公路路基膨胀土土性改良及施工技术研究

2021-08-04陈硕

工程与建设 2021年3期

陈硕

(湖北省核工业地质局，湖北孝感 432000)

0 引言

公路路基在运营期间的安全性易受到地质条件、施工技术等因素的影响，尤其是山区公路，往往地会遇到较大规模特殊岩土、不良地质作用等，在一定程度上加大了公路路基工程建设难度。膨胀土受气候环境影响较大，存在明显地吸水膨胀和失水收缩特性，可能会被工程人员视作良好的路基填料[1]。如果对膨胀土处置或施工不当，可能导致边坡大变形、滑坡、坍塌等灾害，影响公路运营寿命，从而导致大量经济损失。选择合理、可行的膨胀土改良方案，已经成为工程技术人员要解决的重要问题。近年来，国内外学者也通过理论公式计算、室内模型、数值模拟等方法来探讨了膨胀土路基的基本特性和破坏机理，并提出一些有价值的改良措施[1]。但是，工程师在开展膨胀土边坡设计和施工任务时，仍以工程类比法为主，对膨胀土的方案较保守，从而导致工程费用过高，故研究膨胀土改良措施和施工技术具有十分重要地工程意义。

1 膨胀土判别及处治措施选择

1.1 试验段工程概况

依托项目为某地区公路工程，沿线地质条件较复杂，地下水位较低，且沿线分布着具有弱、中等膨胀性的膨胀土，厚度基本在3～5 m左右。如果将膨胀土作为废方处理，会对生态环境产生一定程度的污染。同时，该公路项目路基填方借土困难，需对膨胀土改良后作为填料来填筑路堤，以节约工程造价。为了研究膨胀土改良方法和路堤施工工艺，选择桩号K18+720～K18+920段路基工程作为试验路段。

1.2 膨胀土判别

(1)判别方法。在将公路路基膨胀土改良之前，必须合理划分其胀缩等级，以选择经济合理地处治措施。目前存在若干个公路路基膨胀土胀缩性判别方法，如模糊数学理论、粗糙集理论、Fisher判别理论等，这些判别方法是基于若干膨胀土性能指标，通过理论计算对其开展判别，并不能解决膨胀土性能的地域差异性[2]。为了提高膨胀土改良技术的工程适用性，可在试验段取土样，将观察法和室内试验法结合来判别。

(2)判别程序。公路路基膨胀土胀缩性判别可分为现场初判、室内试验详判两步：第一，现场观察试验段土样颜色、土颗粒大小、干湿类型等，并结合当地经验公式初步判定；第二，在室内开展土样的膨胀率、塑性指数试验等等，参照相关规范详细判定膨胀土胀缩性。

1.3 膨胀土改良方案选择

目前，国内外公路路基膨胀土改良方法应用较广泛的有掺无机结合料、包边法、土工材料加固法等，各种改良措施的特点及适用条件见表1。结合本项目的特点，拟采用掺石灰来改良沿线膨胀土作为路基填料，石灰对膨胀土的改良主要体现在阳离子交换、胶凝作用、碳酸化作用等。

表1 常用路基膨胀土改良措施

2 石灰改良膨胀土试验研究

为了得到膨胀土改良的最佳石灰掺量，石灰掺量分别取1%、2%、3%，4%、5%、6%、7%，分析不同掺灰量下膨胀土的胀缩性、抗剪强度指标等参数，各室内试验土样的养护龄期均为28d。

2.1 膨胀土胀缩率试验

由于膨胀率是评价土体膨胀性大小的关键指标之一，本文开展了各掺灰量下膨胀土自由膨胀率试验，土样自由膨胀率随石灰掺量变化规律如图1所示。

图1 不同掺灰量下膨胀土自由膨胀率

试验结果表明，随着石灰掺量的提高，路基膨胀土膨胀率会不断降低，但降低速率先大后小。当石灰掺量小于5%，土样膨胀率随掺灰量提高变化幅度大，两者之间基本呈线性负相关关系；当石灰掺量超过5%，增加石灰掺量，土体膨胀率变化幅度并不是特别明显，其降级率基本保持在53.2%左右，因此，初步拟定该项目公路路基膨胀土最优石灰掺量在5%～7%。

