尚石磊， 章劍青， 張 賽， 李耀宇， 丁建文， 張瑞坤

(1.中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)有限公司， 河南 洛陽 471002； 2.東南大學(xué)江蘇華寧工程咨詢有限公司， 江蘇 南京 210002； 3.東南大學(xué)交通學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

引 言

隨著城市道路快速化改造建設(shè)進(jìn)程的加快，采用下穿式隧道實現(xiàn)道路立交的工程增多，且常使用明挖法進(jìn)行隧道的開挖施工，因而產(chǎn)生了大量的廢棄土方。這些土方一般進(jìn)行棄置或外運處理，造成了大量的資源浪費，如果能將其運用到工程建設(shè)中，既可以實現(xiàn)廢棄土方處理，減少資源浪費；又可以就地取材，提高工程效益。另一方面，填筑路基往往需要大量的土方，因此，可以將基坑開挖廢棄土方應(yīng)用到路基填筑中進(jìn)行消納。但對于力學(xué)性能較差的粉土，由于其具有強度低、易沖刷、難壓實等特征[1]，不能直接用于路基填筑，需對其進(jìn)行固化處理以達(dá)到路用力學(xué)性能要求。實際施工中通常采用摻加無機結(jié)合料等方法對其進(jìn)行固化，常用的無機結(jié)合料主要包括水泥、石灰、粉煤灰等[2-4]。

為充分發(fā)揮無機結(jié)合料的作用效果，需嚴(yán)格控制固化土的填筑壓實質(zhì)量，從而保證固化土具有足夠的密實程度，形成穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。因此在路基建設(shè)前，需通過擊實試驗獲得路基土的最大干密度和最佳含水率。關(guān)于粉土路基擊實，已取得了一些顯著成果，尹紅云等[5]通過粉土擊實試驗發(fā)現(xiàn)對于最佳含水量的預(yù)估有利于準(zhǔn)確快速地找到擊實曲線的峰值；周恩全等[6]通過在粉土中摻加橡膠發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻加可以有效降低粉土的最大干密度和最佳含水率；李婕等[7]通過自主研發(fā)的土底壓應(yīng)力測試系統(tǒng)研究擊實條件下土底壓強值變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)土樣干密度隨擊實能先增大后趨于平緩，土底應(yīng)力值可以作為評判密實程度的一個指標(biāo)。王林浩等[8]通過分析山西呂梁某地粉土抗剪強度指標(biāo)發(fā)現(xiàn)相同含水率下，粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨土體干密度的增大而增大。綜上所述，由于土體本身性質(zhì)以及無機結(jié)合料的差異，不同改良劑固化不同性質(zhì)粉土的擊實效果各不相同，因此需對其進(jìn)行單獨討論。

目前正值南京都市圈和江北新區(qū)大力發(fā)展建設(shè)中，存在大量長江漫灘相地層建設(shè)項目，需要進(jìn)行大量的粉土基坑開挖和路基填筑，但由于粉土結(jié)構(gòu)的松散性，以及長江漫灘地層高含水率特性，導(dǎo)致粉土地層毛細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重，需對其進(jìn)行固化處理并綜合評價其路用性能。因此，研究長江漫灘相廢棄粉土固化處理后的擊實特性，使其便于碾壓施工并達(dá)到最佳密實填筑狀態(tài)具有重要的工程指導(dǎo)意義。由于石灰、水泥具有來源廣、獲取方便等特點[9]，適合大規(guī)模工程運用，因此本文選擇石灰、水泥作為固化劑，依托南京市浦口區(qū)橫江大道快速化改造項目，通過室內(nèi)擊實試驗對長江漫灘廢棄粉土在不同水泥、石灰摻量下的擊實效果進(jìn)行研究，并通過微觀試驗分析壓實土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，揭示粉土的固化機理和固化粉土的壓實特性，為南京長江漫灘廢棄粉土用作路基填筑和碾壓過程控制提供參考，并為進(jìn)一步研究水泥、石灰改良后固化土的路用性能奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與內(nèi)容

1.1 試驗材料

圖1 基坑現(xiàn)場圖

試驗用土取自橫江大道快速化改造項目施工現(xiàn)場團(tuán)結(jié)路隧道明挖基坑，該基坑所在地地層主要由粉土、粉細(xì)砂及少量黏土構(gòu)成，現(xiàn)場工況如圖1所示。圖2為開挖廢棄土取樣風(fēng)干后的照片，土樣呈棕褐色。采用篩分法和沉降分析法對土樣進(jìn)行粒度分析，其顆粒級配分布曲線如圖3所示，可以看出土顆粒細(xì)小且級配均勻，力學(xué)性能較差，不具備直接填筑路基的可行性。對其基本物理指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示，根據(jù)表格所示結(jié)果可知，橫江大道地層粉土主要是低液限粉土，地層為中等透水地層且含水率較高。

圖4和圖5分別為試驗用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥和生石灰，二者均取自項目施工現(xiàn)場，水泥技術(shù)指標(biāo)如表2所示，采用X射線熒光光譜儀分析其化學(xué)成分，結(jié)果如表3所示。

