基于承載比試驗下隧道棄渣水泥碎石基層的工程特性研究

摘要：將隧道棄渣用于高速公路基層填筑中，不僅可節(jié)約資源，而且會降低施工成本。且在隧道棄渣碎石中添加一定量水泥，有利于提高棄渣混合料的整體強度。以烏尉高速公路路基試驗段為工程背景，通過承載比試驗，對不同水泥含量及養(yǎng)護時間下隧道棄渣混合料的路用性能進行研究，研究表明：在隧道棄渣中添加水泥能夠有效提高棄渣混合料的強度，當水泥含量大于6%時，CBR值的提升速度減緩，且養(yǎng)護時間越長，強度提高越明顯。在隧道棄渣添加水泥，不僅能夠提高隧道棄渣混合料的強度，還可以降低棄渣混合料的膨脹量，提高混合料抵抗變形的能力。

關鍵詞：隧道棄渣;水泥摻量;養(yǎng)護時間;CBR值;膨脹量

0" "前言

考慮到高速公路修建過程中，往往會遇到隧道工程的開挖，由此導致產(chǎn)生大量的隧道棄渣[1-5]。由于隧道棄渣中顆粒的物理力學特性比較復雜，且隧道棄渣的處理技術還不夠成熟，導致對隧道棄渣的利用率較低。一般會將其堆棄在指定位置作廢棄處理[6-10]。隨著人們對環(huán)保重視程度不斷提高，越來越多的高速公路工程會對隧道棄渣先進行加工，然后將其作為路基填筑材料進行壓實填筑[11-15]。

隧道棄渣主要以碎石土為主，其物理力學性質(zhì)和土石混合填料相似，與一般的細粒土填料有較大差異，主要表現(xiàn)在粘聚力較小、填料顆粒之間空隙大、透水性更好等方面。對隧道棄渣再利用前，需要對其物理力學特性進行研究，因此本文以烏尉高速公路路基試驗段為工程背景，通過承載比試驗，研究不同壓實度及路基深度下隧道棄渣路基的工程特性，以期為相關工程提供一定的參考。

1" "試驗段概況

在利用隧道棄渣作為高速公路的路基填料前，需要通過試驗段，對施工過程的施工工藝、施工參數(shù)及路基壓實質(zhì)量控制標準等進行確定，從而提高整個高速公路施工的質(zhì)量。本次試驗段里程為K118+861～K121+187，試驗段長度約2.2km。將隧道棄渣運輸至路基段，隧道棄渣的風化程度不同，但主要以堅硬巖為主，填料的力學性質(zhì)相對較好。

2" "隧道棄渣的材料特性及質(zhì)量控制

隧道棄渣一般是由隧道爆破產(chǎn)生，其內(nèi)部大顆粒碎石含量較高，和一般的路基填料相比，碎石大顆粒之間的空隙大，從而導致隧道棄渣填料之間的粘聚力小、透水性好，且不易被壓實，碾壓過程中填料破碎率較大。結(jié)合隧道棄渣填料內(nèi)部顆粒的結(jié)構(gòu)形式可知，隧道棄渣的強度主要來源于內(nèi)部碎石顆粒的咬合，因此有必要對隧道棄渣的材料特性及質(zhì)量控制進行研究。

2.1" "隧道棄渣混合料的材料特性

2.1.1" "水泥

在隧道棄渣中添加一定量的水泥，能夠有效彌補隧道棄渣碎石粘聚力較小的不足，進一步提高隧道棄渣混合料的強度。本次試驗選擇普通硅酸鹽水泥，并通過篩分試驗和沸煮法對其細度和初終凝時間進行確定，均滿足規(guī)范要求。試驗所用水泥材料的性質(zhì)如表1所示。由表1可知，試驗所用到的普通硅酸鹽水泥的抗壓強度和抗折強度均滿足規(guī)范要求。

2.1.2" "隧道棄渣混合料

為了增強隧道棄渣和水泥材料之間的粘附力，對隧道棄渣混合料的顆粒級配有一定的要求。對現(xiàn)場隧道棄渣進行破碎篩分處理后，得到的級配曲線如圖1所示。由圖1可知，處理后隧道棄渣混合料的不均勻系數(shù)為20.5，大于5;曲率系數(shù)為2.5，說明處理后隧道棄渣混合料的級配良好，適合用于高速公路路基填筑。

