郭建文

(湖南省交建工程集團(tuán)有限公司， 湖南 株洲 412007)

0 引言

紅黏土作為不良路基土的一種，因其吸水能力強(qiáng)、壓縮量大、承載力小的特點(diǎn)，在路基填筑上的應(yīng)用受到限制，我國施工規(guī)范也明確提出要采取相應(yīng)技術(shù)措施處治后才能使用。在我國南方地區(qū)，由于存在大片的紅黏土土基，路基填筑施工時(shí)難免會用到紅黏土，因此對紅黏土施工技術(shù)的研究顯得極其重要，尤其是在提高紅黏土壓實(shí)度和降低含水量方面。紅黏土的天然含水率很高(一般在26%～40%之間)、透水性小，導(dǎo)致紅黏土很難達(dá)到壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，我國《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610-2019)規(guī)定特殊土路基在強(qiáng)度達(dá)到要求的前提下可適當(dāng)放低壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)研究表明，紅黏土壓實(shí)后的含水率在26.6%～ 30.3%之間時(shí)，強(qiáng)度很高[1]。但是要將紅黏土的含水率降下來并不容易，工地上通常采用翻拌晾曬的方法，要求翻拌深度達(dá)到20cm，每天至少2次，晾曬時(shí)間也要夠長。顯然這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅提高了造價(jià)，還延長了工期。目前對紅黏土路基每層的壓實(shí)厚度一般控制在25～30cm之間，適當(dāng)增加壓實(shí)功，可使壓實(shí)度提高到93%[2]。增加壓實(shí)功就是增加碾壓次數(shù)，紅黏土路基一般要碾壓8～10遍，而普通土基一般只需6遍，增加了碾壓次數(shù)就相當(dāng)于增加了人工費(fèi)用和設(shè)備使用費(fèi)用[3]。

針對上述問題，本文在研究紅黏土性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，提出了對紅黏土路基施工改良的方法，為紅黏土路基施工提供指導(dǎo)。

1 紅黏土的力學(xué)性能

試驗(yàn)土樣取自貴州某在建高速公路紅黏土路基，分別對不同位置和深度處的土體進(jìn)行鉆芯取樣，為避免取樣過程中水分的損失，取樣后立即加蓋并稱重，以各土樣測定的相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)室測定的紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)土樣編號取樣深度/m含水率W/%密度ρ/ g·cm-3 液限WL/%塑限WP/%塑性指數(shù)IP/%壓縮模量E/MPaS0-010.044.51.6271.342.129.26.48S0-020.043.11.6058.533.425.16.26S0-030.045.61.5264.336.228.15.74S0-040.030.21.7640.519.820.75.01S2-012.049.21.6862.635.826.84.85S2-022.053.61.7863.734.529.23.10S2-032.040.51.7460.637.223.44.72S2-042.045.31.5263.835.128.76.03S4-014.067.11.5895.658.437.26.32S4-024.065.31.6292.455.836.66.82S5-015.060.61.5870.640.530.14.54S5-025.065.51.6790.752.638.17.54

從表1中可以看出，紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜，同深度范圍內(nèi)紅黏土的含水率也不相同。2m取樣深度時(shí)的S2-02土樣與S2-03土樣的含水率值相差13.1%；在液限和塑限數(shù)據(jù)上也有相似的表現(xiàn)。高含水率紅黏土的液限、塑限和壓縮模量也很低。這說明紅黏土這種土質(zhì)十分松軟，同時(shí)又兼具較強(qiáng)的吸水和保水能力，外界水分的浸入會加劇土體結(jié)構(gòu)的松軟程度，使其承載能力顯著下降。對不同深度內(nèi)紅黏土的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在0～2m范圍內(nèi)時(shí)，隨著深度的增加，其含水率不斷升高，而塑性指數(shù)和壓縮模量卻不斷降低。這說明越深處的紅黏土越松軟，壓縮性更大，如果將不加處治的紅黏土直接用于填筑路基，將造成路基沉陷失穩(wěn)等病害，從而危害整個路面結(jié)構(gòu)。

