胡 波

0 引言

在路基施工中膨脹土的危害是十分嚴(yán)重的，有“逢塹必滑，無堤不塌”之說。因其具有經(jīng)受干、濕循環(huán)，土體重復(fù)收縮、膨脹的性質(zhì)，造成土體強(qiáng)度急劇衰減，對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致路面開裂、松散脫落、路基下沉、邊坡沉塌、滑坡等病害問題。因此膨脹土不能直接作為路基填料，必須經(jīng)過改良處理，改變其物理、化學(xué)性質(zhì)，達(dá)到降低膨脹土膨脹潛勢(shì)，增加強(qiáng)度和提高水穩(wěn)性的目的，有效防止土體變形，保證路基穩(wěn)定、耐久。蚌淮高速公路淮南段，地域?qū)俳床钇皆瓍^(qū)是安徽省境內(nèi)膨脹土分布區(qū)域之一，區(qū)域內(nèi)土體普遍具弱 ～中度膨脹性。經(jīng)設(shè)計(jì)單位的調(diào)查研究，該段路基使用石灰改良膨脹土的方法進(jìn)行填筑。

1 石灰改良膨脹土的機(jī)理

生石灰的化學(xué)成分主要是CaO，加入土中后，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，致使石灰土的剛度不斷增大，強(qiáng)度和水穩(wěn)性不斷提高。其作用機(jī)理一般有以下四種:

1)陽離子交換作用:石灰同膨脹土摻合后，土中將產(chǎn)生過量的Ca2+，它能置換土中其他低價(jià)離子。2)絮凝或團(tuán)聚作用:主要是使土中的小團(tuán)粒變成大的團(tuán)塊。3)碳化作用:土中的石灰同空氣中的二氧化碳發(fā)生作用，可形成CaCO3晶體。4)膠結(jié)作用:適量的石灰和水可同土中大量存在的硅、鋁或兩者同時(shí)作用而產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)物質(zhì)，在這種高堿性的環(huán)境中，主要產(chǎn)生氫氧化鈣鋁。

在以上因素的綜合作用下，土的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化。

2 石灰改良膨脹土的性質(zhì)

消除膨脹土的破壞性膨脹是膨脹土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，膨脹土中加入石灰后，二者發(fā)生物理和化學(xué)作用，包括離子交換、Ca(OH)2結(jié)晶、碳酸化和火山灰反應(yīng)。Ca(OH)2離解后的Ca2+與粘土膠體反粒子層上的K+，Na+進(jìn)行交換，膠體吸附層減薄，膠體顆粒發(fā)生聚結(jié);Ca(OH)2與水作用形成的含水晶體將粘土顆粒膠結(jié)成整體，以及形成CaCO3過程的碳酸化反應(yīng)和形成硅酸鈣、鋁酸鈣過程的火山灰反應(yīng)均改變了膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，其強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大大提高，脹縮性也得到控制。

3 石灰改良膨脹土路基施工

石灰改良膨脹土的施工方法比一般路基施工增加了石灰摻入的過程，即:使含水量合適的膨脹土與摻入的石灰充分混合接觸，并產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到降低或消除膨脹土膨脹性，增加其水穩(wěn)性和耐久性的目的。石灰改良膨脹土的施工質(zhì)量控制主要包括壓實(shí)度、混合料含水量和石灰劑量的檢測(cè)和控制。石灰改良膨脹土路基填筑采用路拌法，按“三階段、六區(qū)段、十流程”的施工工藝組織施工。具體為三階段:準(zhǔn)備階段、施工階段、竣工階段;六區(qū)段:填土區(qū)段、拌和區(qū)段、水灰檢測(cè)區(qū)段、平整區(qū)段、碾壓區(qū)段、壓實(shí)檢測(cè)區(qū)段;十流程:施工準(zhǔn)備、基底處理、分層填筑、初壓平整、布灰拌和、灑水晾曬、填料整平、碾壓夯實(shí)、檢測(cè)記錄、整修養(yǎng)生。工藝流程圖見圖 1。

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前的準(zhǔn)備工作極為重要，它是組織施工的第一步，是保證路基施工的基本工作順利完成的前提條件。石灰的質(zhì)量要按規(guī)范要求進(jìn)行控制，對(duì)生石灰必須進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，目的是檢測(cè)有效CaO+MgO的含量不小于70%。

