路床水泥治土施工技術(shù)分析

岳麗紅

(上海浦公檢測技術(shù)股份有限公司,上海 201399)

路床水泥治土是公路路基處理的有效技術(shù)手段之一,對于分布廣泛的軟弱土路基可顯著改善其力學(xué)性能。水泥中的氧化鈣可與黏性土中的硅酸鹽發(fā)生水化反應(yīng),生成水化鈣硅酸鹽凝膠充填土體孔隙,令顆粒結(jié)合更緊密,減少軟土的液限、塑限,降低其壓縮性及液化可能性,增強(qiáng)路床土的抗剪強(qiáng)度。水化反應(yīng)生成的凝膠藻可黏結(jié)沙質(zhì)土顆粒,提高其整體穩(wěn)定性。固結(jié)后的土體內(nèi)摩擦角增加,可有效提升路基的承載力及抗剪能力。水泥治土還能降低路基底部的應(yīng)力水平,減少路基發(fā)生破壞的可能,有效增強(qiáng)路基土的力學(xué)性能,確保路基的穩(wěn)定性。

1 水泥治土技術(shù)的參數(shù)設(shè)計

1.1 水泥品種的選擇

水泥治土需選擇合適的水泥品種,不同品種水泥早期強(qiáng)度的增長速率不同,對土體穩(wěn)定性的改良作用也有差異。一般選擇早期強(qiáng)度增長較快的普通硅酸鹽水泥,不宜選用高爐水泥,因為這類水泥早期強(qiáng)度增長緩慢,不利于土體快速固結(jié),無法有效提升路基承載力。如果路基土屬于高液限黏土,應(yīng)優(yōu)先選用礦渣細(xì)度較高的普通硅酸鹽水泥,因為礦渣具有活性,可有效降低黏土的液限及塑性指數(shù),減少路基在車輛荷載下發(fā)生塑性流動的可能。如果路基土較為疏松,應(yīng)選擇礦渣細(xì)度較低的水泥品種,以提供更高的早期強(qiáng)度,增大土體的內(nèi)摩擦力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,避免路基發(fā)生過度壓實(shí)。

1.2 水泥用量的確定

水泥用量的確定主要通過配合比設(shè)計實(shí)現(xiàn),包括水灰比與沙灰比。水灰比過大或過小都會對土水泥混合料性能產(chǎn)生不利影響。沙灰比過大會導(dǎo)致水泥用量不足,強(qiáng)度發(fā)展緩慢;過小則會造成水泥浪費(fèi),不經(jīng)濟(jì)。配合比的設(shè)計需兼顧各方面因素,確定經(jīng)濟(jì)合理的水泥用量。

為準(zhǔn)確設(shè)計配合比,采用以下公式計算水泥摻量:

W=α×LL-β

(1)

其中,W為水泥摻量,%;LL為路基土液限,%;α、β為經(jīng)驗系數(shù)。通過上述公式計算,根據(jù)路基土性質(zhì)科學(xué)設(shè)計水泥摻量,一般以路基土液限值的8%～12%為宜,既可減少用量,又可保證固結(jié)效果。

1.3 施工準(zhǔn)備

高速公路路床水泥治土施工前準(zhǔn)備會直接影響整體項目進(jìn)度、成本及整體質(zhì)量把控。除了做好人員分布、施工進(jìn)度計劃安排、機(jī)械安排及技術(shù)分析外,還需提前做好以下工作:

①試驗準(zhǔn)備。對填筑材料進(jìn)行各種試驗以確定相關(guān)參數(shù)。該項目路床水泥處治土填筑材料主要采用與路基同土源的土和水泥作為原料。采用32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥,按照設(shè)計要求對填筑材料進(jìn)行水泥試驗檢測、顆粒分析試驗、含水量檢測、EDTA滴定法檢測曲線、重型擊實(shí)試驗及強(qiáng)度試驗。所有實(shí)驗結(jié)果合格后報監(jiān)理工程師審批,經(jīng)監(jiān)理工程師同意后,方可進(jìn)行路床處治施工。

通過重型擊實(shí)試驗得到不同水泥摻量下泥漿固化土最優(yōu)含水量及最大干密度。每次的加水量公式、干密度公式、濕密度公式如式(2)、式(3)、式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

