石灰穩(wěn)定法處理軟弱路基的應(yīng)用研究

甄俊杰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

我國黃河流域的軟弱地基形成時代較晚，多數(shù)欠固結(jié)，地基土主要為粉質(zhì)砂土，地基承載力較低，不能滿足我國公路設(shè)計的基本要求。粉質(zhì)砂土，顆粒細小，層理清晰，具有一定的結(jié)構(gòu)和觸變性[1]。目前對濕軟地基主要通過石灰、水泥、土壤固化劑等材料進行改良設(shè)計，或者通過強夯、擠密樁等方式提高地基承載力[2]。文章以山西某高速公路濕軟地基實體工程為依托，通過室內(nèi)試驗對該路段地基土的物理性質(zhì)進行分析，對石灰穩(wěn)定土的物理力學性能進行研究，為以后的工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 原材料物理性質(zhì)

通過現(xiàn)場取樣，進行室內(nèi)試驗，對石灰穩(wěn)定土原材料的物理性質(zhì)進行研究，為穩(wěn)定土的配合比設(shè)計及性能研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 粉砂土的物理性質(zhì)

根據(jù)工程實際情況，選取有代表性的土樣。測定土粒度分布、比重、孔隙比、液塑限等物理指標，根據(jù)測試結(jié)果分析粉砂土的工程性質(zhì)特點。

1.1.1 粉砂土的顆粒組成

土的顆粒組成對其結(jié)構(gòu)特性起到?jīng)Q定性作用，會對土的工程性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。從外觀上看，該路段的粉砂土的砂粒中夾帶粉土粒、無膠結(jié)現(xiàn)象、較難搓成土條、干燥時成粉末狀、砂粒較多。采用篩分法和密度計法[3]測試土樣的顆粒組成，具體測試結(jié)果見表1，粒徑分布曲線如圖1所示。

表1 粉砂土顆粒篩分結(jié)果

圖1 粉砂土級配曲線

由表1可知，粉砂土的顆粒粒徑主要集中在0.25～0.002 mm之間，砂粒含量占總土質(zhì)量的60%以上，粉粒含量在25%左右，黏粒含量不到5%。粉砂土的黏粒含量極少，會降低粉砂土顆粒的表面活性及黏性、增強其松散性，最終導(dǎo)致其水穩(wěn)定性較差。不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大，表示土粒大小分布范圍大，土的級配良好。曲率系數(shù)Cc則是描述累計曲線的分布范圍，反映累計曲線的整體形狀。通過規(guī)定不均勻系數(shù)Cu＜5時，稱為勻粒土，級配不好；Cu＞l0時，稱為級配良好的土。當同時滿足不均勻系數(shù)Cu＞5和曲率系數(shù)Cc=l～3這兩個條件時，土為級配良好的土；如不能同時滿足，土為級配不良土。該路段的土樣不均勻系數(shù)Cu為2.1，小于5，級配曲線不連續(xù)，屬于級配不良土。用此類土體修筑高速公路路基時必須采取合理的穩(wěn)定措施進行改良設(shè)計，以改善其級配和水穩(wěn)定性，達到規(guī)范設(shè)計要求。

1.1.2 土的比重及液塑限

利用比重瓶法和虹吸筒法測定粉砂土的比重，采用液、塑限聯(lián)合測定法測定器液塑限。具體測試結(jié)果見表2。

表2 粉砂土物理指標檢測結(jié)果

由表2可知，粉砂土的天然孔隙比較大，說明該路段的粉砂土具有較強的透氣性與透水性，但該路段的地下水位較高，土基的含水率基本都在20%左右，因此對石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性要求較高。而塑性指數(shù)偏低，且粉砂土的級配較差，黏粒含量極少，如果對其進行改良設(shè)計路基土很難達到設(shè)計的壓實度及強度。

1.2 石灰

石灰從當?shù)刭徺I，消石灰氧化鈣和氧化鎂含量為55.0%，是三級消石灰，其主要技術(shù)指標見表3。

表3 石灰技術(shù)指標

石灰的各項技術(shù)指標都能夠滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）的基本要求。

2 石灰穩(wěn)定土性能研究

路基土在車輛荷載的作用下會產(chǎn)生殘余變形和彎拉破壞。因此在進行路基設(shè)計時必須保證足夠的厚度，同時還要求路基具有較好的整體強度和剛度。本節(jié)將對石灰穩(wěn)定的抗壓強度、彎拉強度及水穩(wěn)定性進行研究。

2.1 擊實試驗

改變石灰摻量進行室內(nèi)土工擊實試驗，得到一系列含水率-干密度關(guān)系曲線，根據(jù)最大干密度原則確定出不同石灰摻量所對應(yīng)的最佳含水率，其中石灰摻量依次取0%、10%、12%、14%、16%；初始拌和用水量依次取8%、10%、12%、14%、16%。試驗結(jié)果見表4。

表4 擊實試驗結(jié)果

圖2 石灰穩(wěn)定土擊實曲線

從表4和圖2中可以看出，粉砂土的干密度隨著含水率的變化會出現(xiàn)一個峰值，即最佳含水率。主要是因為含水率較低時，顆粒間的結(jié)合水膜較薄，顆粒相互運動時會受到較大的摩阻力，不利于擊實；當含水率較高時，顆粒間會存在大量孔隙水，不利于顆粒的靠攏及壓實，干密度也隨著減小。從圖2可以確定出不同石灰含量下穩(wěn)定土的最佳含水量，見表5。

