和261.3%.故以下試驗(yàn)中，泥砂混合料的比例均為40∶60.

2.2 確定固化劑種類的試驗(yàn)結(jié)果

固化劑G1～G6和水泥摻量為7%時(shí)，固化土7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表5.

表5 固化劑類型不同時(shí)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度MPa

由表5可知，采用不同種類固化劑固化泥砂混合物時(shí)G2固化劑的7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均最高，初步確定采用G2作為固化泥砂混合物的固化劑.

2.3 其他性能試驗(yàn)結(jié)果

測試了G1，G2，G3和水泥摻量均為7%時(shí)，固化土的28d劈裂抗拉強(qiáng)度、干濕循環(huán)（36次）、凍融循環(huán)等性能，試驗(yàn)結(jié)果分別見表6～表8.

由表6可知，不同固化劑固化泥砂混合物的劈裂抗拉強(qiáng)度均超過現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014－97）要求的底基層用水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度0.4MPa；由表7可知，不同固化劑固化泥砂混合物經(jīng)過36次干濕循環(huán)間后，強(qiáng)度不但沒有降低，反而均有不同程度的提高，其中G2固化劑對應(yīng)的循環(huán)后強(qiáng)度及強(qiáng)度變化率均最高.由表8可知，G2固化土抗凍融性能較水泥和G1，G3要好，其質(zhì)量損失達(dá)5%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到了36次，強(qiáng)度損失為62.95%，比同摻量下水泥固化土的強(qiáng)度損失減少了16.7%；且凍后強(qiáng)度仍能達(dá)到0.83MPa，可以滿足路基底基層填料要求.

表6 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果

表7 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

表8 凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，G2固化劑在固化泥砂時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、水穩(wěn)試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)中均表現(xiàn)出相對較優(yōu)的性能，因此在實(shí)際工程施工時(shí)選用G2作為固化泥砂的固化劑.

3 固化吹填泥砂混合物路床的施工技術(shù)

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)位于唐山市濱海大道海港開發(fā)區(qū)至曹妃甸段路基第8合同段.路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為雙向四車道，總寬49m.本合同段為淺海路基，路基采用吹砂填筑，完成后填70～90cm的山皮石至路床頂面.山皮石路床要求CBR值不小于8%，上路床頂彎沉值不大于140（0.01mm）.路床上層分別為20cm的水泥（3.5%）穩(wěn)定碎石底基層、38cm的水泥（5%）穩(wěn)定碎石基層及18cm的瀝青混凝土面層.

3.1 施工前的準(zhǔn)備工作

1）混合泥砂的準(zhǔn)備 分別將吹填砂和淤泥晾曬至含水率介于5%～6%，62～66%之間；按質(zhì)量比約為40∶60的比例將淤泥和吹填砂混合，混合時(shí)采用勾機(jī)（斗容大于0.4m3）的挖斗來回翻拌，初步使泥砂混合均勻.混合完成后，測試含水量，應(yīng)介于22～25%間，否則加水或晾曬至滿足要求.

2）施工機(jī)械的要求 旋耕機(jī)，耕副大于250 cm，耕深大于30cm；灑水車，應(yīng)具有機(jī)械加壓的噴灑功能；單鋼輪振動式壓路機(jī)，工作質(zhì)量大于12t.

3.2 施工過程與質(zhì)量控制

3.2.1 試驗(yàn)段路床分3層施工，每層的施工工藝及質(zhì)量控制相似，具體如下.

1）泥砂混合物的鋪攤 將泥砂混合物運(yùn)至路床地段后，使用履帶式推土機(jī)按照1.15～1.18的松鋪系數(shù)將泥砂混合物攤鋪，攤鋪厚度約為30 cm，攤鋪設(shè)計(jì)寬度為4m（為確保有效攤鋪寬度及壓實(shí)度，實(shí)際攤鋪寬度為4.5m）；盡量保證均勻的攤鋪厚度.施工過程中注意撿除超尺寸顆粒及其他雜物.

2）泥砂混合物平整處理 使用旋耕機(jī)對泥砂混合物進(jìn)行拌和2～3遍，拌和深度應(yīng)達(dá)到土的層底并派專人跟隨拌和機(jī)，隨時(shí)檢查拌合深度并配合旋耕機(jī)操作人員調(diào)整拌和深度，通過測定松鋪厚度可知道拌和深度是否達(dá)到要求.拌和機(jī)拌和速度不宜太快，一般控制在6m／min左右.拌和完成的標(biāo)志是：混合料色一致，水分合適均勻.拌和過程及時(shí)檢查含水量，水分不足應(yīng)及時(shí)補(bǔ)灑.

3）噴灑固化劑及其與泥砂混合物的拌和過程 按計(jì)算好的添加量將G2固化劑均勻?yàn)⒃谄秸哪嗌盎旌衔锉砻妫缓笥眯麢C(jī)沿著路床方面拌和4～5遍，拌和過程中設(shè)專人跟機(jī)檢查拌和深度，確保固化劑與土拌和均勻.及時(shí)檢測土、固化劑、含水量等劑量，如發(fā)現(xiàn)不足，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施；拌和完成的標(biāo)志是：混合料顏色一致，水分合適均勻.

