于 新，孫 強(qiáng)

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院江蘇南京210098）

根據(jù)中央決定，江蘇省沿海開發(fā)已經(jīng)列入國(guó)家戰(zhàn)略，便利的交通條件是沿海開發(fā)成功的重要條件。在此背景下江蘇省決定建設(shè)臨海高等級(jí)公路，規(guī)劃里程貫穿連云港、鹽城、南通三市，全長(zhǎng)近500 km。臨海高等級(jí)公路由于臨海而建，將不可避免地面臨鹽漬土地基及路基處理的問題。濱海地區(qū)鹽漬土具有鹽脹性、溶陷性、腐蝕性、翻漿、吸濕軟化、次生鹽漬化等問題，若不采取處治措施將影響道路的正常使用[1]。

我國(guó)對(duì)鹽漬土路基的研究主要針對(duì)西北內(nèi)陸[2-5]和環(huán)渤海灣地區(qū)[6-8]鹽漬土進(jìn)行，而針對(duì)江蘇濱海地區(qū)鹽漬土的研究尚缺乏。課題研究以臨海高等級(jí)公路如東段為依托開展，臨海高等級(jí)公路如東段全長(zhǎng)62 km，為雙向四車道一級(jí)公路。

1 試驗(yàn)方案

課題研究采用如東濱海地區(qū)氯鹽漬土為試驗(yàn)用土，采用水泥石灰復(fù)合改良方案。試驗(yàn)中共選擇了11組不同的改良劑劑量，試驗(yàn)方案見表1。

課題研究把無(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)改良鹽漬土強(qiáng)度特性的指標(biāo)。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7天、28天和90天的試件。

表1 鹽漬土改良方案Tab.1 Improving program of saline soil

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

無(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度是指試件達(dá)到養(yǎng)生齡期后，飽水一天，在無(wú)側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。它是路基填料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，反應(yīng)了材料在外力作用下抵抗破壞的能力，能快速準(zhǔn)確地反映試件的強(qiáng)度特性。

2.1 改良鹽漬土強(qiáng)度發(fā)展特性

改良鹽漬土不同齡期無(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度隨水泥石灰劑量變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 水泥+石灰8%總劑量改良鹽漬土強(qiáng)度狀況Fig.1 Strength condition of improved saline soil in 8%dose of cement and lime

圖2 水泥+石灰10%總劑量改良鹽漬土強(qiáng)度狀況Fig.2 Strength condition of improved saline soil in 10%dose of cement and lime

由圖1～3中的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論:

1）各種改良方案的強(qiáng)度隨齡期的增加而增大，且前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)緩慢，原因是無(wú)機(jī)結(jié)合料與水的反應(yīng)是一個(gè)較長(zhǎng)的過程，隨著時(shí)間的推移反應(yīng)越來(lái)越充分；

2）某一特定齡期下，對(duì)于改良劑總量一定的改良鹽漬土，隨石灰劑量減少、水泥劑量增加，改良鹽漬土強(qiáng)度有所增加。因?yàn)樗嗟脑黾?，增加了水化產(chǎn)物的生成，而水泥在強(qiáng)度的形成過程中又起主導(dǎo)作用，故總體強(qiáng)度增加；

3）隨著總劑量的增加，改良鹽漬土強(qiáng)度增加不明顯，且8%總劑量的強(qiáng)度已滿足強(qiáng)度要求，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，宜采用8%的總劑量。

圖3 水泥+石灰12%總劑量改良鹽漬土強(qiáng)度狀況Fig.3 Strength condition of improved saline soil in 12%dose of cement and lime

2.2 水泥劑量不變條件下石灰對(duì)改良鹽漬土強(qiáng)度發(fā)展特性影響

水泥劑量不變的條件下石灰劑量變化對(duì)改良鹽漬土強(qiáng)度影響情況如表2所示。

由表2中的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論:

1）對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期7天和28天的試件，在水泥劑量一定的情況下，隨著石灰劑量的增加，試件強(qiáng)度增加不明顯有的甚至減小。因?yàn)槭覐?qiáng)度形成比較緩慢，早期強(qiáng)度中水泥起主要作用，而石灰又吸收土壤中的水分阻礙了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行；

2）對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期90天的試件，在水泥劑量一定的情況下，隨著石灰劑量的增加，試件強(qiáng)度成增大趨勢(shì)。因?yàn)?0天養(yǎng)生齡期后石灰強(qiáng)度已經(jīng)基本形成，故石灰劑量的增加對(duì)后期強(qiáng)度有明顯影響；

3）對(duì)于水泥石灰改良鹽漬土而言，早期強(qiáng)度中水泥起主導(dǎo)作用，而石灰的添加則有助于提高后期強(qiáng)度。

表2 特定水泥劑量下改良鹽漬土強(qiáng)度隨石灰劑量變化情況Tab.2 Intensity change with lime dose of improved saline soil in special cement dose

3 改良鹽漬土微觀特性研究

通過對(duì)改良鹽漬土無(wú)側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，水泥石灰改良方案既有利于早期強(qiáng)度的提高，也有利于后期強(qiáng)度的發(fā)展。課題研究采用掃描電鏡（SEM）對(duì)改良鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而可以從微觀層面了解改良鹽漬土的物理性質(zhì)和力學(xué)性能的形成和發(fā)展，選擇以9%石灰+3%水泥和6%石灰+6%水泥兩個(gè)改良方案為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

