胡 濤，劉 文

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410205)

湖區(qū)堤頂水量豐富，吹填砂的強度高、水穩(wěn)定性好，非常適宜于吹砂填筑處理地基。但考慮到砂粒粘聚力不強，砂粒形成的結(jié)構(gòu)較為松散，對吹砂填筑形成的邊坡穩(wěn)定性會造成一定影響，因此在吹砂填筑設(shè)計時必須考慮邊坡穩(wěn)定性問題。在吹砂填筑中，單獨使用砂不能滿足要求，常采用穩(wěn)定劑將其固化來提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性[1-2]。目前，淤泥軟土穩(wěn)定劑的種類很多，如膠凝材料、無機材料等，不同材料的穩(wěn)定效果不一致，采用何種材料進行適配是進行吹砂填筑試驗的關(guān)鍵問題。通過現(xiàn)場適配試驗研發(fā)出技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、使用性能較好的穩(wěn)定劑是吹砂填筑施工的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)關(guān)于吹砂填筑的穩(wěn)定性研究較多，但對穩(wěn)定劑種類研究較少，李戰(zhàn)國等[3]進行了6種穩(wěn)定劑下的吹填砂穩(wěn)定材料固化試驗研究，確定了最佳穩(wěn)定劑材料種類，但其研究成果具有局限性，不能完全適用于各種類型的吹砂填筑。實踐證實了一些穩(wěn)定劑難以達到預(yù)期穩(wěn)定效果，雖然部分離子穩(wěn)定劑對穩(wěn)定軟土具有較好效果，但價格普遍較高，不適推廣運用。本文分析對象為某湖區(qū)堤頂公路，其吹填砂含量大，水源豐富，為獲得最佳穩(wěn)定效果，選擇多種穩(wěn)定劑進行試驗，通過設(shè)置不同材料配比獲得最適宜于該項目地區(qū)的穩(wěn)定劑。

1 試驗材料及內(nèi)容

以某湖區(qū)堤頂公路所在區(qū)域K1+170～K1+320路段的原材料作為本文試驗材料。吹砂填筑路基施工最主要內(nèi)容為砂源選定，對選定的砂源取樣進行CBR值試驗、擊實和含泥量試驗。

項目線路主要為填方路基，多在原有河堤左側(cè)開挖后吹填河砂加寬，加寬區(qū)段的河砂為新近吹填，砂粒粒徑很小，為粉砂，均含少量粘粒，狀態(tài)松散，厚度較大(一般厚約3.5～5.5 m)，物理力學性質(zhì)較差，承載力低。

1.1 砂及淤泥

砂和淤泥的各項技術(shù)指標見表1。

表1 吹填砂和淤泥的物理及化學性能指標試驗結(jié)果原材料天然含水率/%天然密度/(g·cm-3)比重干密度范圍/(g·cm-3)孔隙比液限/%塑限/%pH值吹填砂5.92—2.671.35～1.640.63～1.03——9.5淤泥65.31.32——1.524112.58.3

由表1可知，吹填砂及淤泥的PH值均為堿性，從淤泥的液限、塑限值可判斷其處于流塑狀態(tài)。由于項目地區(qū)的淤泥烘干后凝成較大硬塊，難以匯出顆粒級配曲線(顆粒級配受人工粉碎程度影響，粉碎程度不大時往往很難測出級配曲線)。對該砂進行篩選，結(jié)果表明粒徑在0.075～0.3 mm區(qū)間的吹填砂居多，該區(qū)間的砂礫質(zhì)量通過率達到了97%，根據(jù)級配屬性可確定屬于不良級配。

1.2 穩(wěn)定劑

采用7種穩(wěn)定劑，其中水泥穩(wěn)定劑作為對比試驗組。試驗穩(wěn)定劑組成如表2所示。表2中7種穩(wěn)定劑的粉磨細度均大于350 m2/kg。