圖2 風(fēng)干粉土

圖3 粉土顆粒級配分布曲線

表1 試驗粉土的基本物理指標(biāo)

圖4 水泥

圖5 石灰

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗內(nèi)容

首先基于擊實試驗確定最佳水泥摻量。本試驗采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實，試驗儀器為北京藍(lán)航中科測控技術(shù)研究所生產(chǎn)規(guī)格型號LHMJ-1多功能電動擊實儀。儀器參數(shù)如下：錘底直徑5 cm，錘質(zhì)量4.5 kg，錘落高45 cm；試筒內(nèi)徑15.2 cm，筒高17 cm；試樣高度為12 cm，體積為2177 cm3。脫模儀器使用南京路達(dá)測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)液壓電動脫模儀。

對每一個配比，分別取風(fēng)干素土過2 mm篩，分成4 kg一份，以11%摻水量為起點、2%摻水量為梯度遞增至19%摻水量，制備5種含水率土樣，悶料12 h后加入水泥拌合均勻并于1 h內(nèi)進(jìn)行擊實試驗，

表3 水泥和石灰主要化學(xué)成分

測試各含水率下固化土的含水率和干密度，根據(jù)擊實試驗結(jié)果擬合二次曲線，二次曲線最大值所對應(yīng)的橫縱坐標(biāo)即為單摻水泥條件下不同配比固化土的最佳含水率和最大干密度，基于單摻水泥擊實試驗結(jié)果確定最佳水泥摻量(最佳水泥摻量為6%，詳見后文)，然后進(jìn)行水泥-石灰固化土的擊實試驗研究，取4 kg素土分別摻加3%，6%，9%的石灰制備三種不同摻量的石灰與粉土混合物，取與上述步驟相同的摻水量，加入對應(yīng)比例的水悶料18 h后再摻入6%水泥拌合均勻進(jìn)行擊實試驗，參照上述水泥土最佳含水率、最大干密度計算方法計算水泥-石灰雙摻條件下不同配比固化土的最大干密度和最佳含水率。

將素土以及6組不同配比下的固化土按照擬合出的最大干密度和最佳含水率，控制96%的壓實度，制備直徑5 cm、高5 cm的圓柱體試樣，如圖6所示。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123-2019進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，如圖7所示，養(yǎng)護(hù)完成后，取1 cm3正方體試樣進(jìn)行電鏡掃描(SEM)試驗，觀察各配比下土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)，驗證擊實試驗效果。

圖6 試樣制備

圖7 試樣養(yǎng)護(hù)

圖8 不同水泥摻量下?lián)魧嵡€

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗

單摻水泥條件下固化土的擊實試驗擬合二次曲線如圖8所示。可以看出素土與水泥固化土的干密度隨含水率的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，存在一峰值，峰值對應(yīng)的橫縱坐標(biāo)分別表示最佳含水率和最大干密度。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是隨著摻水量的增加，水泥顆粒與水反應(yīng)形成膠凝物質(zhì)[10]，受土顆粒表面張力作用，形成一層膠狀薄膜包裹土顆粒，從而起到一定的潤滑作用以克服顆粒間的摩擦力[11-12]，使得土體在擊實作用下嵌擠密實，提高固化土的最大干密度。隨著水分的不斷增加，粉土顆粒之間膠結(jié)能力降低，擊實過程中不斷有水從擊實桶底部滲出，高含水率固化土表現(xiàn)出類似彈簧土的性質(zhì)，說明水分填充了土體之間的孔隙，且承擔(dān)了很大一部分力，消耗部分擊實能，導(dǎo)致土體難以被擊實。從圖中還可以看出，固化土的含水率變化范圍較素土小，其擬合曲線開口均小于素土擬合曲線，形狀更陡急，此時干密度對含水率變化的敏感性有所增加。

根據(jù)擬合曲線計算的最大干密度和最佳含水率如表4所示，圖9為不同水泥摻量下最大干密度、最佳含水率的變化規(guī)律。由表4和圖9可以看出，固化土的最佳含水率均在小于塑限3%范圍內(nèi)，其最大干密度隨水泥摻量的增加先增大后減小，但總體變化不大，在0.06 g/cm3范圍內(nèi)，最佳含水率隨水泥摻量先減小后增大，二者拐點均在6%水泥摻量時出現(xiàn)。這主要是由于水泥顆粒較為細(xì)膩，隨著其摻量的增加，部分水泥發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象形成團(tuán)粒[13]，團(tuán)粒外部為水泥膠凝體薄膜，內(nèi)部為水泥干粉，這些團(tuán)粒不僅無法有效填充孔隙，反而會占據(jù)土體內(nèi)部空間，導(dǎo)致孔隙增大，土體干密度降低；同時，由于膠凝體薄膜的產(chǎn)生，阻止了水分進(jìn)一步與團(tuán)粒內(nèi)部水泥的反應(yīng)，導(dǎo)致部分水泥無法發(fā)揮膠結(jié)作用。在此水泥摻量下，既無法提高密實度，又浪費水泥原料，固化土力學(xué)特性和經(jīng)濟性較差。為此，本試驗確定最佳水泥摻量為6%以保證其可以較好地發(fā)揮填充效果。

