機場場道工程石灰改良膨脹土填筑道床施工技術研究

伊軍鋒

(北京鼎瀚中航建設有限公司，北京 102300)

1 膨脹土相關研究概述

膨脹土的問題是在20世紀30年代后期的時候，才被受到關注的，在1930年時，美國人發現他們的鑲磚住房出現了磚層開裂的情況，當時的時候，他們并沒有過多地關注這個問題，只是淺顯的將問題原因歸咎于施工問題上，直到1938年時，美國開墾局在奧勒岡州歐維西的一個鋼制吸管基礎工程施工中，他們才對膨脹土有了初步的認識，從那時開始，工程人員才開始對結構物的損壞問題進行研究。研究中，他們發現，除了沉降問題之外，可能還會有其他的原因影響結構物的施工質量。為了有效降低膨脹土帶來的危害，節省膨脹土給建筑帶來的資金消耗，對膨脹土進行改良，增加其土體的強度與穩定性，防止由于膨脹土變形導致的上部結構損害問題的出現，對膨脹土改良的課題研究是十分關鍵的，這也是確保膨脹土地基上部結構完整性與安全性的一個有效措施。本文在分析膨脹土特性的基礎之上，提出在機場場道工程施工過程中，如何通過運用石灰來對膨脹土進行改良，以滿足道床施工填筑對土體強度的要求。

2 膨脹土的特點

目前已知的膨脹土分布國家與地區大約有40多個，遍布全世界，其中亞洲、美洲、非洲幾個國家的分布最為普遍并且面積最廣。我國的膨脹土面積是世界上面積最大的國家，并且也是膨脹土地質成因類型最為繁雜的一個國家，我國的膨脹土具有這些特點。

1)脹縮性。根據土質學的理論分析中我們可以知道，膨脹土的親水性十分好，并且只要與水產生接觸，其體積就會大大增加，土體的濕度也會隨之提升很多。膨脹土在吸水膨脹之后，如果在土體膨脹的過程中受到外力作用的阻礙就會產生膨脹力，造成路面凸起，而在膨脹土中的水分流失之后，土體的體積就會收縮，土體會出現開裂的問題，路面也會隨之下沉。膨脹土表現出的脹縮性與其他黏土所表現出的脹縮性有一定的差異。在土體反復膨脹收縮的過程中，土體的凝聚力會逐漸下降，土體的強度也會越來越弱。

2)超固結性。超固結性也是膨脹土的一個重要特征，膨脹土的超固結性特征會導致土體出現較多的細小天然孔隙，土體的干密度也會變大，土體最初的時候會表現出具有較高強度的特點，具有超固結性的膨脹土在進行路基開挖之后土體的超固結應力就會被釋放掉，這時開挖路基的邊坡就會出現膨脹損壞的現象。

3)崩解性。崩解性是在膨脹土吸水膨脹之后出現的一種濕化現象，不同類型的膨脹土所表現出來的崩解性也會有所差異，強膨脹土在浸水之后，幾分鐘的時間內就會被完全地崩解掉，而弱膨脹土在浸水之后，可能會經過很長的時間才會出現崩解的情況，并且也不會被完全崩解。

4)裂隙性。多裂隙性是膨脹土的一個突出特點，由多裂隙性結構構成的膨脹土體，會產生復雜的物理力學效應，影響膨脹土的強度，導致工程地質性質被惡化，膨脹土中的裂縫主要分為幾種類型，有垂直、水平、斜交這三種，這些裂縫會將土體分割成幾何形狀的塊體，使土體無法保持完整性。

5)強度衰減性。膨脹土的抗剪強度極易產生變動，并且變動的幅度也十分大，土體具有的超固結性特征，導致土體在初期的時候表現出的強度十分高，但是隨著時間的慢慢推移，土體會受到風化作用以及脹縮性的影響，其抗剪強度會被大大削弱。強度削弱的速度以及頻率與土體中物質的構成以及結構形態等有關，并且還與風化作用等的強度有一定的關系。

6)風化特性。膨脹土會受到氣候環境因素的干擾，出現風化的問題，在土體開挖之后，部分的土體暴露在空氣中，空氣中的一些物質會對土體產生風化作用，使其出現碎裂、泥化等狀況，造成土體結構損壞，影響土體結構的強度。膨脹土風化作用的強度可以劃分為三個等級，分別是強、中、弱，在地表或者是邊坡的表層，由于受到大氣以及一些生物作用的影響，膨脹土的干濕變化速度較快，土體會出現碎裂的情況，結構的連結性也會被完全破壞，該程度破壞作用的土體厚度為1～1.5 m。在微風化層部分，大氣與生物對土體產生的風化作用已經有所下降，干濕變化速度也逐漸緩慢，土體基本能夠維持原有狀態，該程度破壞作用的土體厚度為1 m。弱風化層，該部分的土體結構在地表的淺層部位，在該部位大氣與生物對土體產生的破壞作用已經有了明顯的改善，但是總體而言，破壞的強度還是較大的，干濕變化程度也是比較顯著的，土體大多呈現為碎塊形狀，結構連結功能已經基本喪失。