2 地聚合物固化紅黏土的技術(shù)研究

2.1 地聚合物的定義

地聚合物是一種新型的膠凝材料，由具有高活性的粘土、粉煤灰和高爐礦渣等Si-Al質(zhì)材料組成，在NaOH、KOH等堿性溶液的激發(fā)下，在30℃～120℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成的一種Si-Al結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物。相對于水泥，地聚合物的生產(chǎn)過程中沒有溫室氣體的排放，無需高溫煅燒，生產(chǎn)原料部分取自工業(yè)廢物，是一種節(jié)能環(huán)保材料，同時(shí)兼具耐酸、收縮性小、凝結(jié)快速、抗壓強(qiáng)度高等良好力學(xué)性能，是目前最有希望取代水泥的新型膠凝材料[4-6]。

2.2 地聚合物的力學(xué)性能

分別以地聚合物和普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，取含水率為45%的紅黏土樣制成標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，達(dá)到齡期后測得各力學(xué)強(qiáng)度，將2種膠凝材料的性能進(jìn)行對比，綜合分析地聚合物作為膠凝材料的優(yōu)勢。不同膠凝材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表2所示。其中膠凝材料摻量參照水泥穩(wěn)定土樁處理軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)(摻量不得小于7%)，同時(shí)結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，故取12%摻量。

地聚合物材料具有高活性、高強(qiáng)度特性，經(jīng)堿性催化劑激活后，地聚合物中Si-Al質(zhì)原料快速反應(yīng)，生成大量的水化凝膠體，使得強(qiáng)度快速形成，硬化反應(yīng)4h后測得的抗壓強(qiáng)度就接近于最終強(qiáng)度，具有明顯的早強(qiáng)性[7-8]。因此，本文只測試了地聚合物材料養(yǎng)護(hù)4h和24h的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表2 不同膠凝材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度膠凝材料養(yǎng)護(hù)溫度/℃養(yǎng)護(hù)齡期/h摻量/%無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa水泥20±2 72168120.701.10粉煤灰地聚合物20±2 4 24121.211.47偏高嶺土地聚合物20±2 4 24121.181.32高爐礦渣地聚合物20±2 4 24121.381.63

由表2可知，各聚合物穩(wěn)定土養(yǎng)護(hù)4h時(shí)的抗壓強(qiáng)度均高于普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定土養(yǎng)護(hù)7d的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明：與普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定土相比，各聚合物穩(wěn)定土在更短的時(shí)間內(nèi)形成較高的抗壓強(qiáng)度;而水泥基材料的抗壓強(qiáng)度通常需要經(jīng)過數(shù)天的養(yǎng)護(hù)才能形成。兩者相比，地聚合物用于加固紅黏土路基時(shí)，不僅能使路基獲得較高的承載能力，還可以實(shí)現(xiàn)快速施工以縮短工期。

相同養(yǎng)護(hù)條件下，3種地聚合物膠凝材料的試件抗壓強(qiáng)度略有差異，這可能與地聚合物的原料有關(guān)。高爐礦渣不僅具有較高的Si、Al含量，還兼有較高的活性鈣含量，因此堿激發(fā)活性最高;粉煤灰是由煤炭燃燒后產(chǎn)生的細(xì)灰收集而來，其表面多為未反應(yīng)的活性微粒，同時(shí)形狀近似球形，因此激發(fā)活性和工作性都較好;偏高嶺土雖然也具有較高的Si、Al含量，但Si2+/Al3+比例太高，導(dǎo)致硬化緩慢[9]，因此其抗壓強(qiáng)度低于高爐礦渣和粉煤灰。

2.3 地聚合物的防滲性能

紅黏土由于本身高液限、高塑性的特點(diǎn)，土質(zhì)十分松軟，而其吸水能力強(qiáng)更是加劇了工程性質(zhì)上的不穩(wěn)定，故在對紅黏土路基進(jìn)行加固時(shí)需考慮防滲要求。將水泥穩(wěn)定土(12%摻量)、地聚合物穩(wěn)定土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，對比分析地聚合物的滲透性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 滲透試驗(yàn)結(jié)果材料滲透系數(shù)K/(cm·s-1)3 d7 d水泥穩(wěn)定土2.2×10-79.7×10-8地聚合物穩(wěn)定土4.1×10-82.3×10-8

