濕陷性黃土地區路基填料改良及施控制

文／曹瞻 中鐵十五局集團第五工程有限公司 天津 300100

1、引言

項目位于澄城縣和蒲城縣境內，區內地形以黃土塬為主，局部溝壑縱橫，地勢北高南低，向南緩傾。區域內無河流經過，地表無常年流水，除雨季和汛期外，地表基本無水流動，地下含水層埋藏深度較大，一般埋深在180米以上。

本項目所處區域路基填筑挖方利用方及2#取土場土源均為馬蘭黃土。馬蘭黃土由風積作用形成，硬塑-堅硬，含一層古土壤及鈣質結核，疏松多孔，顆粒均勻，垂直節理發育，為濕陷性黃土分布區，濕陷土層一般在厚度10.0m-25.4m之間，濕陷類型為自重濕陷場地，濕陷等級為自重Ⅲ-Ⅳ級，粉質黏土[1]，原狀土土質工程使用性能差。根據土工實驗結果，原狀土CBR 值不能滿足路床填方土要求，必須采取方法進行改良。考慮石料、石灰在本地區是短缺資源，長途運輸不經濟，經調查發現該地區石灰加工水平低劣、質量不穩定，且不符合環保要求，受此限制，只能就地取材。堯柏水泥廠距項目約70km處的蒲城縣，用水泥改良濕陷性黃土是用于該項目路基路床填筑的最佳選擇。

本文結合澄韋高速的工程實踐，采取水泥改良濕陷性黃土物理、力學性能，降低土體塑性指數、減小壓縮變形和滲透性，提高強度和整體承載能力效果明顯。

2、室內試驗

2.1 原狀土物理、力學檢測指標

該試驗段臨近2#取土場，鑒于土樣分布的不均勻性，為了研究分析水泥土的基本工程性質及其影響因素，試驗從各土體不同深度取樣，逐一試驗。土樣各項物理力學試驗檢測指標，見下表（表1、表2）。

表1 2號取土場原狀土土工試驗結果

表2 2號取土場原狀土擊實試驗結果

2.2 CBR強度試驗結果

全線路基可利用填方資源均為濕陷性黃土，根據土工實驗結果，在壓實度為 93%的條件下，CBR 值均小于3%，當壓實度為 94%時，CBR 值為 3.1%～3.3%。《公路路基施工技術規范》中明確規定，上路床CBR值要求≥8%，下路床CBR值要求≥5%，原狀土物理、力學性能不滿足規范，因此，本項目路基填筑時，上路床摻5%進行改良，下路床摻4%進行改良，路床壓實度均為 96%。

2.3 水泥檢測指標

選用的堯柏水泥廠P.O42.5（緩凝）散裝水泥，常規物理、力學性能試驗結果見下表3。

表3 水泥檢測指標

2.4 摻合料配比

本文水泥土按照4%進行配比試驗。

2.5 擊實試驗

根據水泥改良濕陷性黃土最大干密度隨時間呈衰減趨勢[5]，分別在1、2、3、4、5、6小時摻水泥進行擊實，擊實結果如下（圖1）。

圖1 4%水泥土不同擊實時間擊實對比曲線

從圖1可以看出，水泥土最大干密度隨著擊實時間的延長而逐漸降低，最佳含水率隨著選擇不同的擊實時間而增大。最大干密度降低5%左右，最佳含水率增大了10%左右。

結合施工現場與水泥初終凝時間綜合考量，采用4小時的擊實數據作為現場控制壓實度參數，同時進行CBR強度值驗證，結果見下表（表4、表5）。

通過表4、表5可以看到，水泥土在4.0h延時內的CBR值是完全滿足《公路路基施工技術規范》中下路床CBR值要求≥5%的要求的，從理論講，水泥土現場碾壓密實時間控制4.0h內，保證壓實系數是沒問題的。因此，在施工中盡可能縮短拌和至碾壓的時間安排，并保證拌和、補水、整平、碾壓，良好的工序銜接的重要性顯得尤為突出。

表4 4%水泥土擊實結果

表5 4%水泥土4小時最大干密度時的CBR值

3、水泥改良濕陷性黃土主要施工工藝

3.1 現場施工

3.1.1 測量放樣及取土

按照測量及路基施工技術規范進行組織，該處不再贅述。

3.1.2 布料

布料前以9m×10m的灰線方格為一單元格撒出白灰線，網格尺寸根據擬定的松鋪厚度確定，依據運輸車容量換算，試驗段按虛鋪系數1.2考慮（設計圖紙建議1.16），自卸汽車在每格內卸料1車，根據計算自卸汽車每車裝22m3土料，每車土料置于網格中間位置，避免卸料不均勻造成攤鋪時間的延長，填料區規劃車輛行駛臨時通道，按一個網格寬度預留，施工區域完成布料后再對臨時通道進行布料。

