過濕冰水堆積土路基填料摻灰改良試驗研究

溫會軍

(中鐵十八局集團第二工程有限公司 唐山 063000)

0 引 言

我國西南特別是川西階地區域，冰水堆積地貌分布廣泛.高含水率(過濕)冰水堆積土作為路基填料，其工程力學性質較差、壓實操作困難，難以滿足公路路基填料要求.然而，其改良措施有別于傳統的軟基處理方案[1].

冰水堆積物是第四紀中更新世及晚更新世冰川所挾帶和搬運的碎屑構成的堆積物在冰川融水的搬運堆積作用下所形成的沉積物，物質組成和結構特性較為復雜[2].因其成因類型不同，不同地域或同一地域不同地區的堆積物工程地質特性差異巨大.在已有的地質與土壤學領域研究基礎上，近些年來，許多專家學者在冰水堆積土的力學特性、路用性能、施工工藝等方面進行了相關研究.石崇等[3]提出一種基于數字圖像處理技術生成顆粒流模型模擬冰水堆積體力學特性的新方法.祁昊等[4]針對含水率變化對桃坪冰水堆積物抗剪強度的影響進行了探究，得到了該類特殊土體強度衰減的非飽和強度特性.張杰[5]驗證了冰水堆積物土體可以作為高速公路路基填料的可行性，提出了其作為高速公路填料的設計步驟及內容，給出了冰水堆積物用于高速公路路基填筑的施工工藝[6].趙錦等[7]使用砂礫石填料夾層法進行冰水堆積土路基施工，有效改善其壓實和沉降特性.李紅艷等[8]提出一種過濕冰水堆積土路基填料新型填筑方法，闡述了其作用機理，并通過離心模型試驗技術得到雅安地區過濕冰水堆積土路基的沉降特征及水分遷移特性.在填料改良方面，唐京京[9]先后進行了冰水堆積土路基填料的物理改良研究，通過泰勒曲線對填料的壓實性能進行評價，根據原狀土的級配曲線和修改曲線之間的差異，定量改善填料的級配從而優化其壓實性能.祝敏剛等[10]對綿陽地區冰水堆積土進行了石灰改性研究，通過試驗驗證其改良效果，得到綿陽地區冰水堆積土改良的最優摻灰比.

本文以蒲都高速TJ-8標路基工程項目為依托，通過室內試驗和理論分析，對生石灰改良過濕冰水堆積土的物理性質、工程與力學特性進行分析研究，解決本項目的工程問題，并為過濕冰水堆積土路基填料的路基設計與施工提供參考.

1 試驗材料與方法

在挖方段現場取樣，土樣含水率與卵礫石含量較高，卵礫石間有大量黏性顆粒，部分樁號土樣夾雜粉砂，土樣呈黃(褐)色，可塑性較好.依據試驗規程[11-12]，土工試驗結果見表1.對現場土樣和生石灰摻比(質量比)為3%，4%，6%的改良土進行試驗研究.土的液塑限能反應土顆粒和水之間相互作用的程度，可間接反映土體的工程性質.通過試驗對土樣改良前后的液限、塑限、塑性指數的變化情況進行研究.本試驗采用液限和塑限聯合測定法測定土的液限和塑限，進而對土體類別進行劃分，計算天然稠度(ωc)和塑性指數(IP).為保證路基填筑質量，必須對填料的壓實特性進行分析研究.通過擊實試驗(重型擊實， II-2)得到路基填料的最大干密度和最佳含水率.通過加州承載比(CBR)試驗得到土體的強度指標.

表1 原材料取樣及土工試驗結果

2 試驗結果及討論

2.1 界限含水率變化

根據試驗結果可將土分為兩類：低液限粘土(CL)和低液限粘土(CH).分別取代表性樁號K377+320和K381+240土樣進行生石灰摻和后的界限含水率試驗，結果見圖1.生石灰改良土的界限含水率試驗結果見表2.在土體中摻入生石灰后，生石灰與土體發生一系列物理化學作用.在土中加入石灰后發生離子交換作用，形成CaCO3，MgCO3等結晶體，使得土顆粒發生凝聚團粒化.土粒比表面積減小，結合力增大.由圖1可知，摻入生石灰改良后，兩樁號土體的塑性指數均降低，且對K377+320樁號土樣降低效果較為顯著.隨著摻灰比的不斷升高，改良土的液限值接近平穩，塑性指數的減小由其塑限值的升高所致.可見，在土中加入一定量的生石灰，可以降低土的塑性，減弱其親水性，從而使土的工程性質得到改善.

