高速公路石灰改良膨脹土路基施工技術的應用研究

張勇

安徽省路橋工程集團有限責任公司 安徽 合肥 230000

引言

膨脹土富含伊利石或蒙脫石等強親水性礦物成分，吸水或失水后容易顯著地產生收縮或者膨脹現象。膨脹土的水穩性或耐久性差，屬于不良土料，通常不能直接用作基礎填料。由于我國膨脹土區域大，對于路基和地基等基礎填筑工程，如果將膨脹土棄之不用會提高經濟成本，因此，目前實際工程通常會對膨脹土進行改良，以滿足地基或路基的建筑要求。對于高速公路來說，路基就是公路工程的最重要構成部分。因此需要在做路基建設的過程當中，一定要確保路基的承受力是能夠保證工程完整進行的，并且要避免出現膨脹土路基的出現。膨脹土路基的壓縮量比較高，并且其強度較低，并不有利于高速公路的工程的穩定性。在項目施行的過程中，需要結合項目地實際情況進行相應的技術改善，并且確保整體的質量得到提升。

1 工程概況

明巢高速公路滁州段全長81.831km，采用雙向四車道設計，設計車速120km/h。路基設計寬度為27m，采用汽車荷載公路-I級設計。公路行車道設計寬度3.75m，特大橋設計洪水頻率1/300，其他橋梁為1/100。該高速公路沿線分布有弱、中等膨脹性的膨脹土，厚度不均勻。路基土樣顏色主要有黃褐色、灰白色、黃色、灰色、灰褐色等，土體內夾雜有較粗的砂粒、碎石，吸水速度快，失水后呈泥巴狀，干燥時呈硬塊狀或鱗片狀，手摸有滑膩感，可塑性好。表層取樣土體硬度高，可塑性好，強度高，可用于填筑路基；下層取樣土體含水量高，壓縮性強，不能直接用于填筑路基。由于膨脹土液限和自由膨脹率均較高，容易產生較大變形，不能直接用于路基填筑。而大量廢棄又會造成借方量增加，不僅會增加工程造價，還會造成環境污染。因此，本項目施工過程中采用石灰改良處治膨脹土，并建立試驗段，開展現場試驗準確確定施工參數[1]。

2 路基膨脹土石灰處治方案

2.1 處治方案

膨脹土處治方案較多，包括石灰改性、三明治互層法、土工合成材料加固法。石灰改性不僅可以改善膨脹土物理力學特性，還可以節約路基填筑材料，降低工程造價。三明治互層法施工工序復雜，且控制不當容易產生橡皮泥現象，降低壓實質量。土工合成材料加固法施工工藝復雜，要耗費大量材料，且存在運輸困難問題。綜合分析后，本項目膨脹土采用石灰改性處治。在整個技術提升的過程當中，采用石灰改良膨脹路的技術是較為常用的方法。為了有效提高路基的承載力，減少膨脹路基所導致的安全問題，石灰改良膨脹土路基的施工技術要確保項目施工的每一個環節得到嚴格的把控。

為了準確確定膨脹土石灰改良處治施工參數，在施工現場鋪筑200m試驗段，試驗段樁號K23+480—K24+480。在不同的施工路段進行取樣，取樣深度1.0～6.0m，并對土樣進行編號，做好樁號、深度等信息的記錄。通過開展室內試驗判斷，膨脹程度試驗結果如表1所示。綜合分析土樣自由膨脹率、塑性指數、標準吸濕含水率3個指標的試驗結果，確定該地區膨脹土為弱、中膨脹土，且膨脹性偏低，總體趨于弱膨脹土的特性，可進行改良以滿足路基填料的要求。

表1 試驗段土樣試驗與判別結果

2.2 最佳摻灰量確定

依據經驗，初步確定膨脹土最佳摻灰量范圍為7%～9%。為準確確定最佳石灰摻量，分別制作摻量為7%、8%、9%的試樣開展CBR試驗、壓實度試驗、脹縮總率試驗，試驗結果如表2～表4所示。

表2 不同摻量改良土樣CBR試驗檢測結果 %

表3 不同摻量路基頂面以下0～30 cm壓實度試驗結果 %

表4 不同摻量改良土樣漲縮總率試驗結果 %

分析試驗結果，3種石灰摻量試樣CBR值均高于80%，且相差不大。不同摻量路基頂面以下0～30cm壓實度試驗結果均達到了96%以上，漲縮總率檢測值也相近，為了防止石灰摻量過大產生縮裂，節約原材料，確定最佳石灰摻量為7%。

