曹義茂

(中鐵十八局集團(tuán) 天津國際工程分公司，天津 河西 300222)

前言

天然紅土粒料通常為紅棕色，是黏性土和碎礫石的混合料，具有較高含水率、較多黏性土、同時(shí)含有大量粒徑不同的碎礫石，強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，這些利于施工，作為公路底基應(yīng)用比較廣泛。然而紅土粒料也存在低抗剪強(qiáng)度、低壓縮性和高孔隙率、高液限的缺點(diǎn)，路用性能不佳，不能滿足基層施工的需要。為滿足基層施工則需要對(duì)路基路面按照工程實(shí)際要求和紅土粒料自身特性并結(jié)合施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)紅土粒料進(jìn)行改良，確保公路工程底基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

本文以某公路工程地基基礎(chǔ)作為研究對(duì)象，對(duì)原始天然紅土粒料采取4種配比改良方案，在確保滿足級(jí)配要求的基礎(chǔ)上，開展液塑限和CBR等關(guān)鍵指標(biāo)檢測(cè)，研究4種配比改良方案下紅土粒料地基基礎(chǔ)的特性。另外為提高路基承載能力，以路邦土壤固化劑作為添加劑進(jìn)行試驗(yàn)，分析土壤固化劑添加不同占比和不同放置時(shí)間情況下，土壤固化劑對(duì)基層紅土極限干密度、含水率、抗剪強(qiáng)度值、壓縮性、滲透性等物理力學(xué)的影響。經(jīng)試驗(yàn)，采用摻砂石骨料與路邦土壤固化劑雙摻技術(shù)對(duì)紅土粒料性能進(jìn)行改良，以確保其具有良好的級(jí)配及路用性能，滿足路基要求，研究成果可為類似路基設(shè)計(jì)、施工等提供借鑒。

1 基層和底基層紅土原材料要求

紅土基層屬于路基基層粒料類級(jí)配型基層。在公路路基基層施工中，通常設(shè)置基層和底基層厚度一般都為150 mm，基層和底基層紅土粒料相關(guān)要求如表1、表2所示。

表1 紅土(底)基層粒料級(jí)配要求

表2 紅土(底)基層其他指標(biāo)要求

2 公路路基紅土粒料取樣測(cè)試及級(jí)配改良試驗(yàn)

2.1 紅土粒料取樣測(cè)試

某公路總長18 km，路面寬7.3 m，兩側(cè)各1.5 m寬碎石路肩。路面構(gòu)造自上到下依次是：瀝青、碎石層、MC1瀝青封層、紅土基層、底基層和一般填土。其中紅土基層及底基層填筑量分別約2.8萬 m3。

根據(jù)《公路巖土工程試驗(yàn)規(guī)范》(JTG E40—2007)，對(duì)原始紅土粒料進(jìn)行取樣測(cè)試分析，結(jié)果為：天然密度1.79 g/cm3、含水率28.9%、塑限37%、液限60%、塑性指數(shù)23，路用性能不佳。原始紅土粒料級(jí)配示意圖見圖1。

圖1 原始紅土粒料級(jí)配示意圖

從圖1分析，該公路項(xiàng)目的紅土粒料，粒徑小于0.075 mm的細(xì)顆粒含量大于1/5，含量偏高；而粒徑為0.042 5～2 mm的中值紅土顆粒小于1/10，原始級(jí)配不佳，沒有滿足規(guī)范要求，不能滿足路基基層的需要，必須進(jìn)行有效改良。

為確保道路工程質(zhì)量，選取0.5 km長路基段，進(jìn)行紅土攤鋪試驗(yàn)。拌和站采用袋裝水泥確保供應(yīng)，當(dāng)氣候炎熱時(shí)，施工時(shí)間必須嚴(yán)格控制在水泥終凝時(shí)間之內(nèi)。根據(jù)我國《公路巖土工程試驗(yàn)規(guī)范》(JTG E40—2007)，紅土粒料的取樣和篩析試驗(yàn)表明，其原始級(jí)配不佳，未滿足規(guī)范要求。同時(shí)，攤鋪試驗(yàn)顯示，紅土粒料路用性能不佳，不能滿足工程需要，必須進(jìn)行有效改良。

2.2 紅土粒料改良及改良特性

將原始紅土粒料和粗、細(xì)粒碎石以及砂制定4種配合比方案進(jìn)行改良，方案見表3。

表3 紅土粒料改良方案

按照不同改良方案繪制粒徑曲線見圖2。由圖2可見，4種改良方案曲線變化比較平緩，極大改善了中等粒徑粒料缺乏、斷層比較明顯的情況，保證級(jí)配趨于完善，符合規(guī)范的要求。

