湖區堤頂公路吹砂填筑穩定性試驗研究及現場監測

胡 濤，劉 文

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410205)

湖區堤頂水量豐富，吹填砂的強度高、水穩定性好，非常適宜于吹砂填筑處理地基。但考慮到砂粒粘聚力不強，砂粒形成的結構較為松散，對吹砂填筑形成的邊坡穩定性會造成一定影響，因此在吹砂填筑設計時必須考慮邊坡穩定性問題。在吹砂填筑中，單獨使用砂不能滿足要求，常采用穩定劑將其固化來提高結構整體穩定性[1-2]。目前，淤泥軟土穩定劑的種類很多，如膠凝材料、無機材料等，不同材料的穩定效果不一致，采用何種材料進行適配是進行吹砂填筑試驗的關鍵問題。通過現場適配試驗研發出技術可行、經濟合理、使用性能較好的穩定劑是吹砂填筑施工的關鍵。目前，國內關于吹砂填筑的穩定性研究較多，但對穩定劑種類研究較少，李戰國等[3]進行了6種穩定劑下的吹填砂穩定材料固化試驗研究，確定了最佳穩定劑材料種類，但其研究成果具有局限性，不能完全適用于各種類型的吹砂填筑。實踐證實了一些穩定劑難以達到預期穩定效果，雖然部分離子穩定劑對穩定軟土具有較好效果，但價格普遍較高，不適推廣運用。本文分析對象為某湖區堤頂公路，其吹填砂含量大，水源豐富，為獲得最佳穩定效果，選擇多種穩定劑進行試驗，通過設置不同材料配比獲得最適宜于該項目地區的穩定劑。

1 試驗材料及內容

以某湖區堤頂公路所在區域K1+170～K1+320路段的原材料作為本文試驗材料。吹砂填筑路基施工最主要內容為砂源選定，對選定的砂源取樣進行CBR值試驗、擊實和含泥量試驗。

項目線路主要為填方路基，多在原有河堤左側開挖后吹填河砂加寬，加寬區段的河砂為新近吹填，砂粒粒徑很小，為粉砂，均含少量粘粒，狀態松散，厚度較大(一般厚約3.5～5.5 m)，物理力學性質較差，承載力低。

1.1 砂及淤泥

砂和淤泥的各項技術指標見表1。

表1 吹填砂和淤泥的物理及化學性能指標試驗結果原材料天然含水率/%天然密度/(g·cm-3)比重干密度范圍/(g·cm-3)孔隙比液限/%塑限/%pH值吹填砂5.92—2.671.35～1.640.63～1.03——9.5淤泥65.31.32——1.524112.58.3

由表1可知，吹填砂及淤泥的PH值均為堿性，從淤泥的液限、塑限值可判斷其處于流塑狀態。由于項目地區的淤泥烘干后凝成較大硬塊，難以匯出顆粒級配曲線(顆粒級配受人工粉碎程度影響，粉碎程度不大時往往很難測出級配曲線)。對該砂進行篩選，結果表明粒徑在0.075～0.3 mm區間的吹填砂居多，該區間的砂礫質量通過率達到了97%，根據級配屬性可確定屬于不良級配。

1.2 穩定劑

采用7種穩定劑，其中水泥穩定劑作為對比試驗組。試驗穩定劑組成如表2所示。表2中7種穩定劑的粉磨細度均大于350 m2/kg。

表2 穩定劑組成分類類型穩定劑組成W0普通硅酸鹽水泥W1膠凝材料+熟石灰+硫酸鈉+礦渣W2膠凝材料+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇W3膠凝材料+硫酸鹽激發劑+減水劑+礦渣+粉煤灰W4膠凝材料+硫酸鋁+碳酸鈉+尿素+減水劑+有機高分子化合物W5膠凝材料+石膏+有機高分子化合物+熟石灰+減水劑W6膠凝材料+石膏+堿+減水劑+生石灰+礦渣W7水泥熟料+沸石粉+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇+乙烯基樹脂+丙烯酸酯+羧甲基纖維素鈉

1.3 試驗內容

1.3.1獲取最佳吹填砂和淤泥配比

試驗采用W2水泥穩定劑(摻量為6%)，以吹填砂和淤泥比例為研究變量，淤泥和吹填砂比例設置11種，即：1∶0、0.9∶0.1、0.8∶0.2、0.7∶0.3、0.6∶0.4、0.5∶0.5、0.4∶0.6、0.3∶0.7、0.2∶0.8、0.1∶0.9、0∶1。進行研究變量的試驗組合，通過測試試件的7d無側限抗壓強度求得最佳吹填砂和淤泥配比。