表5 最大干密度和最佳含水量

圖3 最佳含水量與最大干密度變化曲線

從圖3可以看出，隨著石灰用量的增加，最佳含水量不斷增大，最大干密度不斷減小。這主要是由于石灰與土在水的作用下會發(fā)生一系列化學物理反應(yīng)，需要消耗一定量的水，導(dǎo)致土-石灰體系的體積膨脹，從而降低穩(wěn)定土的干密度。而當石灰摻量超過一定量時，石灰土的穩(wěn)定性也不斷增強，膨脹性減小，因此不會對干密度產(chǎn)生較大的影響。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E40—2009）中無機結(jié)合料穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度試驗方法，采用上述擊實試驗確定的最佳含水量，通過靜力壓實法制備直徑×高＝50 mm×50 mm的穩(wěn)定土試件，測試其7 d、14 d和28 d的無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果見表6。

表6 無側(cè)限強度試驗結(jié)果 MPa

由表6可知，石灰穩(wěn)定土的7 d、14 d和28 d的無側(cè)限抗壓強度都隨著石灰用量的增加而增大，這主要是因為石灰與土在水的作用下會發(fā)生一系列化學物理反應(yīng)，增加土粒間的黏結(jié)作用，形成結(jié)構(gòu)強度更高的整體。而我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D50—2006[4]中明確規(guī)定石灰穩(wěn)定類底基層的7 d無側(cè)限抗壓強度不能低于0.8 MPa，從表6中可以看出，只有當石灰用量達到14%時才能滿足要求。

綜上所述，根據(jù)擊實試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，選擇16%的石灰用量對路基土進行改良設(shè)計，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。

2.3 水穩(wěn)定性研究

由于該路段地下水位較高，穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性是影響路基穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此必須對石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性進行研究。選用14%和16%石灰摻量，改變拌和用水量，測試其7 d無側(cè)限抗壓強度，通過分析強度變化來評價石灰穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果見表7。

表7 無側(cè)限強度測試結(jié)果 MPa

從表7和圖4中可以看出，當用水量在最佳含水率附近時石灰穩(wěn)定土具有較大的無側(cè)限抗壓強度。當石灰摻量為14%時，7 d無側(cè)限抗壓隨用水量變化的波動較大，且當含水率低于12%時，無側(cè)限強度低于0.8 MPa，不能滿足規(guī)范要求。而當石灰摻量為16%時，用水量在8%～16%的范圍內(nèi)都能夠滿足規(guī)范要求，說明石灰穩(wěn)定土具有較好的水穩(wěn)定性能。而16%水泥用量的無側(cè)限抗壓強度較高，主要是由于過量的水泥可以作為填料填充穩(wěn)定土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其強度性能。

圖4 無側(cè)限強度隨水泥用量的變化規(guī)律

綜上所述，根據(jù)擊實試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗及水穩(wěn)定性研究結(jié)果，選擇16%的石灰用量對路基土進行改良設(shè)計，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。

3 工程應(yīng)用與效果評價

采用16%的石灰摻量對路基土進行改良設(shè)計，施工過程中必須嚴格控制施工質(zhì)量。

3.1 施工工藝

石灰穩(wěn)定的施工工藝會對路基土的整體強度產(chǎn)生較大影響，在此推薦采用路拌法流水作業(yè)施工。施工工藝流程如下：準備下承層、備料攤土、整平和壓實、卸置和攤鋪石灰、拌和、灑水、整形碾壓、養(yǎng)生。

施工過程中必須嚴格控制石灰的撒鋪均勻性及拌和用水的噴灑量；拌和時要保證底層沒有素土夾層；最終要保證足夠的壓實度。

3.2 施工質(zhì)量檢測

施工完畢后，采用灌沙法[5]檢測其壓實度；通過現(xiàn)場鉆芯取樣，在標準養(yǎng)生室養(yǎng)生7 d，測試其7 d無側(cè)限抗壓強度。檢測結(jié)果見表8。

表8 實體工程檢測結(jié)果

由表8可知，施工完畢后的路基壓實度和7 d無側(cè)限抗壓強度都能夠滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D50—2006中的要求，說明濕軟地基經(jīng)過16%的石灰改良處理能夠滿足規(guī)范設(shè)計要求。

4 結(jié)語

結(jié)合室內(nèi)試驗和實體工程對濕軟地基進行石灰改良設(shè)計，結(jié)果表明該路段粉砂土的不均勻系數(shù)為2.1，曲率系數(shù)為31.4，為不良級配。室內(nèi)試驗研究表明，隨著石灰用量的增加，最佳含水量不斷增大，最大干密度不斷減小；石灰穩(wěn)定土的7 d、14 d和28 d的無側(cè)限抗壓強度都隨著石灰用量的增加而增大；石灰摻量為16%時，石灰穩(wěn)定土具有較好的水穩(wěn)定性。根據(jù)室內(nèi)試驗最終確定采用16%的石灰用量對路基土進行改良設(shè)計，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。實體工程檢測表明，石灰穩(wěn)定土路基的壓實度和7 d無側(cè)限抗壓強度都滿足要求。