董柏富

（富陽市交通運輸局）

摻石灰改善濕軟土路基填料的施工技術(shù)探討

董柏富

（富陽市交通運輸局）

1 引言

在多雨、地表常年潮濕、地下水位較高、水網(wǎng)發(fā)達等地段、地區(qū)的路基建筑施工中，常常遇到高含水率土料或過濕土料。當(dāng)路基填筑料和基底含水率較高時，土料中自由水充沛，進行路基碾壓的壓實載荷大部分由空隙中的自由水承受，土粒有效應(yīng)力減小，碾壓不密實，強行壓實會使土體破壞，達不到設(shè)計和規(guī)范要求的壓實度。因此，在公路路基施工中，當(dāng)采用濕軟土填筑路基時，必須降低路基填料和基底土料的含水率，才能把基底和路基填筑、碾壓密實，從而保證路基的穩(wěn)定性和堅固性。石灰具有料源廣、經(jīng)濟、性能好、適應(yīng)性強、施工方便等優(yōu)點，采用摻石灰改善濕軟土路基填料的方法可以縮短工期，減少翻打次數(shù)，土粒容易粉碎，進行處治后的灰土如果降雨等使其含水率增加后，再次改善時的翻拌、晾曬也容易進行。

2 使用含水率高的土料進行路基填筑的主要問題

2.1 施工周期長，經(jīng)濟效益差

由于土質(zhì)天然含水率大，與施工控制含水率差距大，夏季需晾曬5-6個晴天，春秋需6-8個晴天，才能達到施工要求。而在氣候多雨，雨期長、降雨頻繁，施工日少地區(qū)，靠晾曬降低含水率顯然不行，有時還未碾壓又下雨，只好再等，一層土往往要較長時間才能完成。施工周期長，機械臺班也大大增加，無疑使工程造價提高。

2.2 施工難度大，存在的技術(shù)問題多

過濕黏土塑性指數(shù)大，土質(zhì)顆粒細，裹水能力強。因此，當(dāng)過濕黏土在含水率大時，土塊很難破碎，太干時，粉碎碾壓又成問題。旋耕機打不碎，壓路機壓不密，造成壓實土有孔洞，壓實度達不到要求。有的施工單位苛求低含水率依靠加大壓實功達到壓實度要求，但在日后使用過程中，會吸收更多的水分才能趨于穩(wěn)定，造成吸水膨脹，干密度降低，引起工程質(zhì)量隱患。壓密成型的過濕黏土路基，表面極易失水干縮，形成干縮裂縫，一旦有雨水滲入，又會使壓實成型的土路基達不到壓實度要求，導(dǎo)致返工。

2.3 高液限土路基病害多

對于采用含水率高的高液限土填筑路基，常存在以下幾種病害：

①龜裂：高液限土具有很高的塑性、親水性和保水性，路基碾壓成型后，干燥時隨水分的散失土體將嚴(yán)重干縮龜裂，雨水可通過裂縫直接灌入土體深處，使土體深度膨脹濕軟，從而喪失承載能力；

②坍塌：土體浸水時體積膨脹，當(dāng)膨脹受到約束時土體內(nèi)產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)超過上部載荷時，路基出現(xiàn)嚴(yán)重的崩解，造成局部坍塌；

③隆起：高液限水毛細作用強，在毛細水的作用下，土體體積膨脹向上隆起，引起路基破壞，并造成道路面層的損害。

3 摻石灰改善高含水填料的機理分析

3.1 摻石灰的主要作用

①吸水作用，由于生石灰的含水率都低于濕軟土，也低于濕軟土與石灰混合土料的最佳含水率，所以生石灰與濕軟土混合后能吸收其中的部分水分，從而降低含水率。

②蒸發(fā)作用，生石灰在吸收水分后釋放熱量，促使混合土的水分蒸發(fā)，可進一步降低混合土料的含水率。

③離子交換作用，石灰在溶液中電離出的鈣離子與土中的Na+、H+、K+等離子產(chǎn)生交換作用，減少了濕軟土粒表面的吸附水膜厚度，使土粒相互之間更為接近，分子引力增加，許多個土粒聚合成小粒團，使土的塑性降低，受外來水的影響也減小，提高了水穩(wěn)定性。

④碳酸化作用，Ca(OH)2+ CO2——CaCO3+H2O。碳酸鈣是堅硬的結(jié)晶體，它和其他生成的復(fù)雜鹽類把土膠結(jié)起來，使得土顆粒粗粒化。

⑤結(jié)晶作用，Ca(OH)2+ H2O——Ca(OH)2·nH2O；Ca(OH)2+ nH2O +SiO2——CaSiO3·(n+1)H2O。以上生成的石灰結(jié)晶網(wǎng)格和含水碳酸鈣結(jié)晶都是膠凝物質(zhì)，具有水硬性并能在固體和水兩相環(huán)境下發(fā)生硬化，可減少土的滲透性，起到截斷毛細管以阻斷毛細水上升的作用。同時消耗掉一部分濕軟土中的水分，也使得土顆粒粗?；?。

3.2 石灰摻量的理論計算

降低路基填料和基底含水率的石灰產(chǎn)量計算，應(yīng)考慮石灰與土料和水產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)消耗的水量，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量蒸發(fā)掉的水量，以及混合料的施工控制含水率與原素土的施工控制含水率不同產(chǎn)生的變化等。應(yīng)用較多的計算方法如下：