其中,mw為所需的加水量,mi為含水率ω時土樣質(zhì)量,ωt為土樣原有含水率,ω為要求達(dá)到的含水率,ρ為試樣的濕密度,m2為試樣和試桶的總質(zhì)量,m1為試桶的質(zhì)量,ρd為試樣的干密度,ω為試樣含水率。

②處理下承層。下承層是路床水泥土的承載體,要保證其表面平整度及堅實(shí)情況,確保沒有松散材料及軟弱土體。為保證施工前下承層的平整性及壓實(shí)情況符合設(shè)計規(guī)范要求,需在路床鋪筑前使用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓試驗[1],如果發(fā)現(xiàn)路面面層過于干燥及松散,應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行灑水碾壓,如果出現(xiàn)低洼點(diǎn)及坑洼,應(yīng)將其回填壓實(shí),確保路面平整,確認(rèn)無任何問題后,經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理工程師同意便可正式開工。

③施工放樣。在施工測量及取樣過程中,全站儀用于確定和標(biāo)記下承層中心線的位置,用石灰鋪設(shè)路緣線,定出路床輪廓線作為施工基準(zhǔn)。取樣時必須在不同的控制線及高程控制點(diǎn)上進(jìn)行測量,確保施工控制線與相應(yīng)的高程控制點(diǎn)符合工程要求。為了方便卸料,通過計算在下承層用石灰撒出均勻方格,根據(jù)實(shí)際情況及設(shè)計要求,通過試驗段得出原土虛鋪厚度為24 cm,每個方格網(wǎng)按100 m2布置,每車?yán)量刂圃?4 m3。每50 m一個斷面,每個斷面取左中右3個點(diǎn)作為距離控制樁,用于檢測松鋪及壓實(shí)厚度,以便更好地控制現(xiàn)場材料卸載質(zhì)量,便于后續(xù)施工,確保鋪設(shè)及處理質(zhì)量。

1.4 配合比設(shè)計

配合比設(shè)計需兼顧操作性與經(jīng)濟(jì)性,實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的最佳平衡。在操作性方面,控制水灰比為0.8～1.2,避免過濕或過干,沙灰比為8～12,充分發(fā)揮強(qiáng)度作用。在經(jīng)濟(jì)性方面,在保證效果的前提下增加礦渣細(xì)度,減少用量,控制較低沙灰比,但不能過度減少用量,以免影響持久性。以技術(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ),經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為方向,優(yōu)先滿足技術(shù)要求,在此基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)因素,獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)兼優(yōu)的配合比設(shè)計方案。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

操作性。在設(shè)計配合比時需考慮操作性因素,發(fā)揮材料的優(yōu)良性能。例如:水灰比過大會導(dǎo)致材料過濕,不利于機(jī)械化施工;水灰比過小會降低工作性,使材料過干難以充分拌和。將其控制在合理范圍內(nèi)可保證足夠的工作性,避免出現(xiàn)過濕的問題。

經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性是配合比設(shè)計需要兼顧的重要內(nèi)容。例如:適當(dāng)增加礦渣細(xì)度,在保證技術(shù)指標(biāo)的前提下用較少水泥獲得充分的早期強(qiáng)度,節(jié)約成本。但過度降低水泥用量會影響穩(wěn)定性,需平衡各類影響因素。

技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的平衡。技術(shù)指標(biāo)是基礎(chǔ),但在滿足技術(shù)要求的條件下應(yīng)合理考慮經(jīng)濟(jì)因素,尋求技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的最佳平衡點(diǎn)。

3 水泥治土的施工工藝

3.1 拌和技術(shù)與質(zhì)量控制要點(diǎn)

拌和是水泥治土的關(guān)鍵,直接影響路基質(zhì)量。拌和不均勻?qū)?dǎo)致路基強(qiáng)度及質(zhì)量出現(xiàn)差異,故需保證拌和料的均勻性,嚴(yán)格控制以下幾方面:①材料質(zhì)量。檢測水泥和土中的雜質(zhì)含量,將其控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),避免雜質(zhì)影響質(zhì)量。②精確配料。控制好水分含量,保證在最佳含水率以下1%～2%。嚴(yán)格按設(shè)計比例配料,避免誤差導(dǎo)致配合比不準(zhǔn)確。③充分翻拌。拌和要全面翻轉(zhuǎn)至少5次以上,確保混合均勻,防止出現(xiàn)死角。④合理的拌和時間。拌和時間控制在2～3 min,過長會降低水泥活性,過短則達(dá)不到均勻要求。⑤質(zhì)量檢測。拌和后立即檢測樣品工作性狀態(tài)及水泥含量,確保均勻性。如圖1所示。

