潤揚北路粉質黏土路基石灰改良技術及施工工藝研究

連清泉

（揚州市城市規劃設計研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002）

0 前言

近年揚州北區市郊的多條市政道路出現較嚴重的路基路面早期破壞，其主要特點是：路面損壞嚴重，出現凹槽、網裂、泛油、松散、縱橫向裂縫及不均勻沉降等病害，尤其是挖方路段嚴重；路基路面病害出現較早，部分路段通車半年就出現較明顯的病害。這些病害的出現與該地區廣泛分布的粉質黏土密切相關。這類土具有水敏感性強、毛細水作用強等特殊性質，尤其在地下水位較高時易產生較嚴重的水損壞。鑒于此，揚州市市政建設處聯合東南大學交通學院成立課題組，結合《潤揚北路延伸（平山堂西路—西湖中心路）道路工程》設計，展開“揚州市北區市政道路建設關鍵技術研究與運用”，對路基中經濟有效的毛細水隔離措施及長期效果，不良路基填料的石灰改良技術與施工工藝等進行深入研究，并將研究成果運用于該道路，取得良好效果。

1 工程概況

潤揚路是揚州市西部城區的一條南北向主干路。現狀潤揚路南至沿江高等級公路（潤揚大橋高速出入口），北至揚州市西北片區的平山堂西路，與揚州市東西向主干路沿江高等級公路、開發路、328國道、文昌路等連接。本期工程潤揚北路延伸南起平山堂西路，北至西湖中心路，道路紅線寬度50 m，全長2 316.862 m，按城市主干路Ⅱ級標準設計，設計計算行車速度50 km/h。項目所在區域地處長江北岸下游，位于寧鎮揚丘陵崗地區，地勢總體上是北高南低，地形起伏較大，地面標高為11.0～29.5 m。結合工程地質勘察報告，統計得到潤揚北路地區粉質黏土的基本物理力學指標如表1所示。

2 毛細水隔離措施研究

根據《揚州潤揚北路延伸道路路基路面優化設計咨詢報告》（東南大學交通學院）分析現狀已建道路路基病害的主要原因為水損壞：由于相關路段廣泛分布粉質黏土，且地下水位埋深較淺（一般在天然地面以下0.5～2.0 m之間），因此這類土中毛細現象嚴重，毛細水上升高度大，毛細水對路基的強度影響比較大。地下水在毛細作用下逐漸向路基頂遷移，而致路基頂面當量回彈模量降低。對于既定的路基土，不同的地下水位對應于不同的路基頂面當量回彈模量。地下水位變化，導致路基土回彈模量變化，將使荷載作用下路面各結構層的應力、應變發生相應的變化。因毛細水的上升，使路基土干濕狀態變化，導致路基的強度相應降低或失穩，增加路基的壓縮量，進而影響路面結構的強度及穩定性，其病害表現形式為不均勻沉降、縱向不平整、車轍、唧漿等典型病害。挖方路段的損害破壞比填方路段更嚴重，其主要的原因就是挖方破壞了山體的水力平衡，使路基下方出現水壓力，而向上涌水。若挖方路段沒有良好的排水層，水無法排出，路基的軟化、損壞將不可避免。

因此，對于該工程路基中應采取經濟、長效的毛細水隔離措施。根據工程實踐，對典型土類，分別采用30 cm 5%灰土墊層和30 cm碎石墊層隔離，觀察毛細現象，對不同隔離措施的處理效果進行對比，為毛細水防治措施提供依據。潤揚北路延伸工程地區淺層粉質黏土擊實試驗的最佳含水量和最大干密度分別為14.8%和1.88 g/cm3。對其不同摻灰量試驗數據表明，摻灰5%的現場擊實情況最優，摻灰5%處理后最佳含水量和最大干密度分別為18.3%和 1.79 g/cm3。

表1 基本物理力學指標

在進行毛細水處理措施試驗時，利用埋設的TDR實時測試含水量變化，觀察隔絕毛細水上升的效果。TDR(Time domain reflectometry)土壤水分速測儀由脈沖信號發生器、藍牙數據傳輸器、掌上電腦終端及探頭組成。如圖1所示。

圖1 TDR土壤水分測定儀

采用TDR測定土壤水分含量，依據的是土壤的介電常數隨土壤含水量的變化而規律地發生變化原則。根據Topp（1980）等人的研究，土壤的介電常數K，與土壤的體積含水量θ之間的關系可以表達為：

式（1）中：θ為體積含水量；K為介電常數。

若能精確地測定土壤的介電常數K，就可由式（1）計算出土壤的體積含水量。Topp等人研究還表明，這一關系式受土壤類型、土壤密度、土壤溫度及孔隙水傳導的影響很小。

實際測定時，從脈沖信號發生器發出一高頻脈沖，將其通過傳輸線傳輸到探頭。當信號傳輸到傳輸線與探頭的聯結點，因兩者阻抗不匹配，一部分電磁波反射回來，剩余的電磁波沿探頭傳輸到探頭的另一端，由于探頭與土壤的阻抗也不匹配造成電磁波的再次反射。探頭長度固定，就可以根據時間、距離關系，計算出電磁波在土壤中的傳輸速度：