7)分布廣，類型多。目前我國已知的有20多個省，已經被發現有膨脹土，其中安徽、云南、廣西、四川、河南等地的膨脹土問題最為突出。并且膨脹土的成因也十分的復雜，比如有沉積型的、有殘積型的也有巖溶侵蝕之后所形成的等，這些問題的分布都十分的廣泛。膨脹土施工問題不僅與土質問題有關，并且與土的成因以及年代以及歷史發展都有很大的關系。

3 膨脹土的危害

我國由于膨脹土地基所導致的建筑損壞面積已經達到了1 000萬m2，尤其是對鐵路、公路、機場等基礎設施造成的危害極其嚴重。就拿江蘇省來說，江蘇省每年消耗在膨脹土路面維修上的資金不計其數，對工程結構造成危害主要有以下幾個方面。

沉陷變形。在施工初期的時候，膨脹土土體所表現出來的結構強度十分高，在對其進行粉碎壓實施工時，難度也十分大，在土體開挖施工結束之后，由于土體結構暴露在大氣環境中，大氣環境中的一些物質會對土體產生影響，比如風化作用、濕脹干縮反應等，會導致土體崩解、裂縫，在結構物受到荷載作用的情況下，建筑結構會出現不均勻的沉降問題，路堤的高度越高，那么出現沉降現象的沉陷量就會越大，表面的變形程度就會越明顯。

1)滑坡。滑坡具有弧形特征，受到土體裂縫的影響，滑坡的形式主要呈現為牽引式，一般呈現滑坡的厚度大約為1～3 m，大多數情況下，不會超過6 m，滑坡與大氣風化作用以及土體的類型、結構的緊密性等有關，與邊坡的高度并沒什么聯系。

2)溜塌。邊坡的表層部位以及強風化層內部的土體吸水過多，在重力和滲透壓力的作用力影響之下，邊坡表面會產生一種向下流動的溜塌，這種問題在雨季的時候比較容易發生，與邊坡的坡度并沒有關聯。

3)縱裂。路肩部常因機械碾壓不到，填土達不到要求的密實度，后期沉降量相對較大，加之路肩臨空，對大氣風化作用特別敏感，干濕交替頻繁，肩部土體收縮遠大于堤身，故在路肩上常發生順路線方向的開裂，形成數十米至上百米的張開裂縫，縫寬約2～4 m,大多距路肩外緣0.5～1.0 m。

4)坍肩。路堤肩部土體壓實不夠，又處于兩面臨空部位，易受風化作用影響而導致強度衰減。當有雨水滲入時，特別是當有路肩縱向裂縫出現時，在汽車動荷載作用下，很容易發生路肩坍塌。塌壁高多在1.0 m以內，嚴重者可大于1.0 m，常發生在雨季。

4 機場場道道床填筑中膨脹土的改良

對于膨脹土的機場場道道床填筑施工來說，對膨脹土的脹縮性以及穩定性進行控制處理，是確保工程施工質量的一個關鍵內容，石灰土的使用可以有效改善膨脹土的含水量界限以及土塊尺寸、脹縮性能等，在以后的發展過程中，對于膨脹土的改良處理能夠有進一步的發展，提高機場場道道床填筑施工的質量。

機場場道石灰改良膨脹土道床填筑施工的基本情況。

本文闡述的工程設計要求是，對道槽區范圍內的道床進行膨脹土改良處理，消除其膨脹影響。改良處理運用的方法是利用石灰土對其進行處理，在填方區道床范圍0.8 m采用石灰土填筑，在挖方區超挖出0.8 m，并用石灰來對其進行改良。改良處理的范圍為新建道肩邊線以外延伸2 m以內的區域。改良的參數為：石灰改良處理的深度為道床厚度0.8 m，分3層填筑；采用的石灰原材料是等級為Ⅲ級以上的生石灰粉，如果采用的是含有鈣質成分的生石灰則需要保證氧化鈣、氧化鎂的含量在70%以上，用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTGE51-2009)標準試驗方法來對其進行檢測；通過室內試驗來對最優摻灰量進行確定，試驗得出最佳的摻灰量為70%。

石灰土改良膨脹土的施工方法及操作要點。

石灰改良土拌和方法采用路拌法。

施工流程：土基面驗收→施工放樣→施工取土→運輸→攤鋪→石灰土拌和→整形→碾壓→檢測→養護→驗收

土基面驗收。對已經完成施工的土基，必須要進行驗收，驗收需要參考相關的施工技術規范文件來進行。在驗收合格之后在鋪土前對土基面進行適當灑水并重新復壓。

施工放樣：對機場道槽區域的石灰土施工區域進行測量，做好相應的標記，標出中線和邊線位置，在直線段每40 m需要設置一個樁，在平曲線段每隔20 m設置一個樁，并且要對其進行同步的水平測量，中樁以及邊樁，在測量時需要標記出虛鋪的高度。

施工取土。選取取土場弱、中膨脹土，由專人負責施工用土的選取。采用自卸汽車在最短的時間內將土運輸到施工的場地內。然后再將其堆放到驗收合格的土基面上，在堆放土方之前，應該提前在土基面上進行灑水，使其表面保持濕潤，但是要注意灑水的量，防止土基面出現泥濘的問題。