由表3可知，雖然水泥穩(wěn)定土和地聚合物穩(wěn)定土的滲透系數(shù)都很小，但是聚合物穩(wěn)定土的防滲性能更好，且隨著齡期的延長，其滲透系數(shù)顯著降低。這與地聚合物能快速凝結(jié)并產(chǎn)生凝結(jié)晶體有關(guān)，凝結(jié)晶體使土壤顆粒相互膠結(jié)，提高了整體密實(shí)度，從而使穩(wěn)定土的防滲性能顯著提升。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

貴州某在建高速公路，路基土質(zhì)為紅黏土，土樣松軟，鉆芯取樣時(shí)進(jìn)尺較快，縱向打孔取土最大深度為5m，將所取土樣在試驗(yàn)室內(nèi)測定物理力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)深度越大的土樣其含水率和壓縮性越大(試驗(yàn)室測得的紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)見上表1)，鉆芯取樣如圖1所示?？紤]到貴州地區(qū)降水豐沛、雨季長、日照少的特點(diǎn)，加劇了紅黏土路基工程性質(zhì)上的不穩(wěn)定，以及常規(guī)方法施工后路基沉降大、施工期長的問題，故采用偏高嶺土地聚合物樁加固紅黏土路基。

圖1 紅黏土路基鉆芯土樣

3.2 路基處理

3.2.1基底處理

由于施工路基紅黏土較厚，首先將原地基進(jìn)行開挖，挖至路基標(biāo)高后，進(jìn)行地聚合物粉噴樁的施工。

3.2.2材料

本次地聚合物樁采用3%偏高嶺土地聚合物+9%生石灰的組合方式，生石灰與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生具有膠凝能力的水化物，并且其水化物偏堿性，有利于偏高嶺土地聚合物在堿性環(huán)境下激發(fā)活性；其水化過程在消耗大量水分的同時(shí)又釋放大量熱量，這樣不僅可以降低紅黏土中的含水量，還可以提高環(huán)境溫度，讓地聚合物水化反應(yīng)速度更快。

3.2.3粉噴樁施工

采用粉噴樁施工法鉆進(jìn)施工時(shí)，保持0.8～1.5m/min的鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)深度為5.0m。鉆頭提升攪拌時(shí)，應(yīng)使鉆頭反向轉(zhuǎn)動，并在向上提升的過程中，保持噴粉的連續(xù)性，提升速度控制在0.5～0.8m/min范圍，在最底面開始1/3～1/2的樁長范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行復(fù)攪，也可以全樁身復(fù)攪，確保膠凝材料與地基土拌合的均勻性，粉噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 粉噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)樁型樁距/m排距/m樁徑/cm樁長/m置換率三角形1.21.3505.00.118

3.2.4壓實(shí)

地聚合物樁施工4h后進(jìn)行路基壓實(shí)，14T雙鋼輪壓路機(jī)靜壓1遍，26T振動壓路機(jī)弱振1遍、強(qiáng)振3遍，30T膠輪壓路機(jī)靜壓1遍。

3.3 檢測

本施工路基為零填及挖方路基，每個路段按每100m選取6個點(diǎn)進(jìn)行壓實(shí)度檢測，以平均值作為各路段壓實(shí)度檢測結(jié)果，各路段壓實(shí)度檢測情況如圖2所示。

圖2 各路段壓實(shí)度檢測

由圖2可知，采用地聚合物樁加固后的路基壓實(shí)度大幅度提高，而壓實(shí)度的提高增強(qiáng)了路基的承載力和穩(wěn)定性，使路基對路面結(jié)構(gòu)起到了更好地支持。地聚合樁加固紅黏土地基在技術(shù)上是可行的。

4 結(jié)語

1)地聚合物強(qiáng)度形成時(shí)間較短，相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，地聚合物穩(wěn)定紅黏土的抗壓強(qiáng)度普遍高于水泥穩(wěn)定土。

2)地聚合物穩(wěn)定土的防滲性能更好，且隨著齡期的延長，其滲透系數(shù)顯著降低。

3)經(jīng)過采用地聚合物樁加固后的路基壓實(shí)度大幅度提高，而壓實(shí)度的提高增強(qiáng)了路基的承載力和穩(wěn)定性。地聚合樁加固紅黏土地基在技術(shù)上是可行的。