3.1.3 攤鋪

采用推土機按照預定的攤鋪厚度，大致進行粗平，攤鋪后檢查土的含水率、粒徑，對于較大體積土塊使用旋耕犁進行打碎。

3.1.4 整平

使用平地機按設計坡度進行精細刮平，及時檢查平整質量，局部坑洼處用同類土料填平。

3.1.5 撒布水泥

施工線路兩側分布著農田、藥田、櫻桃樹及房屋，采用人工撒布，極易對兩側作物造成污染，引起糾紛，且撒布量及均勻性不易控制，所以利用粉料撒布車進行水泥撒布是最佳選擇。

將散裝水泥運至現場，采用粉料撒布車進行撒布，根據4%水泥土配比，算出每平米水泥用量。

通過粉料撒布車控制系統，設定撒布車行駛速度和每平米撒布參數，撒布中用30cm×30cm紙板驗證撒布量，確保撒布均勻。

3.1.6 冷再生拌合機拌和

現場首先采用傳統灑水方式進行補水悶料，寶馬路拌機進行拌合。施工中發現，當土體表面無積水、濕潤情況下，路拌機開始作業，土體拌合均勻性差，且設備打滑側移，不安全；當土體表面稍干情況下，路拌機開始作業，拌合后，土體拌合均勻，但含水率低于最佳含水率，還需繼續補水。經分析確認為濕陷性黃土遇水易形成土殼，阻止水分下滲，采用傳統工藝，施工效果較差，需中復補水，且等待時間長，時效性差。另當地水資源匱乏，炎熱天氣進行補水施工蒸發量大，造成資源浪費。

經項目研究，決定采用具備自動補水功能的新工藝冷再生拌合機進行土方拌和施工，進而加快施工進度，同時減少資源浪費。

后續施工，在攤鋪完畢后采用水車配合冷再生拌合機進行路拌作業，設備開機前結合現場實測的土體含水率，計算補水量，通過冷再生拌合機電腦控制系統，設定補水參數（根據《甘肅省濕陷性黃土地區路基施工技術規范》指導，在最佳含水率基礎上增加2%）及鉸刀下放深度，拌和過程安派專人跟班進行挖檢，檢測水泥土混合料含水率及水泥劑量，確保符合設計要求，同時觀測水泥土混合料的均勻性及是否存在夾層。按照每20米一處的頻率挖檢，對于不符合要求的段落，及時修正參數并進行拌合。

通過現場檢測發現：

補水參數及松鋪厚度不變的情況下，鉸刀不同的下放深度，對土體含水率及灰劑量也有很大影響，具體為，松鋪厚度25cm，鉸刀分別下放25cm和30cm深度進行拌合，鉸刀下放25cm時，拌合局部有0.5-1cm夾層，含水率達15.3%-16.1%，灰劑量檢測為4%-4.6%，含水率及灰劑量滿足擊實標準及設計要求，但存在夾層，碾壓后不利于相鄰土層結合；鉸刀下放30cm時，可翻拌至下層路基3-4cm，含水率達13.9%-14.5%，灰劑量檢測為3.5%-3.8%，結合考慮試驗段下層路基為素土，本次灰劑量檢查雖低于設計，但如下層路基同樣為水泥土，則灰劑量將滿足要求，另含水率控制時，要充分考慮拌合至下層路基深度及其含水率。所以在虛鋪厚度不變情況下，采用冷再生拌合機進行拌合及補水，鉸刀下放深度需在虛鋪厚度基礎上增加4-5cm，補水參數要充分考慮拌合至下層路基深度及其含水率后再進行設定，可以滿足現場施工需求。

3.1.7 碾壓

(1)時間選擇

為保證設備安全，冷再生拌合機拌和2道，寬度達5米后，壓實設備開始工作。

(2)設備選擇

項目自有26噸光輪壓路機4臺，經試驗，控制虛鋪厚度25cm，含水率15.2%-15.8%，振動碾壓6遍，平均壓實度達到92.4%，而后續碾壓，壓實度增長極為緩慢。經項目技術組商討，充分考慮經濟性及水泥土時效性后，斷然否決采用26噸光輪壓路機進行碾壓作業的方案，同時提出可采用兩種方法解決壓實問題，一為改用大噸位壓路機，二為改裝現有壓實設備，給光輪壓路機安裝凸塊板。