2.2" "隧道棄渣的施工質(zhì)量控制

在實際施工過程中，除了對隧道棄渣混合料的顆粒級配進行控制外，還需要對隧道棄渣混合料本身的強度、生產(chǎn)及驗收等環(huán)節(jié)進行控制。

2.2.1" "原材料質(zhì)量控制

由于隧道圍巖等級不同，所以爆破得到的隧道碎石的強度和破碎程度不一，因此需要對隧道碎石的抗壓強度進行控制，并且安排專人對碎石毛料進行檢查，將不符合外觀要求的隧道碎石剔除。對于部分要求較高的一級碎石，對碎石中的雜物進行清理，確保一級碎石中雜物含量lt;1%。碎石中的軟弱顆粒是影響混合物強度的重要影響因素，應從源頭上合理控制軟弱顆粒含量。

2.2.2" "生產(chǎn)及驗收控制

在對隧道棄渣生產(chǎn)處理過程中，從破碎機機腔開口、篩網(wǎng)孔徑大小和下料角度等方面，對隧道棄渣碎石的粒徑大小和針片狀顆粒含量進行控制。另外，將隧道棄渣混合料中細骨料的含水率控制在6%以內(nèi)，并通過改變篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸大小來進行控制細度模數(shù)。

將生產(chǎn)后的合格隧道棄渣碎石儲存在安全位置，禁止堆積過高及混料。在生產(chǎn)過程中盡量減少轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，避免發(fā)生二次破碎，并對出廠的合格碎石進行級配、石粉含量等參數(shù)進行抽檢。

3" "隧道棄渣碎石路基的承載比試驗

隧道棄渣填料用于高速公路填筑，不僅能夠有效減小棄渣堆積對環(huán)境的污染和土地資源的占用，還可以降低施工成本。由于隧道棄渣碎石填料的料源不唯一，顆粒粒徑差距較大且透水性較好等特點，在對隧道棄渣混合料再利用前，需要對其物理力學特性進行研究。本文通過承載比試驗，對不同水泥摻量和養(yǎng)護時間下隧道棄渣混合料的CBR值和膨脹量進行分析，為基層填筑提供一定數(shù)據(jù)支撐。

3.1" "試驗方案及過程

3.1.1" "試驗方案

在進行隧道棄渣混合中，水泥含量和養(yǎng)護時間是影響隧道棄渣混合料力學特性的主要因素，也是施工拌和過程中易于控制的因素，因此本文主要研究水泥摻量和養(yǎng)護時間對隧道棄渣混合料的CBR值和膨脹量的影響，試驗方案如表2所示。

3.1.2" "承載比試驗

按照表2中的試驗方案，配置不同水泥含量下的隧道棄渣混合料。根據(jù)現(xiàn)場填料的最大粒徑，選擇承載比試筒的內(nèi)徑為15.2cm。將配置好的隧道棄渣混合料分層裝填到承載比試筒，并且分層壓實，保證隧道棄渣試樣和加載板緊密接觸后，開始分級加載。

加載過程中勻速加荷，速度控制在1mm/ min，記錄位移傳感器和應力傳感器上的貫入量和荷載值。當試樣的貫入量為5mm時，停止加載。由公式（1）可以得到，不同工況下隧道棄渣混合料CBR值。

（1）

式中，p為貫入量為5mm時，施加的單位荷載，kPa;

3.2" "試驗結(jié)果分析

不同水泥含量下隧道棄渣的CBR值如圖2所示。

由圖2可知，不同養(yǎng)護時間下，隧道棄渣碎石混合料的承載能力會隨著水泥含量的增加不斷增加。隧道棄渣混合料養(yǎng)護時間為7d時，水泥含量由4%增加到6%過程中，隧道棄渣混合料的CBR值增加了1.3倍，表現(xiàn)為快速增加，繼續(xù)增加水泥含量，隧道棄渣混合料的CBR值增加減慢，水泥含量由6%增加到7%，CBR值增加10%左右。

隧道棄渣混合料養(yǎng)護時間為28d時，隧道棄渣混合料的CBR值均在10%以上，滿足高速公路路基施工規(guī)范。水泥含量由4%增加到6%過程中，隧道棄渣混合料的CBR值增加了0.91倍，表現(xiàn)為快速增加。繼續(xù)增加水泥含量，隧道棄渣混合料的CBR值增加減慢，水泥含量由6%增加到7%，CBR值增加9%左右。

這是因為在養(yǎng)護前期，水泥快速發(fā)生水化反應，和隧道棄渣快速形成混合料強度，CBR值快速增加。隨著水化反應的進行，強度增加緩慢。當水泥含量較高時，隧道棄渣混合料的強度增加不明顯，且水泥材料本身成本較高，因此在實際施工中，應盡量增加隧道棄渣混合料的養(yǎng)護時間，控制水泥摻量在5%～6%左右即可。