圖1 水泥土拌和工藝流程Fig.1 Cement and soil mixing process

3.2 攤鋪與碾壓技術(shù)要求

攤鋪前應(yīng)平整基層,確保下層承載力足夠。攤鋪時控制厚度在15～20 cm,要勻速、連續(xù)攤鋪,避免冷接頭。分層碾壓至設(shè)計密實(shí)度,采用振動壓路機(jī)與靜壓機(jī)械配合。初碾以靜壓為主,后期采用振動壓路提密實(shí)度,不可單獨(dú)振動壓路,碾壓后應(yīng)檢測壓實(shí)效果。

3.3 養(yǎng)護(hù)期處理及參數(shù)控制

水泥土養(yǎng)護(hù)的主要目的是維持足夠的濕度,使水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,促進(jìn)土體固結(jié)。養(yǎng)護(hù)期通常不少于7 d,最初2～3 d尤為關(guān)鍵,需實(shí)時監(jiān)測養(yǎng)護(hù)區(qū)濕度,一般控制在95%以上,發(fā)現(xiàn)局部過干則應(yīng)立即補(bǔ)水,保證濕度。嚴(yán)格管制車輛通行,防止致密度下降。可采取遮陽棚覆蓋等措施遮陽防風(fēng),減少水分散失。對于干燥或大風(fēng)環(huán)境,可設(shè)置自動噴淋系統(tǒng),對養(yǎng)護(hù)區(qū)進(jìn)行噴霧,以準(zhǔn)確控制濕度。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,可選噴涂油面層,進(jìn)一步控制水分流失。本工程采用自動噴霧養(yǎng)護(hù)系統(tǒng),效果顯著[2]。監(jiān)測結(jié)果(圖2)顯示,養(yǎng)護(hù)初期濕度控制在97%以上,有效促進(jìn)了水化反應(yīng),確保了路基穩(wěn)定性。

圖2 養(yǎng)護(hù)期濕度變化曲線Fig.2 Humidity change curve during curing period

函數(shù)97+1.5exp(-0.5x)描述了一個隨時間逐漸下降的濕度變化趨勢。97為常數(shù)項,表示濕度的基線值為97%。1.5exp(-0.5x)描述了濕度隨時間的變化,其中1.5表示濕度的最大可能變化是1.5%。exp(-0.5x)是一個指數(shù)衰減函數(shù),其中-0.5x控制了衰減的速度。隨著時間x的增加,函數(shù)值會逐漸減小,從而導(dǎo)致整體濕度逐漸接近97%。此函數(shù)的選擇是基于模擬的,意味著在養(yǎng)護(hù)初期濕度可能稍微高于97%,但隨著時間的推移,濕度會逐漸接近97%。

4 水泥治土質(zhì)量評價技術(shù)

4.1 治土效果檢測方法

水泥治土效果主要通過檢測固結(jié)體抗壓強(qiáng)度及密實(shí)度來評價。固結(jié)體強(qiáng)度檢測采用室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗,測試固結(jié)土抗壓強(qiáng)度,與設(shè)計要求對比,判斷固結(jié)效果。密實(shí)度檢測采用現(xiàn)場夾具法、鉛塊法、鉆探法等檢測實(shí)際密實(shí)度是否達(dá)標(biāo)。還可采用重復(fù)載荷法,測量殘余變形量,間接評估密實(shí)效果。還可進(jìn)行抗剪強(qiáng)度及加利福尼亞承載力比測試,全面檢驗改良效果[3]。

4.2 路基承載力評估技術(shù)

對水泥固結(jié)后的路基承載力進(jìn)行評估,可采用經(jīng)驗法、靜載荷法等。經(jīng)驗法是根據(jù)過去案例數(shù)據(jù)建立路基土類型與承載力關(guān)系的經(jīng)驗對應(yīng)表,通過查表估算承載力。靜載荷法是在測試路段進(jìn)行靜止加載試驗,施加不同級別壓力,測量路面沉降情況,確定路基承載力衰減規(guī)律及極限承載力。可采用動載荷法,使用標(biāo)準(zhǔn)軸載通過路基,檢測路面反彈情況進(jìn)行承載力反推。此外,還可結(jié)合室內(nèi)直接剪切試驗獲取路基抗剪參數(shù),應(yīng)用理論計算確定承載力[4]。各種方法都需嚴(yán)格控制試驗條件,保證所得結(jié)果可靠,為設(shè)計提供依據(jù),如圖3所示。

