高液限土改良填筑施工工藝及質量控制研究

程濤，楊斌，孫學軍，洪寶寧

（1.安徽建工集團股份有限公司，安徽 合肥 230001；2.河海大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210098）

安徽皖南山區分布著大量的高液限粘土，由于這些土具有細顆粒含量大、含水率高、CBR值小等不良特性，造成直接填筑的路基出現不均勻沉降、開裂、滑坡等影響公路安全使用的問題[1]。因此需摻料改良，目前國內多采用摻石灰的改良填筑工藝[2]。其具體施工流程可分成以下幾個步驟：施工準備、基地處理、粉碎拌合、攤鋪、填料精平、分層碾壓、質量檢測、整平養生等。在高液限粘土路堤填筑中，質量控制內容有：壓實含水率差、松鋪厚度等；而檢測時除進行平整度、壓實度等常規檢測項目外，還需進行摻灰量、空氣率檢測。以使得填筑質量達到規范要求。

1 作用機理研究

石灰改良高液限土是在土中摻入適量石灰，使石灰與土發生吸水、膨脹、發熱、陽離子交換、結晶膠凝硬化等作用，使土的性質得到根本性改善，其主要作用機理如下。

1.1 吸水、膨脹、發熱作用

生石灰在土中吸水消解中可放出大量熱能（每克釋放6.48×104J），同時伴著膨脹現象，可以使土體進一步擠密、脫水，改善高液限土的“三高”特征，提高土體密實度。另外，剛消解的石灰呈膠狀，其中的氫氧化鈣活性和溶解度均較高，能保證石灰與土中膠粒更好地作用，因而，采用磨細的生石灰穩定土的效果優于熟石灰。

1.2 陽離子交換作用

土中微小顆粒一般帶有負電荷且具有一定膠體性質，表面吸附著一定數量的鈉、氫、鉀等低價陽離子。石灰是一種強電解質，在土中加入石灰后游離出陽離子 Ca2+、Mg2+和土體中的陽離子 Na+、K+、H+等發生交換作用，形成CaCO3、MgCO3等結晶體，使土顆粒間相互吸引而凝聚團粒化。由于土粒比表面積減小，結合力大，因而粒化形成的顆粒結合形成團粒結構進而形成穩定結構，達到改良土體目的。

1.3 結晶膠凝硬化作用

生石灰摻入土中的反應受到水分、粘土礦物含量和CO2含量等因素限制，實際產生的離解、化學反應僅有少部分，絕大部分飽和的Ca(OH)2在灰土中自行結晶，發生的化學反應如下：

由于結晶作用，Ca(OH)2由膠體逐漸成為晶體。這種晶體能夠相互結合，并與土粒結合起形成共晶體，把土粒膠體結成晶體。在進行離子交換反應的后期，粘性土中的硅膠、鋁膠將與石灰進一步反應形成含水硅酸鈣（CaSiO2·nH2O）、鋁酸鈣（CaAl2O3·nH2O）。這種凝膠物質是一種水穩性良好的結合料，具有水硬性，能在土的團粒外圍形成一層穩定的保護膜，阻止水分進入，是石灰土獲得強度和水穩性的重要因素。