4）混合料的壓實(shí)處理 拌和完成后立即用壓路機(jī)在路床全寬內(nèi)進(jìn)行碾壓，碾壓速度先慢后快，一般需要碾壓6～8遍；然后采用振動壓實(shí)1～2遍.壓實(shí)完成后，測定壓實(shí)度，保證壓實(shí)度大于95%.碾壓過程中，應(yīng)注意嚴(yán)禁壓路機(jī)在已完成或正在碾壓的路段上調(diào)頭和急剎車，應(yīng)保證穩(wěn)定土表面不受破壞；穩(wěn)定土的表面應(yīng)保持潮濕，如表面水蒸發(fā)很快，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)灑少量水，嚴(yán)禁灑水碾壓.碾壓過程中，如有“彈簧”、松散、起皮現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)翻開，重新拌和或用其他方法處理，使其達(dá)到質(zhì)量要求.

3.2.2 養(yǎng)生處理 固化土碾壓完成后，應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)生.養(yǎng)生時(shí)采用灑水車在穩(wěn)定土表面噴灑2～3遍水，然后表面覆蓋帆布，養(yǎng)生期一般為7 d.養(yǎng)生期間，應(yīng)注意保持穩(wěn)定土表面潤濕；若較干，應(yīng)隨時(shí)灑水處理.進(jìn)入養(yǎng)生期后，應(yīng)封閉交通，除灑水車外，其他車輛不得通行.施工車輛必須通行時(shí)，應(yīng)限制載重車輛通行，通行車輛速度不應(yīng)超過20km／h，嚴(yán)禁急轉(zhuǎn)彎或急剎車.

3.3 固化泥砂混合物路床的技術(shù)指標(biāo)

7d后測試了固化泥砂混合物路床的回彈模量及彎沉值，并通過鉆心取樣測試了固化泥砂混合物的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.7d時(shí)回彈模量平均值為219.7MPa，彎沉平均值為64（0.01mm），無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.03MPa.本合同段要求路床頂面回彈模量不小于40MPa，本文中路基回彈模量實(shí)測值達(dá)219.7MPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求值；同時(shí)該項(xiàng)目中彎沉值要求小于140（0.01mm），本文實(shí)測彎沉值為64（0.01mm），也滿足設(shè)計(jì)要求.由此可知，采用固化泥砂混合物代替山皮石在經(jīng)過本文的施工后，其技術(shù)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求.

4 固化吹填泥砂路床的經(jīng)濟(jì)效益對比分析

據(jù)唐山市交通局介紹，目前曹妃甸開發(fā)區(qū)的山皮石運(yùn)到現(xiàn)場的價(jià)格為85元／m3；吹填砂的成本為30元／m3；淤泥的成本為6元／m3.G2固化劑的價(jià)格為310元／t.在試驗(yàn)段施工過程中，實(shí)測壓實(shí)度為95%時(shí)，泥砂混合物的表觀密度為1.69 g／cm3，據(jù)此理論上可大概算出1m3中泥和砂的體積百分比.計(jì)算過程如下.

假設(shè)1m3泥砂混合物中砂的體積為V，則泥的體積的為（1－V）m3.故

式中：ρ泥＝1.31g／cm3（見表1）；ρ砂可根據(jù)吹填砂的比重2.69g／cm3及天然含水量5.94%大概計(jì)算得到（假設(shè)砂的質(zhì)量為100g）：

將ρ砂和ρ泥代入式（1），得V＝0.33m3.

故通過理論計(jì)算可大概得到1m3泥砂混合物中砂的體積約占0.33m3，泥的體積約占0.67m3.

1m3泥砂的成本約：0.33×30＋0.67×6＝13.92元.

固化1m3泥砂所需的固化劑成本約：1.69×0.07×310＝36.67元.

故固化后1m3泥砂混合物填料的成本約：13.92＋36.67＝50.59元.

由上述計(jì)算可知，采用固化泥砂混合物代替山皮石作為路床填料，可節(jié)約成本約（85－50.59）×100%／85＝40.5%；一個(gè)1km 長，50m 寬，80cm厚的路床，采用固化泥砂混合物作為填料時(shí)，可節(jié)約成本約（85－50.59）×1 000×50×0.8＝1 376 400元＝137.64萬元.

5 結(jié) 論

1）采用水泥固化不同質(zhì)量比例的淤泥和吹填砂，當(dāng)淤泥和吹填砂的質(zhì)量比例分別為40%和60%時(shí)，固化泥砂混合物的強(qiáng)度達(dá)到最高值；當(dāng)采用不同類型的固化劑固化泥砂混合物時(shí)，本文研制的G2固化劑（由膠凝材料、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇組成）的固化強(qiáng)度相對較高.

2）當(dāng)采用G2固化劑固化40%的淤泥和60%的吹填砂混合物時(shí)，固化混合物表現(xiàn)出較高的劈裂強(qiáng)度、較好的抗干濕循環(huán)及抗凍融循環(huán)性能.

3）本文提供了一種現(xiàn)場固化吹填砂和淤泥混合物的施工方法.采用本文的固化劑及泥砂混合物施工后，其回彈模量和彎沉值均滿足公路路基設(shè)計(jì)要求.

4）本文提供的固化泥砂混合物與山皮石路床填料相比，可節(jié)約成本約40.5%.

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