式（2）中：V為電磁波在土壤中的傳輸速度；L為探頭長度；T為兩次反射之間的時間。

根據電力學原理，電磁波在土壤中的傳輸速度可表達為：

式（3）中：V為電磁波在土壤中的傳輸速度；C為光在真空中的傳播速度；K為土壤介電常數。

由式（2）、（3）可以計算出介電常數K值：

將式（4）計算出的介電常數K值代入式（1）就可以計算出土壤的體積含水量。

兩種隔離措施的毛細水觀測結果見圖2。

圖2 兩種隔離措施的含水量變化規律

根據試驗結果，可以得到以下結論：

（1）30 cm碎石墊層的方案，測點處含水量基本不變，因碎石墊層孔隙較大，毛細水無法透過碎石上升，所以30 cm碎石墊層是一種理想毛細水防治措施。

（2）前15 d內，素土中毛細水上升快，所以測點處含水量迅速增加；15 d以后測點處含水量基本穩定，略有增加。

（3）30 cm 5%灰土墊層方案，測點處含水量略有上升，基本能有效隔離毛細水上升，處置效果良好。

鑒于現場施工條件，道路附件不生產碎石材料，該項目路基處理采用灰土墊層的處理措施阻隔毛細水上升，同時對于路基土也以摻灰來改變土的含水量，根據實際情況，擬定路基處理方案如圖3。

3 石灰土施工工藝研究

在石灰改良土路堤填筑施工中，石灰、土料和石灰土材料的質量和性質對路堤填筑質量有很大影響，需要嚴格按照規定實施。對于該區內近年所建已損壞道路路基調查，發現灰、土拌合不均的情況較多。路基施工設計中，根據工藝簡單原則，石灰改良土工藝以1次摻灰為首選，但該工程所處區域粉質黏土含水量過高，鑒于以往工程實踐中1次摻灰現場拌合時黏土塊粉碎困難，易造成灰、土拌合不勻，為了保證施工周期和摻灰拌合質量，擬采用二次摻灰拌合工藝。首次摻少量石灰進行悶灰，使過濕的黏土砂化，便于施工拌合；再進行第二次摻灰，對土質改良，改變土的微觀特性，形成密實的結構。對“第一次摻灰的量”，“第一次摻灰后需要多久進行第二次摻灰”深入研究，相關數據統計見圖4～圖6。

通過以上分析：摻灰后黏土顆粒砂化現象明顯，黏粒含量減少，而粉粒和砂粒含量增加；隨著摻灰時間增長，黏粒含量逐漸減少，粉粒和砂粒含量逐漸增加；從工程的可操作性與實際應用效果來看，砂化石灰用量以2%～3%為宜，砂化時間以2 d以上為宜。

圖3 一般路基處理設計圖（單位：cm）

圖4 粉質黏土摻灰24h的顆粒分布

圖5 粉質黏土摻灰2%不同時間的顆粒分布

圖6 粉質黏土不同摻灰比例的無側限抗壓

4 結語

考慮城市交通的特殊，停車、剎車、啟動頻繁，故容易產生車轍現象。為了提高路面結構抵抗車轍的能力，路面施工時運用改性瀝青，同時瀝青中、下面層采用江蘇省的研究成果“S型級配瀝青混凝土”。道路竣工后經過兩年多運行，車行道瀝青路面情況良好，未發現車轍現象，尤其在此前易出現車轍的交叉口部位也未發現明顯車轍現象。

針對揚州市潤揚北路延伸工程路基土質的深入分析，結合以往工程經驗，對過濕粉質黏土填料采用二次摻灰的工藝研究，得出以下結論：

（1）30 cm 5%的灰土墊層上和30 cm碎石墊層兩種處理方法基本能有效阻隔毛細水上升，處置效果較好，其中碎石墊層方案效果更好。在碎石材料匱乏的黏土地區，宜采用灰土墊層，與灰土路基處理結合，以簡化施工工藝、節約成本。

（2）粉質黏土過濕路堤填料摻灰難以拌均，黏土成塊不易粉碎等施工過程中常出現的實際問題宜通過采用二次摻灰，即首次摻少量的石灰進行悶灰，使過濕黏土砂化，便于施工，再進行二次摻灰對土質改良，以保證灰土拌合質量。

（3）對于瀝青路面，盡管改性瀝青和SMA結構對于防治裂縫等病害有明顯效果，但是優化路面層集料級配和控制油石比才是提高路面材料性能和減少施工變異性的根本措施。

[1]JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[2]JTG F10—2006，公路路基施工技術規范[S].

[3]揚州市市政建設處，東南大學交通學院.揚州潤揚北路延伸道路路基路面優化設計咨詢報告[R].楊州，南京：揚州市市政建設處，東南大學交通學院，2010.