1.3.2獲取穩定強度最高的穩定劑

按照表2穩定劑類型進行不同穩定劑下的7 d及28 d無側限抗壓強度。以穩定劑摻量為變量，制作試件進行7 d及28 d下的無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度、水穩性能、凍融性能試驗。由此確定最佳穩定劑摻量組合。

2 試驗結果與分析

試驗中相關試件的物理性能試驗、凍融循環試驗等參考《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)、 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)、 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)進行。

2.1 最佳吹填砂和淤泥配比試驗

采用穩定劑W2，對11種不同比例的泥砂各設置3組試件，進行7 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果取平均值。不同泥砂比例的混合料7 d無側限抗壓強度如表3所示。

表3 不同泥砂比例下的穩定土7 d無側限抗壓強度試驗結果 序號淤泥和吹填砂比例7 d無側限抗壓強度均值/MPa11∶00.3920.9∶0.10.4230.8∶0.20.4640.7∶0.30.5550.6∶0.40.6760.5∶0.50.7870.4∶0.60.8680.3∶0.71.1990.2∶0.80.87100.1∶0.90.25110∶10.33

由表3可知，當泥沙比大于0.3∶0.7時，隨著泥砂比增大，其7 d無側限抗壓強度均值逐漸減少；當泥沙比小于0.3∶0.7時，其7 d無側限抗壓強度均值降低，尤其是泥沙比為0.1∶0.9時，7 d無側限抗壓強度均值最小；全部為砂時，其7 d無側限抗壓強度值僅為0.33 MPa，顯然并非砂含量越大越好，這里選擇淤泥與吹填砂比例為0.3∶0.7，作為后續試驗的泥砂比。

2.2 獲取穩定強度最高的穩定劑試驗

采用0.3∶0.7的泥沙比，進行不同穩定劑試驗(見表2)，穩定劑摻量為7%[3]，每組穩定劑均制作6組試件，獲取試件的7 d及28 d無側限抗壓強度值，試驗值取均值。試驗結果如表4所示。

表4 不同穩定劑試件下的7 d及28 d無側限抗壓強度試驗結果 泥沙比穩定劑無側限抗壓強度/MPa7 d28 dW01.161.66W11.321.83W21.772.180.3∶0.7W31.392.02W40.821.38W50.621.57W60.461.32W71.231.73

由表4可知，在泥砂比相同情況下，不同穩定劑下試件7 d及28 d的無側限抗壓強度值有較大差異，總體來說W2穩定劑下的7 d及28 d無側限抗壓強度值均最大，其次是W3、W1，而W4、W5、W6穩定劑的7 d及28 d無側限抗壓強度值偏小。W7穩定劑下的7 d和28 d無側限抗壓強度值較大，但其組成成分種類多，并不經濟。

表4中7種穩定劑強度差異原因如下：

1)堿性環境下，強度低的穩定劑產生膨脹型水化物。如W4穩定劑混合料產生了Al2(SO4)3組分；W5穩定劑混合料中產生石膏組分等。膨脹型水化產物會破壞凝膠體的強度骨架，從而降低造穩定土的強度。

2)穩定劑自身會產生凝膠量，該凝膠量能顯著影響穩定土的強度，如W6穩定劑中膠凝組分硬化程度相對不高，水化時產生的C-S-H膠凝量也相對較少，而W2穩定劑含有膠凝組分較多，使得該類穩定土強度高。為此，可以從穩定劑材料的本身活性入手來調配穩定土強度，提高穩定劑中高活性膠凝材料含量，控制好膨脹組分及堿組分含量。

2.3 不同穩定劑摻量下的試件物理及力學性能試驗

保持泥砂比不變，研究不同穩定劑摻量對試件7 d及28 d無側限抗壓強度的影響程度。穩定劑選取表2中的W0、W2、W3。試驗結果如圖1所示。

a)7 d無側限抗壓強度

b)28 d無側限抗壓強度

由圖1可知，同一穩定劑下，穩定劑摻量影響試件的強度。隨著穩定劑摻量增加，試件的7d及28d抗壓強度值也逐漸增大，如W3穩定劑摻量為8%的試件，其28 d抗壓強度值是穩定劑摻量為2%的試件的2.69倍。比較同一穩定劑摻量下不同穩定劑種類的無側限抗壓強度試驗結果，發現W2穩定劑的7 d及28 d無側限抗壓強度值均比其他穩定劑類型的強度值要高。其主要原因是W2中C-S-H凝膠劑增多,使試件硬化程度得到較大提高，從而提高了試件整體強度。

2.4 劈裂抗拉強度

保持泥砂比不變，7%穩定劑摻量下的28d劈裂抗拉強度結果如表6所示，各組試件均有3組，取試驗結果的平均值。W0、W2、W3穩定劑下的穩定土的劈裂強度分別為0.55、0.56、0.42 MPa。3種穩定劑的劈裂強度均大于0.4 MPa，滿足《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)中劈裂抗拉強度要求。W2與W0相比，劈裂強度相當，但W3穩定劑下的試件劈裂強度相對于W0值下降了23.6%。