在施工準(zhǔn)備中，除了要做一些常規(guī)的準(zhǔn)備外，還要做好石灰加工的準(zhǔn)備工作，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，如果使用熟石灰改良膨脹土，應(yīng)該選擇避風(fēng)近水的場所進(jìn)行石灰的消解、過篩，并把消解殘余物集中堆放，并及時(shí)清除，做好相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)工作。

3.2 基底處理

為降低路基本體水位，沿路基兩側(cè)開挖臨時(shí)排水溝，引流至附近溝渠，降低路基基底范圍的地下水位和含水量，并在施工過程中，隨時(shí)保持臨時(shí)排水系統(tǒng)的暢通。按照施工互不干擾的原則劃分作業(yè)區(qū)段，區(qū)段長度宜在 100m～200m之間;水位降低后利用推土機(jī)推除表層 20 cm種植土，裝運(yùn)至棄土場。線路范圍之內(nèi)的雜草及不良土質(zhì)全部清除干凈后，對(duì)基底土進(jìn)行翻松 30 cm晾曬，然后穩(wěn)壓布灰，對(duì)基底 4%石灰土采用20 t以上的壓路機(jī)振動(dòng)碾壓，并利用輕型動(dòng)力觸探儀或K30進(jìn)行基底試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)路基基底的壓實(shí)度大于 90%時(shí)，方可進(jìn)行填土。

3.3 分層填筑

按橫斷面全寬縱向水平分層填筑方法，采用自卸車卸土。在用自卸車裝填料前，應(yīng)將樹根等雜質(zhì)清除干凈，并根據(jù)車容量和松鋪厚度計(jì)算堆土間距，以便平整時(shí)保證松鋪厚度的均勻。為保證邊坡的壓實(shí)質(zhì)量，填筑時(shí)在路基兩側(cè)各加寬 50 cm左右。

3.4 攤鋪初平

攤鋪后用履帶式推土機(jī)推平并將大塊料碾碎，控制填土層的松鋪厚度，用路拌機(jī)將大粒徑土打碎一遍，然后用平地機(jī)進(jìn)行平整，個(gè)別不平處用人工配合找平，避免出現(xiàn)壓實(shí)后土體厚度不均現(xiàn)象，確保層間接觸良好。

3.5 布灰拌和

當(dāng)平整好后，用石灰畫出 3m見方的縱橫向方格網(wǎng)，根據(jù)含灰率，確定每個(gè)方格內(nèi)石灰用量，并以石灰干密度折合成體積的高度為標(biāo)準(zhǔn)確定掛線高度，然后用計(jì)量過的袋裝灰堆放在方格網(wǎng)內(nèi)，人工解袋，并用木板耙均勻的把灰分布在方格網(wǎng)內(nèi)。布灰人員應(yīng)穿上防護(hù)服，戴好口罩，做好安全保護(hù)。當(dāng)風(fēng)力大于 4級(jí)時(shí)，不宜安排布灰作業(yè)。石灰布好后，用路拌機(jī)進(jìn)行拌和，拌和深度應(yīng)侵入下承層1 cm～2 cm。路拌機(jī)輪跡搭接寬度不小于50 cm，設(shè)專人跟隨拌和機(jī)，隨時(shí)檢查拌和搭接寬度和深度。發(fā)現(xiàn)與規(guī)定不符時(shí)，及時(shí)配合路拌機(jī)操作員進(jìn)行調(diào)整，并注意對(duì)混合料含水量、顆粒細(xì)度、含灰率均勻度的檢測(cè)。

3.6 灑水晾曬

由于膨脹土的天然含水量較高，在與生石灰充分拌和后，經(jīng)過一段時(shí)間，使石灰與土進(jìn)行充分的物理化學(xué)反應(yīng)，降低膨脹土的早期脹縮變形。改良后的膨脹土填料在碾壓前應(yīng)控制其含水量在由試驗(yàn)段壓實(shí)工藝確定的施工允許含水量范圍內(nèi)。當(dāng)填料含水量較低時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用噴灑補(bǔ)水措施;當(dāng)填料含水量過大時(shí)，可采用晾曬和增減拌和遍數(shù)的辦法。

3.7 碾壓夯實(shí)

當(dāng)混合料處于最佳含水量以上 1個(gè)～2個(gè)百分點(diǎn)，顆粒粒徑大于 15mm的不超過 20%，含灰率及其均勻度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，即可進(jìn)行碾壓。壓實(shí)順序應(yīng)按先兩邊后中間，先快后慢，先輕壓靜壓后重壓的操作程序進(jìn)行碾壓，兩輪跡搭接寬度一般不小于40 cm，兩區(qū)段縱向搭接長度不小于2m。

