樁基孔施工鉆渣路用改良試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用

摘要 以杭紹甬高速公路樁基孔施工過程中產(chǎn)生的工程渣土為研究對象，文章在試驗(yàn)獲得渣土工程特性的基礎(chǔ)上，采用石灰、水泥為改良劑對其進(jìn)行改良，通過不同改良劑摻量下的改良土擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)，測試了改良土路用指標(biāo)的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明：該渣土屬于天然含水率較高、抗剪強(qiáng)度較低、細(xì)顆粒居多的中壓縮性粉質(zhì)黏土；通過石灰、水泥改良后的渣土各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)都得到明顯提升，通過擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改良土的干密度隨含水率增加呈先增后降“左陡右緩”的變化趨勢；隨改良劑摻量的增加，最佳含水量與最大干密度呈降低趨勢，摻量過大會抑制這種降低趨勢；通過承載比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰摻量達(dá)到6%以上或水泥摻量達(dá)到4%以上、混摻達(dá)到3%+3%時，改良土的CBR值可達(dá)到路基填筑的最低要求。

關(guān)鍵詞 粉質(zhì)黏土；石灰；水泥；最大干密度；最佳含水量；CBR

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0115-04

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，資源的合理利用、充分利用成為各類工程建設(shè)的基調(diào)。受地質(zhì)條件的影響，杭州灣地區(qū)的地表廣泛分布著不同深度的淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，使得工程建設(shè)時產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒工程渣土。如何將這些量大、顆粒細(xì)的渣土充分利用，是擺在當(dāng)前城市管理與工程建設(shè)者面前的重要問題。

雖然目前已研發(fā)多種工程渣土資源化的方法，但將其用作路基填料是當(dāng)前能大體量利用的唯一途徑。然而這些工程渣土多為細(xì)顆粒土，浸水后強(qiáng)度低，無法直接用作高等級道路的填料，因此許多學(xué)者開展了工程渣土的改良研究。如，Asgari[1]通過改良試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石灰、水泥的添加對細(xì)顆粒土的最佳含水率、最大干密度、塑性指數(shù)強(qiáng)度均有明顯影響；趙麗君等[2]利用石灰、水泥改良劑對紹興地區(qū)的淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土進(jìn)行了改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)摻量下，兩種渣土的力學(xué)指標(biāo)均得到了明顯提升并達(dá)到路基填筑要求；靳一軍、胡文華、曹志偉等[3-5]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著石灰、水泥摻量的增加，改良土的最優(yōu)含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增加，但是增長趨勢具有“瓶頸”，改良劑最佳摻量在4%～8%之間；董文紅[6]在改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗沖刷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)5.5%～6%水泥摻量下改良工程渣土可用于道路底基層；封喜波[7]的試驗(yàn)表明：低液限黏土在石灰摻量達(dá)到6%以上或水泥摻量達(dá)到4%以上時可用于路床填料；宋博文等[8]通過擊實(shí)試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥單摻與石灰水泥混摻均能使素土的強(qiáng)度得到極大提升，水泥最佳摻量在3%～7%之間，最佳壓實(shí)度為94%；林玲等[9]通過不同配比的改良土試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石灰改良后土樣的吸水量大于水泥改良土的吸水量。上述研究表明，采用石灰、水泥對細(xì)顆粒的工程渣土進(jìn)行改良可以有效改善其工程特性并達(dá)到路用要求，但不同地區(qū)的渣土有自身特點(diǎn)，合理的改良方案需通過試驗(yàn)確定，而不能照搬其他地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)。為更好地實(shí)現(xiàn)工程渣土的價值，減少工程渣土棄置可能帶來的環(huán)境影響，該文以杭紹甬高速公路橋梁樁基旋挖施工時產(chǎn)生的渣土為研究對象，以路用為目標(biāo)，開展了工程渣土的改良試驗(yàn)研究。

1 鉆渣的基本特性

試驗(yàn)所用土樣取自杭紹甬高速紹興段，為樁基施工時產(chǎn)生的渣土，如圖1所示。將土樣從現(xiàn)場取回后，以《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）為依據(jù)開展了土工試驗(yàn)，獲得了土樣的基本物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。篩分試驗(yàn)結(jié)果表明：土樣gt;0.075 mm的顆粒占比為23.18%，未超過50%；≤0.075 mm顆粒含量占總質(zhì)量的76.82%。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，可將其判定為低液限黏土。表2為不同壓實(shí)度下土樣的CBR值，可見浸水后土樣的強(qiáng)度很低。