2.5 水穩性能試驗

保持泥砂比不變，7%穩定劑摻量下水穩定性試驗(28 d標養干濕循環試驗)結果如表5所示。

表5 干濕循環試驗結果穩定劑吸水率/%循環試驗后的試件抗壓強度/MPa未干濕循環試件抗壓強度/MPa干濕循環后試件抗壓強度變化率/%W03.923.152.8112W23.456.823.5691.6W33.834.193.3126.6

表5展示了3種不同穩定劑下的試件干濕循環試驗結果，3種不同穩定劑導致的干濕循環試驗結果差異性較大。W2穩定劑循環試驗后的試件抗壓強度值最大，抗壓強度變化率最大，效果最佳。穩定土吸水率影響試件強度，呈現出負相關關系，即吸水率越高，抗壓強度越低。如W2吸水率為3.45%，但強度值為6.82 MPa，顯著高于其他2種穩定劑的強度，吸水率卻最低。其主要原因是W2穩定劑中有聚乙烯醇及聚丙烯酰胺，這類物質較好地提高了土粒間的團聚作用，使其能較好地削弱土粒間的表面能，從而使土粒與水之間的作用減弱，達到增強土粒與膠凝水化物強度目的，整個穩定土的水穩性增強，也是W7穩定劑下穩定土無側限抗壓強度較大的原因之一。

2.6 凍融性能試驗

保持泥砂比不變，7%穩定劑摻量下凍融性試驗結果如表6所示。

表6 凍融試驗結果穩定劑試件質量損失達5%時對應的循環次數凍融循環后試件抗壓強度/MPa未凍融的試件抗壓強度/MPa凍融循環后試件抗壓強度損失率/%W0320.371.7779.1W2370.862.2962.4W3190.252.2188.7

表6中，不同穩定劑摻量下的凍融試驗結果差異性較大，凍融循環后的試件抗壓強度與試件質量損失達到5%時的循環次數均具有較大差異，其中W2穩定劑摻入土層后表現出的結果最佳，如W2試件凍融循環后抗壓強度值為0.86 MPa，顯著高于W3的0.25 MPa，其凍融循環后的強度損失率最低，仍滿足規定填料要求。

3 最佳穩定劑下的吹砂填筑施工現場穩定性監測

吹砂填筑路堤的穩定性監測是必測項目，一般通過對預先設定的邊樁進行水平位移及地表隆起測量數據分析來判斷路堤的穩定性[4-6]。采用W2穩定劑，同時保持淤泥與吹填砂的比例為0.3∶0.7進行試驗段填筑。

試驗段中每隔100 m設定一個觀測斷面，對邊樁進行固定，每個邊樁位置取上、下2個測試點。對一個600 m范圍內的標準段進行觀測，設置4個斷面，不同時間段內進行位移和沉降量觀測，具體測試數據如表7所示。

表7 吹砂填筑地基穩定性測點位移監測結果mm 時間位置測點1測點2測點3測點4水平位移豎向位移水平位移豎向位移水平位移豎向位移水平位移豎向位移30 d上841459114673873328下333732353838291860 d上4269547440472725下272726292921201490 d上3152435829352421下1723232520161210120 d上2832273423221819下11151821181388150 d上122013171113107下611866633累計上196318228329176204112100下105113107116111927262

由表7可知，4個測點的水平位移均比豎向位移小，同一測點的水平位移或豎向位移隨著時間增長位移值逐漸降低，累計到150 d時，30 d內的位移值降低到15 mm以下，路基趨于穩定。其中，測點2的水平及豎向位移值累計量最大。測點2位置不同時間的水平及豎向位移增長曲線如圖2所示，圖2中測點2不同位置處的水平及豎向位移呈現先增大后減少趨勢，在150 d時降低到20 mm以下，小于規定設計值。可見，最佳穩定劑及泥沙比條件下的地基穩定性滿足規定要求。

圖2 測點2在不同時間下的位移量實測值曲線

4 結論

1)采用不同比例的淤泥和吹填砂混合物為基料，當泥砂質量比為0.3∶0.7時，其混合物的7d無側限抗壓強度結果最優。

2)W2穩定劑下的7 d及28 d無側限抗壓強度值最大，穩定效果最佳。其主要組分包括水泥熟料+沸石粉+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇+乙烯基樹脂+丙烯酸酯+羧甲基纖維素鈉。采用W2穩定劑穩定砂土能夠獲得較好的抗壓強度、劈裂抗拉強度、水穩定性及凍融特性。

3)最佳泥沙比及最佳穩定劑下試驗段的長期穩定性滿足要求。