固化廢棄細粒土在路基工程中的應用

解子良， 曹凱， 黃志義

（浙江大學交通工程研究所，杭州 310058）

0 引言

隨著經濟社會發展，杭州灣地區道路工程建設規模巨大，對路基填料需求仍十分旺盛。傳統宕渣、塘渣路基填料資源日益不足，而杭州灣地區存在大量的疏浚淤泥、基坑棄土等廢棄細粒土。研究和開發新型細粒土固化技術［1-4］，將這些廢棄細粒土處理后用作路基填料，不僅可解決杭州灣地區路基填料不足的問題，又能變廢為寶，保護環境，集約節約資源，具有十分顯著的社會經濟效益和環保意義［5-7］。張更生等［8］通過添加3%～12%的水泥來穩定疏浚吹填粉土，發現穩定過程中塑性指數、液塑限、密度和強度都呈上升趨勢，當水泥摻量為12%時，14d的強度可達到28d強度的97%，可用作路基填料。李俊哲和方光秀［9］研究了硅粉—粉煤灰的摻量和齡期對水泥穩定土強度的影響，結果發現二者均可提升穩定土的抗壓強度，且硅灰可以大幅度提升穩定土的早期強度。可比水泥土的強度提升15.3%～62.4%不等。Garzón等［10］使用石灰穩定粘土，發現使用3%的石灰穩定千枚巖粘土便可提高土壤的承載力，并會導致其塑性指數降低。使用千枚巖粘土-石灰混合物進行土方路基施工，可以有效減薄結構層厚度。為了進一步研究固化廢棄細粒土的路用性能及驗證室內試驗的結論，于湖州市南潯區某農村公路工程項目鋪筑了170m固化細粒土作為路基填料的試驗路段。

1 工程概況

試驗段依托工程為湖州市南潯區某農村公路工程，設計標準為三級公路，全長1.671km，路基設計寬度8.5m（2 車道×3.75m+2×0.75m 土路肩），路面寬度7m，無中央分隔帶。工程沿線土質以淤泥質粉質黏土、粉質黏土為主。

試驗段k1+150～k1+230 路段原地面為魚塘，k1+230～k1+320 原地面屬于稻田，兩段土基含水率較高，屬于軟土地基，按照設計要求進行了翻曬、換填處理。該試驗路段屬于填方路段，路基填筑厚度普遍≥80cm。原設計路基填料為≥80cm宕渣，試驗路道路結構設計方案為在保證其他結構層厚度不變情況下，用固化廢棄細粒土路基填料代替宕渣。

圖1 試驗段道路結構示意圖

路基設計要求：對原地面清表，清表厚度不小于20cm。挖方路段，反挖至路槽以下80cm。清表或反挖后的土基回彈模量不低于35MPa，壓實度不低于85%，若不滿足要求，翻曬補壓、摻灰或換填碎石處理。對于試驗段范圍內的填塘路段，采用拋石和宕渣填筑處理。路基填料采用固化廢棄細粒土路基填料，厚度≥80cm。

2 固化土廢棄細粒土路基填料施工配合比設計

土來自南潯區附近疏浚土。天然狀態下土體含水率較高，呈可塑狀態，經晾曬后的土呈灰黃色，干硬度及韌性高。采用能譜儀對土樣的元素進行半定量分析，結果見表1。按照JTGE 40-2007《公路土工試驗規程》，取足夠數量的代表性土樣進行了基本物理指標分析，結果見表2，篩分試驗結果表明小于0.075mm的顆粒質量為68%。pH 測試結果表明土體呈酸性。承載比試驗表明未經固化的疏浚土不滿足公路路基填筑要求，不能用作路基填料。

表1 疏浚土化學元素組成 %

表2 湖州疏浚土基本物理指標

依據JTGE 51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，考慮技術經濟性和實際土質特性，試驗段的固化材料組分使用課題組自行研發的ICSS 組分方案確定，主要材料為水泥、石灰、粉煤灰和添加劑等。ICSS 復合固化劑（微米級粉末狀固化劑）摻量比分別選擇3%、5%、7%和9%，在最佳含水量條件下進行壓實試驗（最佳含水量和最大干密度見表3），壓實度均為96%。

表3 不同摻量固化土混合料的擊實試驗結果

依據各摻量水平下固化土混合料的最大干密度和最佳含水率制備試件，并測試其無側限抗壓強度和CBR 值，結果見表4。試驗結果表明，經7%摻量主固化劑固化的疏浚土可以滿足上路床要求，5%主固化劑固化后的疏浚土可以用作除上路床以外路基的其他結構。

表4 不同摻量固化土混合料的強度特性

3 試驗段施工方案與成本分析

3.1 施工工藝流程和施工機械

試驗段規模較小，采用路拌法施工。固化廢棄細粒土路基填料施工工藝流程為：施工準備-測量放線-自卸車配合裝載機備土和上料-挖機配合人工攤鋪-鏵犁和小寶馬翻曬（人工清除土中大的塊石和雜物）-含水率和粒徑檢測-挖機配合固化劑撒布-小寶馬拌和固化土-壓路機穩壓配合平地機進行固化土整平-振動壓路機初壓、復壓、三輪壓路機碾壓成型-含水率檢測-灑水車灑水養生-質量檢查驗收合格后進行下一層施工。