3.8 填料平整

用推土機(jī)初平，壓路機(jī)靜壓一遍后用平地機(jī)精平，控制層面無明顯的局部凹凸，按設(shè)計(jì)要求做出 2%～4%的路拱，并保證縱向平順。

3.9 檢驗(yàn)簽證

路基填土壓實(shí)的質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)隨分層填筑碾壓施工分層檢驗(yàn)。含灰率檢測(cè)采用EDTA或鈣離子直讀儀法，壓實(shí)度采用環(huán)刀法進(jìn)行檢測(cè)，地基系數(shù)采用承載板試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。

3.10 修整驗(yàn)收

使路基成形，達(dá)到規(guī)范要求的，在下層完成經(jīng)檢驗(yàn)質(zhì)量合格后，若不能立即鋪筑上層的或暴露于表層的改良土必須進(jìn)行保濕養(yǎng)生，養(yǎng)生可采用灑水后草袋覆蓋的方法，養(yǎng)生周期一般不少于7 d。路基施工進(jìn)行到一定階段，應(yīng)刷坡整形;分部施工完畢，對(duì)其外觀進(jìn)行修整，組織中間驗(yàn)收;路基工程全部完工，整形完畢，組織竣工驗(yàn)收。

4 石灰改良膨脹土施工控制要點(diǎn)

4.1 嚴(yán)格控制標(biāo)高

用“灰點(diǎn)法”控制高程，保證松鋪厚度?；彝脸跗綍r(shí)應(yīng)高于設(shè)計(jì)標(biāo)高5mm～10mm，填料不夠及時(shí)補(bǔ)充，并采用灰土拌和機(jī)翻松，達(dá)到上下層松鋪系數(shù)一致;精平時(shí)刮掉灰土層 5～10，杜絕精平后找補(bǔ)現(xiàn)象。

4.2 控制含水量

灰土最后一次拌和前，試驗(yàn)人員應(yīng)及時(shí)檢測(cè)含水量。春季和夏季施工，灰土含水量一般控制在比最佳含水量高 1%～2%;雨季施工，由于空氣潮濕，一般控制在最佳含水量 ±1%之間。達(dá)不到最佳含水量時(shí)，需及時(shí)灑水補(bǔ)充，然后翻拌;含水量過大則需晾曬，接近施工最佳含水量時(shí)再碾壓。

4.3 雜物清除

人工配合機(jī)械作業(yè)，將灰土中超規(guī)格的石塊、土塊等雜物清理干凈，特別是表面土塊和石塊的清理避免精平時(shí)土、石夾在平地機(jī)刀片中，帶出溝槽坑洼。

4.4 拌和質(zhì)量控制

在灰土施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制松鋪厚度不大于灰土拌和機(jī)的有效拌和深度，且最厚不大于25 cm?；彝涟韬蛻?yīng)均勻，不留“素土”、施工層間夾層。

4.5 壓實(shí)質(zhì)量控制

壓實(shí)要在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)范要求的密實(shí)度;灰土含水量過大或過小或表面過濕時(shí)，應(yīng)禁止碾壓，待灰土含水量滿足要求且灰土層不粘輪時(shí)方可碾壓;如果施工區(qū)段較長，碾壓不可能在短時(shí)間內(nèi)完成，灰土填層表面應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充水分，待水分浸透下去，表面多余水分基本吹干，碾壓不粘輪時(shí)再進(jìn)行補(bǔ)壓。

4.6 石灰質(zhì)量控制

石灰標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到 3級(jí)以上，石灰進(jìn)場后應(yīng)盡快使用，盡量縮短存放時(shí)間;存放期間應(yīng)覆蓋，防止雨淋;消解時(shí)間一般控制在7 d以內(nèi)，以免有效成分衰減損失過大。

5 施工體會(huì)

摻入相應(yīng)劑量的石灰能有效改善膨脹土的性能，相對(duì)一般路基施工工藝主要增加石灰摻入的過程，既增加了拌和工藝，且易于操作。填料拌制時(shí)，均應(yīng)拌制成粉狀或細(xì)小的顆粒狀，不應(yīng)含有大塊土團(tuán)或大顆粒，否則石灰土的性能將受到很大的影響，這是石灰改良膨脹土填料質(zhì)量控制的關(guān)鍵。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制最佳含水量、松鋪厚度、拌和深度。

[1] 徐敦美.膨脹土路基石灰改良施工工藝試驗(yàn)研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2005.

[2] JTG 013-95，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB 10035-2002，鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].