2.2 膨胀土抗剪强度试验

目前测定土体抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)的方法较多，但基本可分为原位测试和室内试验两大类。原位测试有十字板剪切试验等，室内试验包括直接剪切试验、三轴压缩试验等。该项目膨胀土的黏聚力和内摩擦角测定选择直剪试验，仪器是四联动应变控制直剪仪。各石灰掺灰量下膨胀土抗剪强度指标试验结果如图2所示：

图2 膨胀土黏聚力和内摩擦角

试验结果表明，在相同养护龄期下(28d)，膨胀土抗剪强度指标随着石灰掺量提高而不断改善，主要原因在于：随着石灰加入和养护龄期不断增加，石灰中活性成分(CaO和MgO等)与膨胀土中的碳酸盐出现胶凝化学反应，使得相邻土颗粒间地结合水膜变得更薄，同时石灰中钙离子Ca2+与土颗粒周围的阳离子产生交换作用，这样会包裹原有土颗粒而出现较大的粗糙组合团粒，从而改善了土体的颗粒级配，提高其内摩擦角，石灰的硝化作用也会在土体中形成CaCO3胶结物，这些胶结物使得膨胀土中分散地土颗粒凝聚成团，也增强相邻土颗粒间黏结力[3]。此外，膨胀土黏聚力在石灰掺量达到6%出现了拐点，即石灰大于6%，路基膨胀土黏聚力不但没有提高，反而出现降低的趋势。因此，结合土体自由膨胀率和抗剪强度指标变化规律，拟定公路路基膨胀土最优石灰掺量为6%。

3 改良膨胀土路基填筑施工技术

3.1 施工质量标准和工艺流程

掺灰膨胀土作为公路路基填料时，含灰量和土颗粒粒径要符合相关设计规范：含灰量偏差在-0.5%～1%，粒径要在60 mm以内，粒径大于15 mm的土颗粒含量不超过20%。目前，膨胀土路基施工方法有路拌法和厂拌法，需要的施工机械一般有挖掘机、装载机、自卸汽车、推土机、压路机等，在确定机械组合时，要在满足施工效率的前提下，再考虑其经济效果。

改良膨胀土路基是采用“三阶段、四区段、九流程”的施工工艺[4]，比一般路基施工多出掺灰拌和、闷料两个流程，其中三阶段指的是准备阶段、施工阶段、验收阶段，四区段包括填土区段、整平去端、压实区段、检测区段，九流程涉及测量放样、地基处理、掺灰拌和、摊铺压实、检测整修等作业。

3.2 施工质量控制要点

(1)原材料检验。石灰的质量对膨胀土的改良效果有着直接影响，在路基填料拌和之前，要分批次对进场的石灰活性进行测定，评价石灰活性可采用CaO和MgO的含量[5]。石灰质量检测合格后，还应当控制好石灰掺量和含水率，并在拌和混合料之前开展预拌试验。

(2) 分层填筑压实。在用自卸车将改良后的膨胀土填料运至施工现场后，在分层摊铺，并按照松铺系数、压实厚度等计算出每一处堆放的膨胀土方量及卸车间距。同时，为了保证路基各层位的压实度满足规范要求，压实机械在碾压膨胀土填料时应超宽碾压(一侧超宽25 cm左右)，并保证足够的碾压遍数。如果路基填料局部压实度不足，可将混合料挖除，再次碾压。

(3)施工质量检测。改良膨胀土路基在摊铺压实后，需要对路基压实度、掺灰量、含水量等展开检测，其中压实度检测可选择灌砂法或环刀法，压实度满足规范要求才能够进入下一工序。如果压实度不符合规范规定，则应当继续碾压，再重新检测；掺灰量、含水量等参数在检测时可采用随机抽样的方法，每一千平方米的路基检测点数量不小于4个。