我國《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）要求（表3所示）：用作路床的填料最大粒徑不大于10 cm，用作路堤的填料最大粒徑不大于15 cm，同時對路基不同部位材料的壓實(shí)度和CBR也提出了最低要求。將試驗(yàn)結(jié)果與表3的要求進(jìn)行對比可知，雖然該土樣的粒徑可以滿足要求，但各種壓實(shí)度下的CBR均沒有達(dá)到相應(yīng)要求，表明該土樣不能直接用于路基填筑，需改良達(dá)到要求后才能路用。

2 鉆渣的路用改良試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以石灰、水泥為改良劑，以改良后用作路基填料為目標(biāo)。試驗(yàn)方案：當(dāng)單摻石灰或水泥時，改良劑的摻量（質(zhì)量比）控制為4%、6%、8%、10%；當(dāng)石灰和水泥雙摻時，按摻量為2%+2%、3%+3%、4%+4%、5%+5%進(jìn)行控制，制備改良土后再開展擊實(shí)試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，分析改良后鉆渣土用作路基填料的可行性與合理摻量。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）擊實(shí)特性

各摻量下土樣的擊實(shí)曲線如圖2所示。改良土的干密度隨含水率增加呈“先增長后降低”的變化趨勢。隨著水泥摻量的增加，曲線變化的“劇烈”程度有所減緩。

圖3為最佳含水量、最大干密度與石灰摻量的關(guān)系曲線。可見，隨改良劑摻量增加，最佳含水量、最大干密度呈降低趨勢，但是降低速率變緩，出現(xiàn)停滯狀態(tài)，因此過多摻量的改良劑可能會抑制改良效果。其中，當(dāng)摻量較低（4%、6%）時，水泥改良土的最大干密度最大，混摻改良次之；當(dāng)摻量增大于到8%時，水泥改良的最大干密度反而最小，但各改良方案的最大干密度值變化較小，介于1.63～1.68 g/cm3之間，而含水率的變化幅度相對較大，介于16.5%～19.75%；說明改良方案對最含水率的影響更顯著。

（2）CBR值

先按設(shè)計改良方案制備了不同壓實(shí)度的試樣，并養(yǎng)護(hù)7 d，再將試樣浸沒在水中48 h，然后進(jìn)行加載。圖4為改良土CBR值與改良劑摻量的關(guān)系曲線。分析可知，在同種改良方案下，改良土的CBR值隨壓實(shí)度的增加呈增長趨勢，以二次函數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式擬合，發(fā)現(xiàn)大部分呈開口向下的增長趨勢，CBR隨壓實(shí)度提高呈“先急后緩”的增長趨勢。從圖4可知，素土的CBR值無法達(dá)到路基填筑的基本要求（93%壓實(shí)度區(qū)最低要求CBR≥3），當(dāng)摻入6%石灰以上或者4%水泥以上時，改良土的CBR即可達(dá)到93區(qū)的填筑要求。如果要達(dá)到更高壓實(shí)度要求，那么需要進(jìn)一步提高石灰與水泥的摻量。在滿足規(guī)范對各種交通類型及路基各層位填料的CBR要求和經(jīng)濟(jì)性條件下，路基93%壓實(shí)度區(qū)、94%壓實(shí)度區(qū)優(yōu)先選取粉質(zhì)黏土摻6%石灰進(jìn)行改良，96%壓實(shí)度區(qū)則優(yōu)先選取4%石灰與4%水泥的混摻改良，此方案可使CBR值滿足設(shè)計要求。

3 改良鉆渣土的工程應(yīng)用

3.1 工程背景

杭紹甬高速主線以高架橋形式通過，橋梁樁基均采用鉆孔灌注樁。僅K43+098～K52+810.55區(qū)間的樁基成孔過程中就產(chǎn)生多達(dá)60多萬立方米的鉆渣。這些鉆渣通常作為廢棄土處理，不僅棄置費(fèi)用高，而且環(huán)保風(fēng)險大；同時，該項(xiàng)目互通區(qū)的路基設(shè)計要求采用宕渣填筑，填方量達(dá)52.2萬立方米，而項(xiàng)目位于吹填灘涂區(qū)，無料可采。為此，經(jīng)多方論證后決定將鉆渣改良后用作各互通區(qū)的路基填料，改良方案為摻入6%的石灰，摻灰后改良土的含水率控制在20%。