表2 穩(wěn)定劑組成分類類型穩(wěn)定劑組成W0普通硅酸鹽水泥W1膠凝材料+熟石灰+硫酸鈉+礦渣W2膠凝材料+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇W3膠凝材料+硫酸鹽激發(fā)劑+減水劑+礦渣+粉煤灰W4膠凝材料+硫酸鋁+碳酸鈉+尿素+減水劑+有機高分子化合物W5膠凝材料+石膏+有機高分子化合物+熟石灰+減水劑W6膠凝材料+石膏+堿+減水劑+生石灰+礦渣W7水泥熟料+沸石粉+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇+乙烯基樹脂+丙烯酸酯+羧甲基纖維素鈉

1.3 試驗內(nèi)容

1.3.1獲取最佳吹填砂和淤泥配比

試驗采用W2水泥穩(wěn)定劑(摻量為6%)，以吹填砂和淤泥比例為研究變量，淤泥和吹填砂比例設(shè)置11種，即：1∶0、0.9∶0.1、0.8∶0.2、0.7∶0.3、0.6∶0.4、0.5∶0.5、0.4∶0.6、0.3∶0.7、0.2∶0.8、0.1∶0.9、0∶1。進行研究變量的試驗組合，通過測試試件的7d無側(cè)限抗壓強度求得最佳吹填砂和淤泥配比。

1.3.2獲取穩(wěn)定強度最高的穩(wěn)定劑

按照表2穩(wěn)定劑類型進行不同穩(wěn)定劑下的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度。以穩(wěn)定劑摻量為變量，制作試件進行7 d及28 d下的無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度、水穩(wěn)性能、凍融性能試驗。由此確定最佳穩(wěn)定劑摻量組合。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗中相關(guān)試件的物理性能試驗、凍融循環(huán)試驗等參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)、 《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)、 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)進行。

2.1 最佳吹填砂和淤泥配比試驗

采用穩(wěn)定劑W2，對11種不同比例的泥砂各設(shè)置3組試件，進行7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果取平均值。不同泥砂比例的混合料7 d無側(cè)限抗壓強度如表3所示。

表3 不同泥砂比例下的穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果 序號淤泥和吹填砂比例7 d無側(cè)限抗壓強度均值/MPa11∶00.3920.9∶0.10.4230.8∶0.20.4640.7∶0.30.5550.6∶0.40.6760.5∶0.50.7870.4∶0.60.8680.3∶0.71.1990.2∶0.80.87100.1∶0.90.25110∶10.33

由表3可知，當泥沙比大于0.3∶0.7時，隨著泥砂比增大，其7 d無側(cè)限抗壓強度均值逐漸減少；當泥沙比小于0.3∶0.7時，其7 d無側(cè)限抗壓強度均值降低，尤其是泥沙比為0.1∶0.9時，7 d無側(cè)限抗壓強度均值最??；全部為砂時，其7 d無側(cè)限抗壓強度值僅為0.33 MPa，顯然并非砂含量越大越好，這里選擇淤泥與吹填砂比例為0.3∶0.7，作為后續(xù)試驗的泥砂比。

2.2 獲取穩(wěn)定強度最高的穩(wěn)定劑試驗

采用0.3∶0.7的泥沙比，進行不同穩(wěn)定劑試驗(見表2)，穩(wěn)定劑摻量為7%[3]，每組穩(wěn)定劑均制作6組試件，獲取試件的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度值，試驗值取均值。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同穩(wěn)定劑試件下的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果 泥沙比穩(wěn)定劑無側(cè)限抗壓強度/MPa7 d28 dW01.161.66W11.321.83W21.772.180.3∶0.7W31.392.02W40.821.38W50.621.57W60.461.32W71.231.73

由表4可知，在泥砂比相同情況下，不同穩(wěn)定劑下試件7 d及28 d的無側(cè)限抗壓強度值有較大差異，總體來說W2穩(wěn)定劑下的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度值均最大，其次是W3、W1，而W4、W5、W6穩(wěn)定劑的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度值偏小。W7穩(wěn)定劑下的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度值較大，但其組成成分種類多，并不經(jīng)濟。