2.3 最佳含水率確定

按石灰摻量為7%制作試驗，分別開展室內試驗和室外試驗。室內試驗包括擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，擊實試驗在含水率18%時達到最大干密度，而無側限抗壓強度試驗得到含水率在18%～20%之間時，無側限抗壓強度最大，初步確定最佳含水率為19%。因此，由于室內試驗結果不統一，需結合室外試驗結果分析確定。選擇含水率為16%、17%、18%、19%、20%、21%制作土樣，石灰摻量為7%，開展壓實度、CBR、漲縮總率試驗，檢測結果如表5所示。分析表5數據，含水率在18%左右時，壓實度達到最大值，漲縮總率達到最小值。含水率在19%時，CBR值達到最大。綜合室內試驗和室外試驗檢測結果，確定最佳含水率為18%。到最大值，漲縮總率達到最小值。含水率在19%時，CBR值達到最大。綜合室內試驗和室外試驗檢測結果，確定最佳含水率為18%[2]。

表5 不同含水率試驗結果匯總 %

3 膨脹土石灰處治分析

3.1 膨脹土初始含水率控制

膨脹土的初始含水率對路基石灰處治效果影響較大，為合理確定初始含水率，在控制最佳摻灰量為7%的情況下，取不同含水率的膨脹土樣，對不同齡期土樣的變化情況進行觀察，分析確定各土樣達到最佳含水率18%時所需要的時間，各初始含水率膨脹土樣隨齡期變化曲線如圖1所示。

分析圖1曲線變化情況，可以得出各初始含水率膨脹土樣摻入7%的生石灰后，隨著齡期的增長含水率不斷下降，其中齡期18h之前含水率下降速度相對較快，隨后含水率下降速度放緩。對初始含水率較高的膨脹土，應加以晾曬，以減少養護天數。本項目膨脹土最佳含水量為18%，施工中取變化區間為±2%，分析變化曲線可以得出初始含水率為20%～24%的膨脹土在養生后快速達到16%～20%之間。在施工過程中，應該從膨脹土初始含水率和養護齡期兩個方面控制，保證土體迅速達到最佳含水率附近。本項目膨脹土天然含水率為20.3%～31.6%之間，對20.3%～24%的土體，可直接摻入石灰進行處治；對24%～31.6%的土體，應先進行晾曬，含水率降低到20.3%～24%后再拌入石灰進行施工。

圖1 各初始含水率膨脹土樣隨齡期變化曲線

3.2 路拌遍數控制

采用石灰對膨脹土進行處治，改良后土體的抗剪強度、壓實度等技術參數受灰劑量的影響較大。在現場施工過程中，由于受到機械設備、土層厚度、土樣和路拌遍數的影響，對摻灰量和均勻性會產生很大影響。在采用石灰改良膨脹土路的技術的過程當中，首先要將地基的表層雜物進行清理，并且要做好基本的排水系統，確保地基避免被水分浸泡，并且減少對周邊的環境的影響。采用石灰改良膨脹土路基結構要確保能夠達到項目規定的強度以及緊密度，所以在進行填充的過程當中，采用的石灰和石料的大小必須要盡量是達到項目要求的，確保其填料攪拌是均勻的，這樣才能夠為后面的碾壓路基施工帶來基本的保障。石灰攪和的過程當中，要確保石灰具有良好的均勻度，并且對鈣鎂的含量進行把控，確保石灰質量是符合施工項目的規定的。本項目施工中采用EDTA滴定法檢測不同路拌次數時土樣灰劑量變化情況，分析檢測值的離散情況確定路拌遍數，試驗分析得出路拌遍數5遍以下時，灰劑量檢測EDTA溶液消耗量離散程度較大，說明拌和均勻性較差。路拌遍數超過5遍后，灰劑量檢測值離散程度較小，說明拌和較均勻。在現場施工過程中，應控制路拌遍數不少于5遍，并對灰劑量進行抽檢，確保石灰拌和的均勻性[3]。

3.3 路基壓實度控制

在施工過程中，為避免損壞路基的表層，不能在土層上放置超過地基承載力的重量機械。施工前先按填土厚度、松鋪系數計算出試驗路段的用土量，進場卸土時安排專人指揮車輛倒土、收方計量，并隨時檢測、調整、記錄松鋪厚度。路基壓實度主要受含水率、灰劑量和碾壓遍數等因素影響，上述分析已確定改良土體最佳含水率和最佳灰劑量，本部分主要就碾壓遍數對壓實度的影響進行分析。在充分結合施工現場基本情況的前提下，本項目采用“一次摻灰”拌和法（即按灰劑量要求將全部的石灰一次添加后進行拌和） 確定路基碾壓遍數。

綜上所述，當前在我國高速公路施工中，多數工程項目都需要途經大量膨脹土區域，如果不采取相應的強化處理措施，會直接影響路基應用質量。因此，本文針對高速公路石灰改良膨脹土的施工技術進行研究。