土方攤鋪。土方攤鋪施工時，采用的施工設備是大型推土機和平地機，推土機粗平，平地機精平，本工程石灰土的設計厚度為0.8 m，需要3層進行施工處理，第一層的厚度計劃為0.27 m，第二次的厚度設計為0.27 m、第三層的厚度設計為0.26 m，根據以往的施工經驗分析，我們需要將第一層與第二層的虛鋪厚度保持在0.32 m左右，而第三層的虛鋪厚度則需要控制在0.31 m左右。

石灰土路拌。①在土方攤鋪初步整平施工完成之后，需要按照實驗室確認的摻灰量進行石灰土撒用量的計算，并將撒用量錄入到XKC163石灰灑布機車載系統中，用石灰撒布車進行生石灰的摻撒。②在石灰土摻撒完成之后，用徐工WR550石灰土拌合機對其進行拌和施工，拌和的遍數一般在一到兩遍，在對石灰土進行拌和施工時，需要安排施工人員用摟耙進行人工篩選，將尺寸過大的顆粒曬選出來。③盡量控制拌和機，減小拌和機在原地轉向的次數，確保道床表面的平整性。④在拌和結束后，如混合料的含水量不足，灑水車補充灑水。灑水后，應再次拌和，使水分在混合料中分布均勻。灑水及拌和過程中，應及時檢查混合料的含水量，含水量宜略大于最佳值。⑤混合料拌和均勻后應色澤一致，沒有灰條、灰團和花面，且水分合適和均勻。

整形。混合料拌和均勻后，應立即用平地機整形。在直線段，平地機由兩側向槽中線進行刮平；在曲線段，平地機由內側向中心進行刮平。用22 t壓路機在初平的區域上快速碾壓1～2遍，以暴露潛在的不平整。對于局部低洼處，應用齒耙將其表層50 mm以上耙松，并將新拌的混合料鋪入用平地機進行找平。嚴禁用薄層貼補法進行找平。

碾壓。整形后，當混合料的含水量為最佳含水量時立即用22 t壓路機在結構層全寬范圍內進行碾壓。首先22 t振動壓路機振動碾壓4遍，然后26 t壓路機振動碾壓2遍。壓路機的碾壓速度，頭兩遍宜采用1.5～1.7 km/h為宜，以后宜采用2.0～2.5 km/h。碾壓后進行壓實度檢測，當天施工的作業面應當日碾壓合格。為保證石灰土層表面不受損壞，嚴禁壓路機在已完成的或正在碾壓的地段上掉頭或急剎車。碾壓過程中，如有“彈簧”、松散、起皮等現象，應及時翻開，加適量的石灰重新拌和或用其他方法處理，使其達到質量要求。

養生與交通管制。石灰土層碾壓完成并經壓實度檢查合格后，應即開始養生。養生期7天，整個養生期間應始終保持穩定土表面潮濕，但不應過濕或忽干忽濕。在養生期間，除灑水車外，不準其他車輛行駛。

檢測。采用灌砂法進行壓實度檢測，檢測結果均大于等于96%；施工過程中隨時采用EDTA二鈉標準液滴定石灰劑量，均大于等于7%；7天自由膨脹率均小于10%；在0.8m厚石灰土層頂進行現場承載板試驗，道基反應模量均大于60 mn/m3。

5 結束語

1)采用國產專用路拌設備改良膨脹土填筑的機場場道道床完全能夠滿足設計及規范要求。

2)拌和過程中，尤其要加強含水量的控制，當含水量接近最佳含水量時，碾壓效果越好，壓實指標越能達到要求。灑水車配置足夠，我們采用在拌和機和灑水車之間加裝了一根連接桿，充分利用拌和機的自吸泵裝置，直接通過連接水管將水車的水自吸至拌和機刀頭，在灰土拌和中加水拌和，效果較好。

3)由于采用的是生石灰，拌和完成后放置4～5 h，可使生石灰充分消解，有利于含水量及壓實度控制。

4)拌和機速度控制在5 m/min,充分拌合一遍后，拌和深度能滿足施工要求。均勻性經外觀觀測無夾灰層和夾土層現象，混合料色澤一致，無灰條、灰團和花面。經現場取樣實際取上、中、下三層進行灰劑量檢測，均勻性基本符合要求。

5)根據試驗段施工，一臺路拌機的每天實際工作效率在5 000 m2左右，考慮到各種機械的合理搭配，一臺灰土撒布機配合二臺路拌機和三臺水車施工，能滿足每天10 000 m2的工作效率，各種機械搭配較為合理。

經過沉降觀測，道床沉降滿足設計要求，能夠進行后期水穩基層和面層施工。工程實踐證明，石灰改良膨脹土在機場場道施工中可作為填料使用，通過試驗段施工，采取有效措施，嚴格施工控制，施工質量能夠滿足設計和規范要求，是改良弱、中膨脹土切實可行的方法，既提高了生產效率，同時又有效地降低了工程造價，現已在機場場道工程中較多使用。

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