改用大噸位壓路機，需另調設備進場，且當地26噸以上壓路機資源較少，租金較高，經濟性差。

光輪壓路機安裝凸塊板后變為凸塊壓路機，凸塊與土體接觸端面面積相較光輪變小，壓路機噸位不變情況下，壓強變大，直接作用在凸塊端面下的水泥土所受壓力變大，同時凸塊插入或拔出土體過程中會向水泥土施加側向壓力，達到壓實效果。

經分析，決定采用改裝現有壓實設備，給光輪壓路機安裝凸塊板，用凸塊壓路機進行土方壓實作業。

(3)碾壓順序

碾壓順序：根據規范要求，曲線段由內向外碾壓，直線段從兩邊向中間碾壓，也就從低側往高側碾壓。碾壓過程中嚴格按照搭接1/3輪跡的要求進行壓實，壓完全寬為一遍。

(4)碾壓組合

為了及時鎖住土體水分，采用凸塊壓路機緊跟冷再生拌合機無振動、無搭接快速碾壓一遍。然后開啟振動，進行強振碾壓。碾壓過程中壓路機行駛速度控制在3.4～3.6km/h，輪跡重疊1/3輪寬。凸輪壓路機強振第三遍碾壓完成后開始按照要求頻率檢查壓實度，每碾壓一遍檢測一次直至壓實度合格后終止碾壓及檢測。壓實度檢測合格采用平地機刮除表層松散土，再用26t光輪壓路機按照重疊不小于1/2輪寬進行震動壓實收面，碾壓速度4.0km/h，直至表面無輪跡停止碾壓，最后再靜壓一遍。碾壓過程中，采用進退式進行碾壓，嚴禁壓路機在已完成的或正在碾壓的路段上調頭、急剎車、急速行駛。

3.2 數據采集及分析

每10m布置一個斷面，左右幅交叉設置壓實度檢測點，采用灌砂法進行檢測；同時每20m布置一個斷面，在左、右幅行車道及中間布置松鋪厚度檢測點，采用挖驗、鋼尺量測的檢測方法進行檢測。

經檢測，凸輪強振碾壓三遍，檢測10點，平均壓實度91.6%；凸輪強振碾壓四遍，檢測10點，平均壓實度93.7%；凸輪強振碾壓五遍，檢測10點，平均壓實度95.5%；凸輪強振碾壓六遍，檢測10點，平均壓實度96.3%；凸輪強振碾壓六遍時壓實度滿足設計要求。

凸輪強振碾壓六遍時，對應15個挖驗檢測點，松鋪平均厚度25.2cm，壓實平均厚度20.5cm，松鋪系數確定為1.23。

4、總結

4.1 試驗準備工作

取代表性土樣，是完成土工試驗的重要環節，如果送到試驗室的土樣不符合要求，或代表性不強，則試驗結果的準確性將受到很大的影響。這是重點，必須加以重視。每2萬方土取樣做一次標準試驗，檢測土質是發生變化，當土質發生變化時，必須重新取樣做標準試驗。

4.2 含水率控制措施

碾壓前混合料含水量的大小嚴重影響混合料的壓實效果。從室內擊實試驗結果得出經驗，隨時間延長，水化中應的深入進行，要達到土體最大干密度下的密實效果，需水量在增高，同時結合夏季現場施工氣溫，水分蒸發量大，故而對于水泥土混合料的保水、補水嚴加管控，同時施工工序的緊密銜接也很重要。在西北及濕陷性黃土地區，水資源較為匱乏，采用具備自動補水功能的冷再生拌合機施工是最佳選擇。

確定補水參數時，檢測待碾壓層含水率的同時，要考慮下承層表層3cm-4cm內土體含水率，綜合計算，確定參數。施工中增加對拌合后水泥土含水率的檢測頻率，指導拌合施工，當偏離最佳含水率時，及時通知修正冷再生拌合機電腦補水參數。同時建議，現場施工水泥土混合料的含水率保持在最佳含水率的+2%～+3%，確保水泥土碾壓密實。

4.3 時間控制

水泥土一遇到水就開始水化中應，隨時間延長，最大干密度和最佳含水率都將受到影響，嚴重影響水泥土施工質量。要做到快速拌和，及時整平，及時碾壓，將時間控制在4h以內，在水泥的初凝時間內完成碾壓作業，這對組織施工，安排工序，優化配置設備提出更高要求。冷再生拌和機在本項目施工中，顯露出其優勢。

4.4 最佳鋪設距離

依現有的1臺冷再生拌合機、3臺凸輪壓路機、1臺光輪壓路機、1臺推土機、1臺平地機、3臺灑水車組成的一套設備情況以及考慮水泥的初凝時間、冷再生拌合機拌合速度、壓路機碾壓速度、安全距離，確定為全幅100米，若增加設備配置（主要為凸輪、冷再生拌合機），可適當增大鋪設距離。