圖2 不同改良方案粒徑曲線

2.3 塑限、液限以及塑性指數(shù)對(duì)比分析

按我國《公路巖土工程試驗(yàn)規(guī)范》(JTG E40—2007)進(jìn)行試驗(yàn)，紅土粒料及經(jīng)4種不同砂石骨料摻量改良的紅土粒料的塑限、液限以及塑性指數(shù)見圖3。由圖3可以看出，紅土粒料經(jīng)改良后，塑限、液限和塑性指數(shù)降低。摻30%粗粒碎石以及20%砂的方案3相關(guān)指標(biāo)降低幅度最為明顯，液限由59.49%降低到16.19%，塑限從36.69%降低到10.49%，塑性指數(shù)由22.79降低到5.69。這說明摻30%粗粒碎石以及20%砂，紅土粒料的液塑限降低幅度最為顯著，各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。

圖3 液塑限及塑性指數(shù)對(duì)比圖

2.4 CBR值對(duì)比分析

分別對(duì)紅土粒料及4種改良后的紅土粒料實(shí)施擊實(shí)試驗(yàn)，相關(guān)CBR值見圖4。由圖4表明，紅土粒料通過改良以后，CBR值增加的幅度都比較大，通過比較，方案3 CBR值增加幅度最為明顯，CBR值由12.09%提升至65.49%，提升幅度達(dá)53.4%。紅土粒料通過添加含量30%粗粒碎石和含量20%砂，紅土粒料擊實(shí)特性被顯著改良，明顯提升了其綜合路用性能，符合基層填料要求。

圖4 CBR值對(duì)比圖

2.5 良好改良效果因素分析

方案3的改良效果優(yōu)于其他3種方案，故工程的紅土粒料摻30%粗粒碎石以及20%砂進(jìn)行改良。現(xiàn)分析改良效果的主要引起因素：

①降低親水性。紅土粒料中細(xì)黏土顆粒含量豐富，具有較好的親水性，但液限和塑限偏高。摻入礫石以及砂后，有效降低了紅土粒料的親水性，降低了液塑限和塑性指數(shù)[1]。

②改善顆粒級(jí)配。紅土粒料的級(jí)配不佳，比如粒徑中值不全、細(xì)顆粒含量偏高、斷齒比較嚴(yán)重等。摻入改良骨料顆粒后，能有效規(guī)避這些弊端，使粒料級(jí)配更為合理，增強(qiáng)其路用性能。紅土粒料改良后，優(yōu)化了骨架結(jié)構(gòu)，提高了骨架強(qiáng)度，使其路用性能得到有效提升[2]。

3 土壤固化劑加固處理

為增強(qiáng)路基承載能力、提升路基水穩(wěn)性能、增加道路運(yùn)營周期，采用路邦土壤固化劑進(jìn)行加固處理。路邦土壤固化劑是一種濃縮狀態(tài)下沒有揮發(fā)性、阻燃性強(qiáng)、易與水相融的液體。為獲得不同固化劑添加質(zhì)量比與放置時(shí)間對(duì)路基加固效果，設(shè)計(jì)了6組試驗(yàn)(見表4)，并對(duì)6組試驗(yàn)的試件依次開展直剪、擊實(shí)、滲透和壓縮試驗(yàn)。

表4 試驗(yàn)分組

3.1 固化劑對(duì)紅土粒料抗剪強(qiáng)度的影響

采用應(yīng)變控制直剪儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)[3]，剪切速度低于6 r/min。按設(shè)計(jì)的6組試驗(yàn)制備好試件，在保濕筒中養(yǎng)護(hù)7 d，再直剪試驗(yàn)。6組試驗(yàn)的紅土粒料抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系如圖5所示。

圖5 抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系變化曲線

由圖5可知，把土壤固化劑添加到紅土粒料中，試件的抗剪強(qiáng)度增大；試件靜置的時(shí)間愈久，試件的抗剪強(qiáng)度愈強(qiáng)；靜置時(shí)間相同的試件，添加的土壤固化劑越多，試件的抗剪強(qiáng)度愈強(qiáng)。同時(shí)，通過延長靜置時(shí)間比提高土壤固化劑添加質(zhì)量比更能有效增強(qiáng)試件的抗剪強(qiáng)度。

3.2 固化劑對(duì)紅土粒料壓縮特性的影響

用無側(cè)限壓縮儀進(jìn)行壓縮特性試驗(yàn)[4]。按設(shè)計(jì)的6組試驗(yàn)制備好試件，在保濕筒中養(yǎng)護(hù)7 d，再進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，分析各組試件孔隙比隨法向應(yīng)力變化情況如圖6所示。