不同水泥含量下隧道棄渣混合料的膨脹量如圖3所示。由圖3可知，當養(yǎng)護時間相同時，水泥含量越小，隧道棄渣混合料的最終膨脹量越小，其變化趨勢和CBR值相反[16-20]。這是因為其添加一定量后，隧道棄渣的膨脹變化是緩慢進行的，所以養(yǎng)護時間越長，膨脹量越大。當養(yǎng)護時間為28d時，膨脹量幾乎穩(wěn)定。且水泥含量越大，隧道棄渣混合料顆粒之間的粘聚力越大，抵抗變形的能力也就越強，最終穩(wěn)定下來的膨脹量也越小。

4" "結(jié)論

將隧道開挖過程中產(chǎn)生的隧道棄渣用于高速公路路基段填筑，不僅能夠降低對環(huán)境的污染，節(jié)約土地資源，還可以降低工程建設成本。在對隧道棄渣利用前，需要對其物理力學特性進行研究。考慮到隧道棄渣顆粒之間粘聚力較小，可通過填充水泥材料，提高隧道棄渣混合料的強度。

本文以烏尉高速公路路基試驗段為工程背景，通過承載比試驗，對不同水泥摻量和養(yǎng)護時間下的隧道棄渣混合料的路用性能進行研究，得到以下結(jié)論：在實際施工過程中，應該從級配、生產(chǎn)等方面對隧道棄渣母材質(zhì)量進行控制;考慮到施工成本，隧道棄渣中的水泥含量控制在5%左右，且隧道棄渣混合料基層的養(yǎng)護時間應不低于7d。

參考文獻

[1] 周博.山區(qū)鐵路隧道棄渣加工碎石設計探討[J]. 鐵路工程技術與經(jīng)濟，2021，36（6）：29-33.

[2] 李光白.西部山區(qū)高速公路巨量隧道棄渣綜合處治思路的探討"[J].中國工程咨詢，2021（4）：78-81.

[3] 許貴生.基于Geo-Studio的降雨條件下隧道棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 科學技術創(chuàng)新，2021（2）：127-131.

[4] 緱麗婉.隧道棄渣填筑高路基的壓實組合方法研究[J]. 青海交通科技，2020，32（5）：106-112.

[5] 鄭良靜.基于兩種方法的鐵路隧道棄渣場抗滑穩(wěn)定性分析[J].鐵道建筑技術，2020（8）：67-70.

[6] 于得水.隧道棄渣機制砂在C50水泥混凝土的應用研究[D].重慶：重慶交通大學，2020.

[7] 陳建行.隧道棄渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的路用性能研究[D].西安：長安大學，2020.

[8] 李文霞，謝曉杰，王永貴.隧道棄渣在公路路基施工中的應用研究[J]. 公路工程，2019，44（6）：177-182.

[9] 趙付安.隧道棄渣片麻巖級配碎石應用研究[J].公路交通科技"（應用技術版），2019，15（10）：226-229+246.

[10] 曹文臣. 隧道棄渣填筑路基關鍵技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2019.

[11] 時鐵鄰.山區(qū)高速公路隧道棄渣場施工環(huán)保技術研究[J].北方交通，2019，（03）：83-85.

[12] 梁振寧，龔倫，馬相峰，等. 基于強度折減法的隧道棄渣場穩(wěn)定性分析[J]. 路基工程，2019，（1）：43-46.

[13] 靳倡智. 隧道棄渣片麻巖在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應用研究[D].石家莊：河北工程大學，2018.

[14] 張連玉，方利.利用隧道棄渣生產(chǎn)碎石在鶴大高速公路的成功應用[J]. 河南建材，2018（3）：44-46.

[15] 黃勇.某山區(qū)高速公路隧道棄渣填筑路基的應用研究[J].西部交通科技，2018（5）：125-128.

[16] 劉興榮，崔鵬，董耀剛，等.隧道棄渣顆粒粒徑對泥石流起動的控制作用——以蘭州市爛泥溝為例[J].中國水土保持，2018（4）：38-41+69.

[17] 郭清林.隧道棄渣填筑高速公路路基施工工藝與路用性能研究"[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[18] 杜云威.青海山區(qū)公路隧道棄渣填筑路基質(zhì)量施工控制技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[19] 鄒團結(jié)，周德泉，栗小祜，等.隧道棄碴壓實變形規(guī)律試驗研究"[J].公路工程，2016，41（2）：191-195.

[20] 高宇.隧道棄渣填筑高速公路路基施工與檢測技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2016.