3.2 施工方法

3.2.1 施工放樣

（1） 施工前放樣。設定標高基準點，按照路基填筑常規要求進行路基邊線和標高測量放樣，每20m為一個測量斷面，設立中線樁和路基兩側的邊線樁。

（2） 松鋪后測量。根據試驗段測得松鋪厚度系數，需要根據現場情況確定松鋪厚度。

（3） 施工后測量。確定與設計標高的誤差，誤差超過允許值的時候進行調整。

3.2.2 現場備料對進場的土和穩定劑原材料進行自檢或抽檢

根據填筑厚度和松鋪系數，采用挖掘機配合自卸車將填料土運輸至指定位置。袋裝的穩定劑按照不同部位的需要摻量進場，并放置在指定位置，需要防雨防潮，雨天用防雨布蓋上，晴天打開防雨布避免穩定劑受潮。運輸過程中注意混合料的覆蓋，進出現場時的車身輪胎應清理，避免滴漏拋灑，影響市區環境。

3.2.3 拌和與攤鋪

上土時測量人員打好石灰線方格，格子尺寸為1.8×2.2m（橫向×縱向），每個格子里放一包穩定劑。土和穩定劑攤鋪結束后，開始用旋耕機進行拌和。旋耕機從兩邊向中間依次翻拌，每次拌和重疊翻拌1/3，拌和遍數3遍以上，拌和深度應打入下承層5～10mm，以利于下層粘結。

3.2.4 碾壓與成型

振動壓路機初壓，復壓，終壓—壓實度檢測—灑水車灑水養生—質量檢查驗收合格后進行下一層施工。碾壓的具體要求如下：

（1） 路拌完成后，先用振動壓路機靜壓一遍，再開振動模式碾壓兩遍。路基填筑采用水平分層填筑法施工，分層厚度一般宜不大于20cm，檢測每層壓實厚度、壓實度、縱斷高程、橫坡、邊坡、平整度、中線偏位、寬度，符合要求后才可再填上一層，最后一層填筑需要檢測彎沉值，并需滿足其他相關設計要求。

（2） 施工時應當經常觀察天氣，若有下雨跡象，應將土（不摻穩定劑）靜壓，并留2%橫坡排水。

（3） 最佳含水率控制。應控制在最佳含水率或高于最佳含水率2～3個百分點范圍時碾壓。

（5） 養生。穩定土路基碾壓成型后，養護期不宜少于7d，灑水并始終保濕以土工布、塑料薄膜或其他覆蓋物覆蓋，養生期間及未達到強度要求之前，除灑水車外，不得通行其他車輛。穩定土路基施工時，下層碾壓完后應保持濕潤狀態再施工上層。

3.3 成本分析

應用成果對建筑棄土進行處理并應用于道路路基填筑，與采購宕渣和天然土石相比，可節省大量費用。具體測算：按照無機復合固化劑的推薦摻量平均約為5%計算，每立方淤泥和建筑棄土的穩定處理平均成本約為180 元（含穩定材料、人工機械費、攤鋪施工費）。目前湖州采用宕渣路基，宕渣市場采購單價約132元/立方，攤鋪施工費20元/立方，合計152元/立方，廢方單價為80元/立方。每立方建筑棄土、疏浚淤泥或樁基孔渣采用復合穩定處理，并利用于路基填筑，可以節省費用52元/立方。

4 路面結構優化作用的數值分析

由于我國道路在進行設計時，要求道路的各個結構層在車輛荷載作用下處于彈性工作階段，即當車輛荷載卸去后路基路面發生的變形可以恢復，因此計算路基路面各結構層均假設為理想線彈性體。路基工作區深度一般為1.5m，故土基厚度取70cm。施工結束后，對固化廢棄細粒土路基的頂面回彈模量進行了測定，路基頂面回彈模量代表值為58.5MPa。各個結構層的厚度和彈性參數見表5。

表5 各個結構層的厚度和彈性參數

計算模型的車輛輪胎荷載按照BZZ-100 標準軸載，輪胎接地壓力為0.7MPa，當量圓直徑D 為30cm。計算模型為二維模型，模型尺寸為寬×高=1.6m×1.9m，如圖3（a）所示。網格劃分如圖3（b）所示。

圖3 計算模型和網格

圖4為路基回彈模量分別為40MPa（普通路基）和58.5MPa（固化廢棄土路基）時，各個結構層的頂面的彎沉值。圖5為路基模量對各結構層層底彎拉應力的影響。

圖4 路基模量對道路結構層彎沉值的影響

圖5 路基模量對層底彎拉應力的影響

對比兩種路基的各個結構層的力學響應可以發現，當采用固化廢棄細粒土作為路基時，由于路基回彈模量較高，致使路面各個結構層的豎向變形和層底彎拉應力都減小，因此，在之后的設計時可以考慮減薄基層等路面結構層的厚度。

5 結語

文中將固化廢棄細粒土路基填料應用于湖州市南潯區某農村公路工程，經工后對路基壓實度、回彈模量和彎沉等指標的檢測，表明固化廢棄細粒土路基填料完全滿足路基設計要求，可用于路基工程中；并總結固化廢棄細粒土路基填料的配合比設計過程、施工工藝和施工機械設備；同時通過數值計算簡要分析了固化土廢棄土路基填料對道路結構的優化作用，結果表明固化廢棄細粒土路基填料可以有效降低路表面的彎沉值和路面各結構層的層底彎拉應力，在之后的設計過程中可以適度地減薄路面結構。