圖6 紅土壓縮試驗(yàn)曲線

由圖6可知，添加土壤固化劑，紅土的壓縮系數(shù)顯著降低，壓縮模量顯著提高；隨土壤固化劑添加質(zhì)量比的增大以及靜置時(shí)間的延長，紅土粒料的壓縮系數(shù)漸漸下降，但壓縮模量卻隨之提升；紅土粒料孔隙率隨法向應(yīng)力的提高而下降的趨勢(shì)漸漸放緩。同時(shí)，與提高土壤固化劑添加質(zhì)量比相比，通過延長靜置時(shí)間更能顯著降低紅土粒料的壓縮系數(shù)。

3.3 固化劑對(duì)紅土粒料擊實(shí)特性影響

采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)[5]，將試樣分為三層依次裝入，各層均25擊。不同固化劑添加質(zhì)量比的紅土粒料擊實(shí)特性見圖7，不同靜置時(shí)間的紅土粒料擊實(shí)特性如圖8所示。

圖7 不同固化劑質(zhì)量比的紅土擊實(shí)特性

圖8 不同靜置時(shí)間下紅土擊實(shí)特性

由圖7、圖8可知，添加土壤固化劑后，紅土粒料的最大干密度及最佳含水量都有所提升；土壤固化劑質(zhì)量比一樣，靜置時(shí)間愈久，紅土粒料的最佳含水量就愈高，最大干密度反而越低；土壤固化劑質(zhì)量比愈高，紅土粒料的最大干密度愈大，而最佳含水量愈小。

3.4 固化劑對(duì)紅土粒料滲透特性的影響

采用變水頭滲透儀進(jìn)行滲透特性試驗(yàn)[6]。依照設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案制得試件后，在保濕缸里養(yǎng)護(hù)7 d，再對(duì)6組試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)如表4所示。

表4 試件滲透系數(shù)值 cm/s

由表4可知，紅土粒料添入固化劑后，其滲透系數(shù)顯著降低；試件的滲透性隨靜置時(shí)間的延長，下降幅度就愈明顯；土壤固化劑質(zhì)量比愈高，試件滲透性愈低。同時(shí)，增加靜置時(shí)間比增加土壤固化劑質(zhì)量比，更能明顯地降低滲透系數(shù)。

3.5 土壤固化劑加固紅土粒料的原因

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添入土壤固化劑后，不僅有效提升了紅土粒料的壓縮模量、抗剪強(qiáng)度、最大干密度以及最佳含水率，而且能促使?jié)B透系數(shù)顯著降低；試件的滲透性隨靜置時(shí)間的增加降低愈多。究其原因，添加固化劑后的中等透水性紅土粒料成為復(fù)合土體，透水性變?nèi)?；紅土粒料發(fā)生膠結(jié)，造成其孔隙率減小、壓縮性降低、壓縮模量增大；隨時(shí)間的增加，復(fù)合土體的一體性及膠結(jié)作用越強(qiáng)。

4 工程效果

通過對(duì)比試驗(yàn)，紅土粒料摻入30%粗粒碎石以及20%砂、摻加質(zhì)量比為1：100的土壤固化劑并靜置1.5 d的方案是提高路用綜合性能的最佳方案，采取該方案施工后，經(jīng)檢測(cè)，工程路基關(guān)鍵指標(biāo)均符合規(guī)范要求。通車1年，路面沒有出現(xiàn)開裂、坍陷等公路病害，應(yīng)用效果頗佳。

結(jié)語

道路工程施工中，通過試驗(yàn)比選，紅土粒料摻入30%粗粒碎石以及20%砂，能最優(yōu)改善紅土粒料的級(jí)配及擊實(shí)特性，提高路基填料性能，確保填料符合要求。在此基礎(chǔ)上，為獲得不同固化劑添加質(zhì)量比與放置時(shí)間對(duì)路基加固效果，設(shè)計(jì)了6組試驗(yàn)，并對(duì)6組試驗(yàn)的試件進(jìn)行直剪、壓縮、擊實(shí)和滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加土壤固化劑質(zhì)量比為1：100并靜置1.5 d對(duì)提高路基填料的抗剪強(qiáng)度、降低壓縮性和滲透性等效果最佳；本工程條件，增加土壤固化劑靜置時(shí)間改良填料性能優(yōu)于增大添加質(zhì)量比。工程實(shí)踐證明，采用摻砂石骨料及土壤固化劑的雙摻技術(shù)用于改良公路底基紅土粒料路用性能是可行的，可為同類工程提供借鑒。