石灰穩定法處理軟弱路基的應用研究

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，多數欠固結，地基土主要為粉質砂土，地基承載力較低，不能滿足我國公路設計的基本要求。粉質砂土，顆粒細小，層理清晰，具有一定的結構和觸變性[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，通過室內試驗對該路段地基土的物理性質進行分析，對石灰穩定土的物理力學性能進行研究，為以后的工程設計提供參考依據。

1 原材料物理性質

通過現場取樣，進行室內試驗，對石灰穩定土原材料的物理性質進行研究，為穩定土的配合比設計及性能研究提供數據支撐。

1.1 粉砂土的物理性質

根據工程實際情況，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，根據測試結果分析粉砂土的工程性質特點。

1.1.1 粉砂土的顆粒組成

土的顆粒組成對其結構特性起到決定性作用，會對土的工程性質產生較大影響。從外觀上看，該路段的粉砂土的砂粒中夾帶粉土粒、無膠結現象、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，最終導致其水穩定性較差。不均勻系數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。通過規定不均勻系數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Cu＞5和曲率系數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Cu為2.1，小于5，級配曲線不連續，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定措施進行改良設計，以改善其級配和水穩定性，達到規范設計要求。

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、塑限聯合測定法測定器液塑限。具體測試結果見表2。

表2 粉砂土物理指標檢測結果

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，因此對石灰穩定土的水穩定性要求較高。而塑性指數偏低，且粉砂土的級配較差，黏粒含量極少，如果對其進行改良設計路基土很難達到設計的壓實度及強度。

1.2 石灰

石灰從當地購買，消石灰氧化鈣和氧化鎂含量為55.0%，是三級消石灰，其主要技術指標見表3。

表3 石灰技術指標

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

2 石灰穩定土性能研究

路基土在車輛荷載的作用下會產生殘余變形和彎拉破壞。因此在進行路基設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。本節將對石灰穩定的抗壓強度、彎拉強度及水穩定性進行研究。

2.1 擊實試驗

改變石灰摻量進行室內土工擊實試驗，得到一系列含水率-干密度關系曲線，根據最大干密度原則確定出不同石灰摻量所對應的最佳含水率，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%。試驗結果見表4。

表4 擊實試驗結果

圖2 石灰穩定土擊實曲線

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生一系列化學物理反應，需要消耗一定量的水，導致土-石灰體系的體積膨脹，從而降低穩定土的干密度。而當石灰摻量超過一定量時，石灰土的穩定性也不斷增強，膨脹性減小，因此不會對干密度產生較大的影響。

2.2 無側限抗壓強度

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E40—2009）中無機結合料穩定土的無側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的穩定土試件，測試其7 d、14 d和28 d的無側限抗壓強度，試驗結果見表6。

表6 無側限強度試驗結果 MPa

由表6可知，石灰穩定土的7 d、14 d和28 d的無側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生一系列化學物理反應，增加土粒間的黏結作用，形成結構強度更高的整體。而我國《公路瀝青路面設計規范》JTG D50—2006[4]中明確規定石灰穩定類底基層的7 d無側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，根據擊實試驗及無側限抗壓強度試驗結果，選擇16%的石灰用量對路基土進行改良設計，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。

2.3 水穩定性研究

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

表7 無側限強度測試結果 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定土具有較大的無側限抗壓強度。當石灰摻量為14%時，7 d無側限抗壓隨用水量變化的波動較大，且當含水率低于12%時，無側限強度低于0.8 MPa，不能滿足規范要求。而當石灰摻量為16%時，用水量在8%～16%的范圍內都能夠滿足規范要求，說明石灰穩定土具有較好的水穩定性能。而16%水泥用量的無側限抗壓強度較高，主要是由于過量的水泥可以作為填料填充穩定土內部結構，提高其強度性能。

圖4 無側限強度隨水泥用量的變化規律

綜上所述，根據擊實試驗、無側限抗壓強度試驗及水穩定性研究結果，選擇16%的石灰用量對路基土進行改良設計，最佳含水率為13.9%，最大干密度為1.64 g/cm3。

3 工程應用與效果評價

采用16%的石灰摻量對路基土進行改良設計，施工過程中必須嚴格控制施工質量。

3.1 施工工藝

石灰穩定的施工工藝會對路基土的整體強度產生較大影響，在此推薦采用路拌法流水作業施工。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 施工質量檢測

施工完畢后，采用灌沙法[5]檢測其壓實度；通過現場鉆芯取樣，在標準養生室養生7 d，測試其7 d無側限抗壓強度。檢測結果見表8。

表8 實體工程檢測結果

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

4 結語

結合室內試驗和實體工程對濕軟地基進行石灰改良設計，結果表明該路段粉砂土的不均勻系數為2.1，曲率系數為31.4，為不良級配。室內試驗研究表明，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；石灰穩定土的7 d、14 d和28 d的無側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，石灰穩定土具有較好的水穩定性。根據室內試驗最終確定采用16%的石灰用量對路基土進行改良設計，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，石灰穩定土路基的壓實度和7 d無側限抗壓強度都滿足要求。