a) K377+320 b) K381+240

表2 界限含水率試驗結果匯總

2.2 擊實特性

摻入生石灰后，土的最佳含水率升高且最大干密度降低.這主要是由于摻入生石灰拌和后，土中的細小顆粒發生凝結和凝聚，土體結構發生改變，形成較大顆粒，影響土體的壓實性能.土中部分水分在水化反應中消耗,自由水含量降低，水膜厚度減小，其對土粒間的摩擦力降低作用減小.試驗結果：摻灰率為0，3%，4%和6%時，①對于K377+320，最佳含水率(%)/最大干密度(g/cm3)分別為16.90/1.793，17.80/1.714，18.60/1.720，19.50/1.751；②對于K381+240，二者分別為15.10/1.782，15.40/1.766，17.00/1.724，17.00/1.700.摻和生石灰改良后，土的最佳含水率升高，最大干密度降低.對于不同樁號的土樣，隨摻灰比的提升，其擊實特性的變化規律又有所差異.對于K377+320樁號土樣，隨著摻灰比的增大，改良土最佳含水率逐步升高，但最大干密度的降低效果逐漸減弱；對于K381+240樁號土樣，隨著摻灰比的增大，改良土的最大干密度逐步降低，但最佳含水率的提升效果無明顯增強.

2.3 強度特性

為研究生石灰改良冰水堆積土的強度特性及其影響因素，對三種摻和比下(3%，4%，6%)的生石灰改良土進行承載比試驗，試驗結果見圖2.

a)壓實度

b)吸水率

c)實測膨脹率

d)實測CBR

對于同一土樣，當摻灰比確定時，隨著擊實功的增大，改良土的壓實度增大，土體的強度(CBR值)也隨之提高；且隨著摻灰比的提升，改良土的強度值亦不斷提升.在路基的填筑施工過程中，可通過控制壓實度來確保改良土的強度特性；對于同一土樣，在相同的擊實功下，隨著生石灰摻和比的提升，改良土的吸水量和膨脹率不斷減小，土體強度逐步提高.摻灰比的增大使生石灰在土中吸水、膨脹、發熱效果得到提升，使土體進一步擠密、脫水，提高土體密實度.摻和比的提升，使得改良土土顆粒間的凝聚與團?；饔玫玫郊訌姡雇馏w形成穩定結構.此外，結晶膠凝硬化作用隨著摻灰比的增大得到加強，具有水硬性和水穩性膠凝物質增多，在土的團粒外圍形成穩定的保護膜結構，阻止水分進入，土體水穩定性和強度得到提升.

3 施工工藝

生石灰法改良中，生石灰與土體發生系列物理化學反應，降低土體中細小的黏性顆粒的含量，有效降低其塑性、膨脹性和濕陷性，提高可壓實性；摻入生石灰不僅降水效果好，還可以提高細粒土的強度.與其他傳統的化學改良方法相比，生石灰改良具有較多優點.如在相同的配合比下，與熟石灰、粉煤灰和“二灰”(熟石灰加粉煤灰)相比，生石灰的降水效果更優且短時間內降水效果顯著；與水泥相比，生石灰在降低土體塑性指數方面效果明顯，且水泥的成分較為復雜，相應的水化反應較為復雜，可控性差，而且改良成本較高.本次需進行改良的過濕冰水堆積土具有高液限和天然含水率的特性，改良的首要目的是快速降低其天然含水率，滿足路基填筑壓實要求.此外，土中含有大量卵礫石，此時水泥改良對土體強度的提高效果不明顯，且經濟性較差.因此，本次改良采用生石灰法.同時，生石灰改良的不易拌和的缺點不可忽視，為充分發揮生石灰改良的效果，需進一步改良路基填料的拌和與施工工藝.

采用生石灰改良過濕冰水堆積土進行路基填筑，其主要工藝包括路基填料的制備與現場路基填筑施工.對于路基填料的制備，其重點與難點在于如何將生石灰與過濕冰水堆積土拌和均勻，得到高質量的生石灰改良土；在路基填筑階段，首先按照設計要求厚度將填料攤鋪均勻，后根據可用機械設備的類型和數量，制定科學的方法進行碾壓施工.

3.1 路基填料制備

1) 取土場場地平整 采用挖機對拌和生石灰所需場地進行清理與平整.