表4中7種穩(wěn)定劑強度差異原因如下：

1)堿性環(huán)境下，強度低的穩(wěn)定劑產(chǎn)生膨脹型水化物。如W4穩(wěn)定劑混合料產(chǎn)生了Al2(SO4)3組分；W5穩(wěn)定劑混合料中產(chǎn)生石膏組分等。膨脹型水化產(chǎn)物會破壞凝膠體的強度骨架，從而降低造穩(wěn)定土的強度。

2)穩(wěn)定劑自身會產(chǎn)生凝膠量，該凝膠量能顯著影響穩(wěn)定土的強度，如W6穩(wěn)定劑中膠凝組分硬化程度相對不高，水化時產(chǎn)生的C-S-H膠凝量也相對較少，而W2穩(wěn)定劑含有膠凝組分較多，使得該類穩(wěn)定土強度高。為此，可以從穩(wěn)定劑材料的本身活性入手來調(diào)配穩(wěn)定土強度，提高穩(wěn)定劑中高活性膠凝材料含量，控制好膨脹組分及堿組分含量。

2.3 不同穩(wěn)定劑摻量下的試件物理及力學性能試驗

保持泥砂比不變，研究不同穩(wěn)定劑摻量對試件7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度的影響程度。穩(wěn)定劑選取表2中的W0、W2、W3。試驗結(jié)果如圖1所示。

a)7 d無側(cè)限抗壓強度

b)28 d無側(cè)限抗壓強度

由圖1可知，同一穩(wěn)定劑下，穩(wěn)定劑摻量影響試件的強度。隨著穩(wěn)定劑摻量增加，試件的7d及28d抗壓強度值也逐漸增大，如W3穩(wěn)定劑摻量為8%的試件，其28 d抗壓強度值是穩(wěn)定劑摻量為2%的試件的2.69倍。比較同一穩(wěn)定劑摻量下不同穩(wěn)定劑種類的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)W2穩(wěn)定劑的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度值均比其他穩(wěn)定劑類型的強度值要高。其主要原因是W2中C-S-H凝膠劑增多,使試件硬化程度得到較大提高，從而提高了試件整體強度。

2.4 劈裂抗拉強度

保持泥砂比不變，7%穩(wěn)定劑摻量下的28d劈裂抗拉強度結(jié)果如表6所示，各組試件均有3組，取試驗結(jié)果的平均值。W0、W2、W3穩(wěn)定劑下的穩(wěn)定土的劈裂強度分別為0.55、0.56、0.42 MPa。3種穩(wěn)定劑的劈裂強度均大于0.4 MPa，滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)中劈裂抗拉強度要求。W2與W0相比，劈裂強度相當，但W3穩(wěn)定劑下的試件劈裂強度相對于W0值下降了23.6%。

2.5 水穩(wěn)性能試驗

保持泥砂比不變，7%穩(wěn)定劑摻量下水穩(wěn)定性試驗(28 d標養(yǎng)干濕循環(huán)試驗)結(jié)果如表5所示。

表5 干濕循環(huán)試驗結(jié)果穩(wěn)定劑吸水率/%循環(huán)試驗后的試件抗壓強度/MPa未干濕循環(huán)試件抗壓強度/MPa干濕循環(huán)后試件抗壓強度變化率/%W03.923.152.8112W23.456.823.5691.6W33.834.193.3126.6

表5展示了3種不同穩(wěn)定劑下的試件干濕循環(huán)試驗結(jié)果，3種不同穩(wěn)定劑導致的干濕循環(huán)試驗結(jié)果差異性較大。W2穩(wěn)定劑循環(huán)試驗后的試件抗壓強度值最大，抗壓強度變化率最大，效果最佳。穩(wěn)定土吸水率影響試件強度，呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，即吸水率越高，抗壓強度越低。如W2吸水率為3.45%，但強度值為6.82 MPa，顯著高于其他2種穩(wěn)定劑的強度，吸水率卻最低。其主要原因是W2穩(wěn)定劑中有聚乙烯醇及聚丙烯酰胺，這類物質(zhì)較好地提高了土粒間的團聚作用，使其能較好地削弱土粒間的表面能，從而使土粒與水之間的作用減弱，達到增強土粒與膠凝水化物強度目的，整個穩(wěn)定土的水穩(wěn)性增強，也是W7穩(wěn)定劑下穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強度較大的原因之一。