圖3 路基承載力評估技術(shù)流程Fig.3 Technical process of subgrade bearing capacity evaluation

5 水泥治土技術(shù)的優(yōu)化措施

5.1 加快水泥固結(jié)

可通過調(diào)整水泥摻料比例來加速固結(jié)。適當(dāng)增加礦渣細(xì)度較高的礦渣硅酸鹽水泥比例,礦渣細(xì)度越高,活性越強(qiáng),水化反應(yīng)速率越快。采用摻入硅灰、高爐礦渣微粉等摻料的硅酸鹽系列復(fù)合水泥也可顯著提升早期強(qiáng)度。根據(jù)路基土性質(zhì)科學(xué)設(shè)計水泥摻量,一般以路基土液限值的8%～12%為宜,既可減少用量,又可保證固結(jié)效果。嚴(yán)格控制拌和用水量,保證水灰比為0.8～1.0,為水化反應(yīng)提供適量水分。還可研發(fā)快速固結(jié)水泥技術(shù),采用功能型摻料調(diào)控水化過程,縮短凝結(jié)時間,該技術(shù)目前還處于研發(fā)階段。例如:采用某速固復(fù)合水泥,3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別提高了30%和15%。如表1所示。

表1 采用不同措施對比分析

5.2 提高施工機(jī)械的適應(yīng)性

根據(jù)不同區(qū)域的地形地貌特點(diǎn)針對性地改造施工機(jī)械。對于沼澤軟土路段,采用寬履帶爬行式底盤,提高通過性。對突發(fā)陡坡,安裝升降懸掛系統(tǒng),實(shí)時調(diào)節(jié)車體高度。配備氣墊系統(tǒng),快速升降整平,適應(yīng)不均勻路面。安裝位置傳感裝置,實(shí)現(xiàn)自動避障。擴(kuò)大輪胎接地面積,提高履帶黏著力。對關(guān)鍵部件使用防腐蝕、防沖蝕材料,延長使用壽命。開展操作人員技能培訓(xùn),提高其應(yīng)對復(fù)雜地形的能力。做好機(jī)械的定期維護(hù)保養(yǎng),確保其發(fā)揮最大效用。

5.3 優(yōu)化養(yǎng)護(hù)措施

采用自動噴霧養(yǎng)護(hù)系統(tǒng),在不同養(yǎng)護(hù)階段對濕度進(jìn)行精確控制。關(guān)鍵期每天養(yǎng)護(hù)2～3次,保證濕度≥95%。非關(guān)鍵期可適當(dāng)減少養(yǎng)護(hù)次數(shù),但仍要嚴(yán)格監(jiān)測濕度變化。配套使用保溫薄膜、遮陽棚等設(shè)施覆蓋,減少水分流失。開發(fā)養(yǎng)護(hù)保濕復(fù)合材料,形成水分阻隔層,持續(xù)提供濕度。建立養(yǎng)護(hù)質(zhì)量監(jiān)測體系,對養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行記錄,確保符合要求。合理安排養(yǎng)護(hù)期,根據(jù)氣候條件適當(dāng)延長。加強(qiáng)人員培訓(xùn),提高養(yǎng)護(hù)操作技能。

6 結(jié)束語

水泥治土技術(shù)是公路工程施工中不可或缺的重要技術(shù),合理采用水泥治土技術(shù)可有效改良軟弱路基,提升路基承載力及整體穩(wěn)定性,確保公路工程質(zhì)量。需從水泥品種選擇、摻量設(shè)計、配合比優(yōu)化等方面入手,嚴(yán)格控制拌和、攤鋪、碾壓、養(yǎng)護(hù)等施工環(huán)節(jié),采用多種方法全面評價固結(jié)效果,優(yōu)化各個細(xì)節(jié),提高公路工程質(zhì)量。通過深入理解及掌握水泥治土原理與工藝,提升我國公路工程整體質(zhì)量及安全性,推動公路事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。