2) 鋪設生石灰 采用4%摻和比(質量比)進行定量摻配，確定1 m3(1 m×1 m×1 m)的土體所需摻灰厚度H0(底面積1 m×1 m)，以生石灰的厚度為控制參數進行定量撒布.取土場過濕冰水堆積土按照固定深度1 m進行開挖，生石灰攤鋪厚度H0.此法不僅可以對生石灰摻量就行有效控制，還可以提高摻灰土的制備速率.此外還對灰劑量及含水量進行檢測,原材料的含水量檢測周期為1天，根據實驗數據調整原材料的進料數量.為便于路基壓實，盡量控制改良土含水率大于其最佳含水率1%～2%.

3) 拌和 采用挖掘機進行初次翻拌，此次拌和使生石灰和土充分均勻，拌和好的灰土應色澤均勻，無離析、成團塊現象.拌和均勻后，進行悶料處理.

4) 運輸 改良土在拌和場拌和并完成悶料處理，經檢測合格后，由挖掘機裝車，以自卸汽車運至現場進行攤鋪.

3.2 路基填筑施工

1) 攤鋪 首先在將要填筑區段，畫上網格，網格尺寸采用6 m×10 m(也可根據實際情況調整尺寸)，每個網格卸載18 m3土.后采用挖機進行翻拌，推土機進行攤鋪，攤鋪厚度應滿足設計要求.攤鋪生石灰后，表面應無留白，測量生石灰的松鋪厚度并根據改良土的含水率和干密度對摻灰量進行校核.

2) 壓實 將填料分層均勻攤鋪，首先用鏟車推土機粗平，然后平地機精平，精平和粗平過程中形成2%左右的路拱，采用振動壓路機進行碾壓.碾壓時由路基兩側向中間，由低向高進行碾壓，前后兩次輪跡需重疊1 m或大于半個輪跡，做到無漏壓、無死角、壓實均勻；振動壓路機運行速度3～5 km/h，先慢后快，逐步提高；碾壓控制按靜碾壓1遍(穩壓)+振動碾壓(弱振2遍、強振2遍)+靜碾壓1遍(收光)的碾壓方法進行施工；壓路機一進一退計為壓實一遍，靜壓開始后，如有凸凹不平現象，必須配合人工找平處理，保證壓實均勻.注意碾壓時保持速度一致，不得中途轉向.第一遍穩壓時不帶振，待基本壓實后用高振幅低頻率振動碾壓，待壓路機有反彈現象時，改用低振幅高頻率碾壓，直到碾壓后無明顯輪跡為止.試驗段路基填筑時填料分層攤鋪，分層碾壓，當層碾壓完畢驗收合格后方可進行下一層連續填筑施工.

4 結 論

1) 過濕冰水堆積土無法直接用于路基填筑.頻繁降雨使冰水堆積土長期處于富水過濕狀態，非雨季的含水率為其最佳含水率的兩倍以上，造成路基填筑施工困難，無法滿足碾壓要求.

2) 摻生石灰能夠有效改善過濕冰水堆積土的塑性.過濕冰水堆積土液限值和塑性指數較高，親水性較強.摻和生石灰改良后，過濕冰水堆積土的塑性指數降低50%以上，有效降低其親水性.

3) 摻生石灰能夠有效改善過濕冰水堆積土的壓實特性.摻和生石灰改良后，土的最佳含水率增大超10%，最大干密度降低.對于不同土質，隨著摻灰比的增大，最佳含水率和最大干密度的變化規律有所不同.

4) 摻生石灰能有效提高過濕冰水堆積土的強度.在一定的壓實功下，隨著摻灰比的提高，生石灰冰水堆積土的實測CBR值增大，土體強度增強，但CBR值得增長速率隨著石灰摻入量的增大而減小.在最小擊實功能和最低摻灰比條件下CBR值仍大于6，且在最低摻灰比下，通過增大擊實功，CBR值亦可達到9.8，滿足現有規范要求.

5) 生石灰摻和比存在最優值.不同地區的過濕冰水堆積土其工程性質存在一定的差異性，過濕冰水堆積土的生石灰改良，在技術可行和經濟節約的原則下存在最佳摻灰比，可達到最優的工程效果.不能盲目增大和減小摻灰比，對于不同土質應在試驗驗證的基礎上，綜合考慮具體工程條件，確定合理摻灰比.