2 施工流程

用石灰改良高液限粘土填料進行路基填筑可采用“三階段、四區段、九流程”的施工流程開展施工[3]。具體見上圖所示。

①施工準備：將摻料石灰通過消解、過篩程序，并將殘余物處理，做好現場環境保護工作。

施工工藝流程圖

②基地處理：清除填筑基層表面的雜物，并平整和碾壓后，做好臨時排水措施，經檢驗承載力合格后方可填土施工。

③粉碎拌合：清除高液限土中石塊及樹根等雜物，經檢測土體含水率合格后與一定配比的石灰一共倒入碎土機倉斗中進行粉碎，并人工配合清理篩余物，定時檢測含灰率。

④攤鋪：根據車容量和松鋪厚度計算堆土間距，填筑的松鋪厚度宜為20～30cm，填筑時路基兩側宜各加寬50cm左右。

⑤填料精平：先推土機初平，接著壓路機靜壓或弱壓一遍，再用平地機精平。

⑥分層碾壓：控制填料含水率較最佳含水率大一到二個百分點，碾壓應先兩側后中間，先慢后快，先輕壓靜壓后重壓，兩輪跡搭接寬度一般不小于40cm。

⑦質量檢驗：應分層檢測填土壓實質量及含灰率，地基系數采用K30承載試驗進行檢測。

⑧整平養生：經整平、檢驗合格后方可進行下一層施工，若攤鋪的改良土當天不能碾壓完必須采用灑水或用草袋覆蓋方法保濕養生。

3 施工質量控制

在高液限土路堤填筑中，施工的質量控制內容應包括碾壓前的壓實含水率差、松鋪厚度等檢測。

3.1 壓實含水率差控制

高液限粘土中細顆粒含量較大、親水性礦物成分較高，加上高液限粘土廣泛分布于我國多雨的南方地區，造成土體的含水率普遍較大。若將高液限粘土作為路基填料時，較大的含水率造成碾壓時易出現“彈簧土”現象，填筑質量不能滿足規范要求[4]，由此可見，土體含水率對壓實質量影響很大。因此通過試驗和理論分析找到壓實時的含水率范圍對指導現場施工非常重要。

為合理控制碾壓時的含水率，一般將土體的含水率與最優含水率的差值定義為壓實含水率差。其中土體的最優含水率可由擊實試驗獲得，而土體的含水率可通過燃燒法、烘干法獲得。為確保填筑質量，摻灰改良高液限粘土碾壓時的壓實含水率差控制為：-2%～+6%。若不滿足要求，可通過碾壓或適提高摻灰比例來降低含水率，從而保證碾壓效果。

3.2 松鋪厚度控制

研究表明：當填筑層厚度較薄時所得松鋪系數（碾壓后厚度與松鋪厚度的比值）較小，填筑層厚度較厚（40cm）時很難確保拌和均勻，拌和三遍后還常見素土帶。因此，松鋪厚度不應大于40cm。當松鋪厚度為25cm時，壓實效果最好。但松鋪厚度太小會增大施工工作量，不經濟。因此，松鋪厚度宜為25～30cm，松鋪系數應為1.1～1.2。

4 施工質量檢測指標

在高液限粘土填筑路基中，除進行平整度、壓實度等常規路基填筑質量檢測項目外，考慮到高液限粘土的水穩定性較差的不良工程性質，還需進行摻灰量、空氣率檢測。

4.1 摻灰量檢測

施工時經常會發現灰劑量不能滿足設計要求，而實際石灰用量卻遠大于設計量，為保證工程質量不得不返工處治，從而影響施工進度，造成不必要經濟損失。在實際工程中，灰劑量對干密度的影響較大，而干密度是現行規范控制路基壓實度的主要指標。因此，準確的現場灰劑量測量方法對指導施工具有重要意義。在高液限粘土填筑路堤施工中，摻灰量檢測方法有ETDA滴定法、直讀式測鈣法等。

4.2 空氣率檢測

在高液限粘土路堤施工中，空氣率檢測主要用于碾壓后填料填筑質量的評定，檢測結果與壓實度檢測結果構成高液限粘土路堤填筑質量的雙控指標。當壓實度檢測采用灌砂法時，空氣率檢測可與其同步進行。

其檢測原理：土的壓實過程，就是采取措施使單位體積土體內的空氣和水排出，固體顆粒數量增加，孔隙率減小的過程。由于孔隙中含有水和空氣，不宜將孔隙率作為填料填筑質量的控制指標[5]。而空氣率（土體中空氣的體積占總體積的百分比）能很好地反應土體單位體積內固體顆粒的數量，故能作評價填料填筑質量的控制指標。其檢測步驟為：

①將現場壓實度檢測試坑中的填料用塑料袋裝好，作為室內進行干密度、比重、含水率試驗的試樣。

②按《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）的試驗步驟進行填料的干密度、比重、含水率試驗，并獲取相應的試驗值。

③空氣率檢測值由下式計算得到：

式中：va為空氣率；ρd為現場3次測得填料干密度的平均值；Gs為現場填料的比重；ω為現場填料的含水率；ρw為4℃水的密度，工程上取為1g/cm3。

高液限粘土摻生石灰改良填筑時的空氣率控制標準為：4≤va≤8。

5 結論

①采用場拌法進行石灰改良高液限土路基填筑時可采用“三階段、四區段、九流程”的施工流程。

②高液限粘土路堤填筑碾壓前的壓實含水率差應控制為：-2%～+6%；松鋪厚度宜為在25～30cm之間，松鋪系數應為1.1～1.2范圍內；空氣率控制標準為：4≤va≤8。

③在高液限粘土填筑路基中，除進行平整度、壓實度等常規路基填筑質量檢測項目外，還需進行摻灰量、空氣率檢測。