①基于石灰粉為干料，土為濕料，干濕摻拌降低土料的含水率，土料含水率降低量為：

②在氧化鈣與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程中，生石灰中有效的氧化鈣將吸收土中的水分為：

③生石灰中游離氧化鈣與水發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)Ca(OH)2，使固體成分增加。固體成分增加即為土中水分的減少量，即Δp2= Δω2。

④石灰在拌和、悶料過程中水分蒸發(fā)引起含水率變化。假設(shè)生石灰摻入濕軟土中拌和至碾壓期間水分蒸發(fā)量為Δω3，蒸發(fā)系數(shù)為η，則：Δω3= ηΔω2。

匯總以上四個因素，設(shè)濕軟土中的水分為ω0，濕軟土中的干土重為p0，則摻量為α的磨細生石灰引起的含水率下降可按下式計算：

其中，ωsg為石灰處治土的施工控制含水率。利用上式就可計算生石灰的摻入量，即：

由于蒸發(fā)系數(shù)、石灰化學(xué)反應(yīng)程度等因素難以確定，上述計算只能作為初步估算，作為摻灰試驗摻量的參考值，較為準(zhǔn)確地確定摻灰量還需要通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗確定。

4 施工方法及質(zhì)量控制

4.1 灰土含水率、壓實遍數(shù)與壓實度的關(guān)系

對黃土灰土的碾壓試驗。在同樣的含水率下，壓實遍數(shù)由1次增加到2次時土體干密度增加很大，此后則效果作用不大。這是因為在1次增加到2次時，不但提高了壓實功能，同時壓實1次后灰土毛細管形成，在與2次碾壓間的空歇時間內(nèi)土體中水分在毛細作用下運動，使水分均勻，增加了土體的可塑性，使得第2次壓實效果顯著。

4.2 摻石灰改善濕軟路基基底的施工

①清除原地表，在路基縱面兩側(cè)挖好50cm×60cm的臨時排水溝，或開挖臨時排水井降低地下水位，進行晾曬；

②現(xiàn)場測定原狀土天然含水率；

③翻耕：翻耕深度為20~30cm；

④粉碎土塊：使用旋耕機反復(fù)粉碎，直至土質(zhì)均勻，無明顯土塊為止；

⑤晾曬：根據(jù)天氣情況，每天翻耕1~2遍進行晾曬，并及時檢測含水率，當(dāng)土的含水率降至適合摻灰時，馬上進行摻灰改善；

⑥攤鋪外摻劑：外摻劑用量以干灰重與干土重之比計算，摻灰量用下式計算：

⑦翻拌：鋪灰整平后，先用翻耕機翻一遍，然后用旋耕機翻拌，使土和石灰充分拌和均勻為止；

⑧壓實：翻拌均勻后用推土機推平，壓路機靜壓1遍使石灰和土緊密接觸進行悶料，悶料過程中要根據(jù)天氣情況隨時測定含水率。當(dāng)含水率接近施工控制含水率時，馬上用翻耕機翻攪一遍，使表層灰土與里層含水率均勻一致，然后用壓路機先靜壓2遍，再振動碾壓3遍。

5 工程實例

成都北編組場位于成都市泰興鎮(zhèn)，站場路基土石方總量約500多萬m3，其中填方約300多萬m3，挖方約200多萬m3。由于土方施工主要集中在站場內(nèi)部，造成場地相對擁擠，加上成都雨水較多，路基填筑所用黏土含水率普遍較高。采取雨天遮蓋、晴天晾曬的方式達到降低填土含水率的做法顯然是既影響施工速度又缺乏經(jīng)濟效益的，因此需要對路基填筑所用的黏土進行改良，綜合考慮下，決定采用摻石灰的方法改善濕軟黏土。

為指導(dǎo)現(xiàn)場施工，首先進行了相關(guān)的室內(nèi)試驗，包括擊實試驗和無側(cè)限強度試驗。根據(jù)擊實試驗要求，對摻灰比例為0、3%、6%、10%和14%分別進行擊實。對于無側(cè)限強度試驗，首先配制一定量的摻灰率為3%的土料作為試驗參照，并記錄器養(yǎng)護結(jié)果；其次依次配制摻灰率為6%、10%和14%土料進行試驗。

摻加石灰后，混合土料的最大干密度在6%附近出現(xiàn)一個峰值，并且隨著摻灰率的繼續(xù)增加，最佳含水率隨之降低，因此可初步確定摻灰率為6%左右。摻灰率為10%時，混合土料的含水率達到最大，而進一步增加石灰含量則并不能增加混合土料的強度。綜合分析，當(dāng)混合土料的含灰率為6%時，其有壓膨脹率可降低到0，并且無側(cè)限強度、水穩(wěn)性和塑性等指標(biāo)均符合工程要求。因此，確定施工控制含灰率為6%。

施工工序為：旋耕機將25cm的土破碎、整平，當(dāng)天然含水率小于26%時，按松鋪土長10m、寬10m劃分網(wǎng)格撒鋪石灰，按含灰率6%計算好需要的石灰量，把需要的石灰分為3次（每次摻拌1/3）摻拌，接著靜壓2遍，微振2遍，重振4~10遍，最后靜壓1遍。