3.1 不同改良劑用量下改良鹽漬土的微觀特性分析

兩種不同改良劑用量下改良鹽漬土28天齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的500倍及4 000倍電鏡照片如圖4所示。

圖4 水泥+石灰改良土不同倍率的SEM圖Fig.4 SEM of lime and cement modified soil at different magnification

通過對(duì)比以上照片可以發(fā)現(xiàn):

在500倍率微觀照片下，6%石灰+6%水泥比9%石灰+3%水泥的整體性更好；在4 000倍率微觀照片里，6%石灰+6%水泥呈現(xiàn)出密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且顆粒間有大量的纖維狀和柱狀晶體連結(jié)，形成一個(gè)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而9%石灰+3%水泥只是呈現(xiàn)出較為密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在顆粒間只有很少量的纖維狀和柱狀晶體連結(jié)顆粒。

隨水泥劑量的增加和石灰劑量的減少，改良鹽漬土的凝膠物質(zhì)、纖維狀及柱狀晶體生成物均明顯增加，使改良鹽漬土形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有更好的整體性，從而使強(qiáng)度增加，這與之前的試驗(yàn)結(jié)論是一致的。

3.2 不同齡期改良鹽漬土的微觀特性分析

改良鹽漬土7天、28天及90天齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的4 000倍電鏡照片如圖5所示。

圖5 6%水泥+6%石灰改良土7，28，90 d齡期SEM圖Fig.5 SEM of 6%cement and 6%lime modified soil at 7，28，90 d of age

通過對(duì)比以上照片可以發(fā)現(xiàn):

隨著齡期的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部生成許多棒狀和纖維狀結(jié)晶體，這些礦物遍布于土粒之間，將土粒連接成整體，形成凝膠及纖維晶體結(jié)構(gòu)。這些物質(zhì)相互交織，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

養(yǎng)護(hù)齡期的增加，主要是使得水泥的水化反應(yīng)及石灰的火山灰反應(yīng)、離子交換作用、氫氧化鈣的碳酸化反應(yīng)和結(jié)晶反應(yīng)更加充分，從而使得土顆粒的團(tuán)聚化、結(jié)晶化、網(wǎng)狀化更明顯，從而提高了改良鹽漬土的強(qiáng)度。

4 利用效益－費(fèi)用比法進(jìn)行改良方案比選

為論證工程的經(jīng)濟(jì)合理性和財(cái)務(wù)可行性，需要進(jìn)行工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，就是一般所說(shuō)的效益－費(fèi)用分析，其中包括效益－費(fèi)用比法、內(nèi)部回收率法及凈現(xiàn)值法等。所謂的效益－費(fèi)用比是指工程效益B與工程費(fèi)用C的比值，用此值來(lái)評(píng)價(jià)工程的合理可行性，是目前國(guó)際上廣泛采用的方法[6]。

4.1 效益計(jì)算

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是路基填料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，反應(yīng)了材料在外力作用下抵抗破壞的能力，能快速準(zhǔn)確地反映試件的強(qiáng)度特性，所以選擇無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為效益比較合適。但由于水泥石灰強(qiáng)度形成需要一定的時(shí)間，所以不宜采用初期強(qiáng)度，此次選用28天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為效益。水泥石灰改良鹽漬土不同改良方案下的28天無(wú)側(cè)限浸水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 方案的效益Tab.3 Benefit of the program

4.2 費(fèi)用計(jì)算

因?yàn)槎~中的工、機(jī)這兩部分不能明確確定，所以為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮料這部分?，F(xiàn)計(jì)算每10 000 t土方量所需的費(fèi)用，由調(diào)查可知，江蘇省地區(qū)石灰的價(jià)格為300元·t-1左右，水泥的價(jià)格為500元·t-1左右。以石灰10%+水泥2%為例，每10 000 t土方量所需的石灰量為1 000 t，水泥量為200 t，費(fèi)用為40萬(wàn)元。按照此方法計(jì)算其他改良方案的費(fèi)用，結(jié)果如表4所示。

表4 方案的費(fèi)用Tab.4 Cost of the program

4.3 效益－費(fèi)用比計(jì)算

計(jì)算不同方案的效益－費(fèi)用比值，結(jié)果如表5所示。

表5 方案的效益－費(fèi)用比Tab.5 Benefit-cost ratio of the program

由表5可知:5%石灰+3%水泥方案的效益－費(fèi)用比最高，且其滿足力學(xué)強(qiáng)度要求，故選擇5%石灰+3%水泥為最終改良方案。

5 結(jié)論

1）某一特定齡期下，對(duì)于改良劑總量一定的改良鹽漬土，隨石灰劑量減少、水泥劑量增加，改良鹽漬土強(qiáng)度有所增加。

2）改良鹽漬土的強(qiáng)度隨齡期的增加而增大，且前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)緩慢。對(duì)于水泥石灰改良鹽漬土而言，早期強(qiáng)度中水泥起主導(dǎo)作用，而石灰的添加則有助于提高后期強(qiáng)度。

3）通過對(duì)改良鹽漬土微觀特性的分析發(fā)現(xiàn)，隨著改良鹽漬土內(nèi)凝膠物質(zhì)、結(jié)晶礦物的增多，土顆粒逐漸由松散狀態(tài)向團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，這是其強(qiáng)度形成及增長(zhǎng)的主要原因。

4）由效益－費(fèi)用比評(píng)價(jià)可知，5%石灰+3%水泥方案的效益－費(fèi)用比最高，綜合考慮強(qiáng)度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性，最終推薦選用5%石灰+3%水泥的改良方案。

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