2.6 凍融性能試驗

保持泥砂比不變，7%穩(wěn)定劑摻量下凍融性試驗結(jié)果如表6所示。

表6 凍融試驗結(jié)果穩(wěn)定劑試件質(zhì)量損失達5%時對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)凍融循環(huán)后試件抗壓強度/MPa未凍融的試件抗壓強度/MPa凍融循環(huán)后試件抗壓強度損失率/%W0320.371.7779.1W2370.862.2962.4W3190.252.2188.7

表6中，不同穩(wěn)定劑摻量下的凍融試驗結(jié)果差異性較大，凍融循環(huán)后的試件抗壓強度與試件質(zhì)量損失達到5%時的循環(huán)次數(shù)均具有較大差異，其中W2穩(wěn)定劑摻入土層后表現(xiàn)出的結(jié)果最佳，如W2試件凍融循環(huán)后抗壓強度值為0.86 MPa，顯著高于W3的0.25 MPa，其凍融循環(huán)后的強度損失率最低，仍滿足規(guī)定填料要求。

3 最佳穩(wěn)定劑下的吹砂填筑施工現(xiàn)場穩(wěn)定性監(jiān)測

吹砂填筑路堤的穩(wěn)定性監(jiān)測是必測項目，一般通過對預(yù)先設(shè)定的邊樁進行水平位移及地表隆起測量數(shù)據(jù)分析來判斷路堤的穩(wěn)定性[4-6]。采用W2穩(wěn)定劑，同時保持淤泥與吹填砂的比例為0.3∶0.7進行試驗段填筑。

試驗段中每隔100 m設(shè)定一個觀測斷面，對邊樁進行固定，每個邊樁位置取上、下2個測試點。對一個600 m范圍內(nèi)的標準段進行觀測，設(shè)置4個斷面，不同時間段內(nèi)進行位移和沉降量觀測，具體測試數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 吹砂填筑地基穩(wěn)定性測點位移監(jiān)測結(jié)果mm 時間位置測點1測點2測點3測點4水平位移豎向位移水平位移豎向位移水平位移豎向位移水平位移豎向位移30 d上841459114673873328下333732353838291860 d上4269547440472725下272726292921201490 d上3152435829352421下1723232520161210120 d上2832273423221819下11151821181388150 d上122013171113107下611866633累計上196318228329176204112100下105113107116111927262

由表7可知，4個測點的水平位移均比豎向位移小，同一測點的水平位移或豎向位移隨著時間增長位移值逐漸降低，累計到150 d時，30 d內(nèi)的位移值降低到15 mm以下，路基趨于穩(wěn)定。其中，測點2的水平及豎向位移值累計量最大。測點2位置不同時間的水平及豎向位移增長曲線如圖2所示，圖2中測點2不同位置處的水平及豎向位移呈現(xiàn)先增大后減少趨勢，在150 d時降低到20 mm以下，小于規(guī)定設(shè)計值?？梢姡罴逊€(wěn)定劑及泥沙比條件下的地基穩(wěn)定性滿足規(guī)定要求。

圖2 測點2在不同時間下的位移量實測值曲線

4 結(jié)論

1)采用不同比例的淤泥和吹填砂混合物為基料，當泥砂質(zhì)量比為0.3∶0.7時，其混合物的7d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果最優(yōu)。

2)W2穩(wěn)定劑下的7 d及28 d無側(cè)限抗壓強度值最大，穩(wěn)定效果最佳。其主要組分包括水泥熟料+沸石粉+聚丙烯酰胺+聚乙烯醇+乙烯基樹脂+丙烯酸酯+羧甲基纖維素鈉。采用W2穩(wěn)定劑穩(wěn)定砂土能夠獲得較好的抗壓強度、劈裂抗拉強度、水穩(wěn)定性及凍融特性。

3)最佳泥沙比及最佳穩(wěn)定劑下試驗段的長期穩(wěn)定性滿足要求。