3.2 改良工藝

鉆渣的摻灰改良工藝流程：先將堆放在各樁基處的鉆渣運(yùn)送至處理廠的堆場分倉堆存，定期檢測鉆渣的含水率；待其含水率降至35%以下時，將鉆渣運(yùn)至悶灰區(qū)，按4%摻灰量的標(biāo)準(zhǔn)將塊狀石灰分層埋置到鉆渣內(nèi)，隨后按24 h、12 h、12 h的間隔將鉆渣翻動一遍，使含水率至24%左右；再將鉆渣運(yùn)至生產(chǎn)線，進(jìn)行塊石分離、破碎、摻2%粉灰、拌和、含水率測定等流程的自動化處理。圖5為鉆渣摻灰改良處理的情形。

3.3 填筑工藝

施工前先在平整壓實(shí)的地基上測量定位，并用石灰劃分作業(yè)方格，再用密封式運(yùn)輸車將加工好的改良鉆渣土運(yùn)至施工現(xiàn)場并卸料至方格內(nèi)，采用挖機(jī)配合推土機(jī)將料均勻攤至各方格內(nèi)，控制分層松鋪厚度不大于30 cm、分層攤鋪頂面設(shè)置不小于2%的橫坡。攤鋪過程如發(fā)現(xiàn)有局部結(jié)塊，用打土機(jī)及時打碎。

改良鉆渣土路基的碾壓，宜分初壓、復(fù)壓、擠壓、夯邊四階段進(jìn)行。初壓可采用振動壓路機(jī)先以無振動方法靜壓2～3遍，靜壓后用平地機(jī)對頂面刮平，局部缺料進(jìn)行人工補(bǔ)料，然后再以振動模式碾壓6～8遍，碾壓時按自中間向兩邊的順序疊壓，以碾壓至無明顯壓痕為止。復(fù)壓時，采用鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓3～5遍，進(jìn)一步提高碾壓的均勻性和表面平整度。擠壓，當(dāng)施工到壓實(shí)度要求為96%及以上的路床區(qū)時，可采用膠輪壓路機(jī)碾壓4～6遍，以確保壓實(shí)度滿足要求，同時可使表面密實(shí)、光潔。夯邊，每層碾壓完成后，用挖機(jī)或其他專用機(jī)具對邊坡松散料進(jìn)行整修夯實(shí)。

圖6為現(xiàn)場施工時的情形。

3.4 效果分析

項(xiàng)目在施工過程中和施工后對路基的壓實(shí)度、路基彎沉量等進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，上述施工工藝完全可以保證路基的施工質(zhì)量滿足要求。

施工后對改良鉆渣的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。若路基采用宕渣填筑，宕渣采購、運(yùn)輸、碾壓的綜合成本為116.54元/m3，鉆渣外運(yùn)棄置處理費(fèi)為100元/m3，而對鉆渣進(jìn)行摻灰改良并將其填筑為路基，改良、運(yùn)輸、施工碾壓等全過程的綜合造價為145.77元/m3。可見將鉆渣改良后利用可減少成本70.77元/m3，廢棄鉆渣的改良利用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)表明，杭紹甬高速公路紹興段的樁基孔鉆渣為天然含水率較高、抗剪強(qiáng)度較低的粉質(zhì)黏土，不宜直接用作路基填料。

（2）以石灰、水泥為改良劑，開展鉆渣路用的改良試驗(yàn)，結(jié)果表明：經(jīng)過石灰、水泥改良后的鉆渣土的CBR值得到明顯提升，當(dāng)石灰摻量達(dá)到6%以上或水泥摻量達(dá)到4%以上、混摻達(dá)到3%+3%時，改良土的CBR值可達(dá)到高速公路路基填筑的最低要求，用于填筑路基的93%壓實(shí)度區(qū)。

（3）結(jié)合杭紹甬高速公路紹興段的實(shí)際條件，采用廠拌法進(jìn)行了樁基孔鉆渣的路用改良工程應(yīng)用并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明應(yīng)用效果良好，而且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)

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