表4 不同水泥摻量下?lián)魧嵲囼灲Y(jié)果

圖9 不同水泥摻量下?lián)魧嵲囼灲Y(jié)果曲線

圖10是基于6%水泥摻量，控制不同石灰摻量的固化土擊實試驗結(jié)果。各摻量下干密度隨含水率變化規(guī)律與單摻水泥時一致。區(qū)別在于，隨著石灰的摻加，固化土的擊實曲線開口有所增大，說明石灰的摻加可以降低干密度對含水率的敏感性。

圖10 不同石灰摻量下?lián)魧嵡€

根據(jù)擬合曲線計算不同石灰摻量下水泥-石灰固化土的最大干密度和最佳含水率，結(jié)果如表5所示。圖11為固化土的最大干密度和最佳含水率隨石灰摻量的變化規(guī)律，可以看出，隨著石灰摻量的增加，固化土的最大干密度和最佳含水率均呈略為下降的趨勢，主要原因在于石灰質(zhì)輕且吸水后具有一定的膨脹性，摻入土體形成石灰土后單位體積內(nèi)固體質(zhì)量有所降低，同時，由于生石灰與水反應(yīng)生成Ca(OH)2，且隨著參與反應(yīng)的石灰量的增加，水分消耗也隨之增加，導(dǎo)致含水率略有較低。在9%摻量范圍內(nèi)，最大干密度變化幅度為0.05 g/cm3，最佳含水率的變化幅度為0.59%，二者變化范圍均不大，但施工時也應(yīng)該注意石灰摻量對固化土最大干密度的影響并控制含水率在合適的區(qū)間，保證壓實土體達(dá)到最大密實程度以提高改良粉土的路用性能。

表5 不同石灰摻量下?lián)魧嵲囼灲Y(jié)果

圖11 不同石灰摻量下?lián)魧嵲囼灲Y(jié)果曲線

2.2 微觀試驗

為進(jìn)一步分析不同配比摻量下水泥-石灰固化土擊實效果，根據(jù)室內(nèi)擊實試驗結(jié)果，對其進(jìn)行電鏡掃描(SEM)試驗，試驗結(jié)果如圖12所示。

從圖12(a)可以看出，素土試樣存在較多孔隙，土顆粒棱角分明，相互之間聯(lián)結(jié)較差，存在較多貫通孔隙，與粉土宏觀表現(xiàn)出的松散性、毛細(xì)現(xiàn)象明顯等特性一致，但隨著水泥、石灰的摻加，粉土顆粒被膠凝物質(zhì)包裹，棱角逐漸模糊，相互之間嵌擠密實，貫通孔隙減少，土體密實程度和力學(xué)性能得到很大的提高。當(dāng)固化劑過量時，由于固化劑團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，團(tuán)粒占據(jù)土體空間，使得粉土顆粒間間距增大，對比圖12(c)和圖12(d)的SEM結(jié)果可以看出，當(dāng)石灰摻量從6%增加到9%后，出現(xiàn)了一部分土體被膠凝物質(zhì)包裹，另一部分土體結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)育的現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致土體密實程度降低，還造成了固化劑的浪費。因此，在固化劑摻量選擇時，應(yīng)根據(jù)固化劑配比進(jìn)行擊實試驗以充分發(fā)揮其固化效果，避免過量固化劑的摻入降低土體密實程度和力學(xué)性能的現(xiàn)象。結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)6%水泥+6%石灰配比下固化粉土具有良好的密實程度，因此建議南京長江漫灘廢棄粉土填筑路基時采用此配比。

圖12 SEM試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)擊實試驗和SEM試驗研究了不同水泥、石灰配比下的固化粉土的擊實效果，以期為長江漫灘基坑開挖廢棄粉土填筑路基壓實施工提供指導(dǎo)，相關(guān)結(jié)論如下：

1)單摻水泥條件下，固化土的最大干密度隨水泥摻量的增加先減小后增大，最佳含水率隨水泥摻量的增加先減小后增大，拐點均在6%水泥摻量時出現(xiàn)；

2)水泥-石灰雙摻時，控制水泥摻量為6%，固化土的最大干密度和最佳含水率均隨石灰摻量的增加而稍有減小，總體而言變化幅度不大；

3)微觀試驗表明，適量的固化劑有利于固化土密實度的提高，但過量的固化劑摻量不僅會降低固化土結(jié)構(gòu)的密實程度，還會影響固化劑作用效果，不利于工程經(jīng)濟性，實際施工中應(yīng)參考室內(nèi)擊實試驗結(jié)果，嚴(yán)格控制固化劑摻量和含水率，充分發(fā)揮固化劑的路用力學(xué)性能。

4)結(jié)合室內(nèi)擊實試驗和SEM試驗，6%水泥配合6%石灰對粉土進(jìn)行固化可使土體具有良好的密實程度，實際施工時建議采用此配比，控制含水率為15.4%進(jìn)行碾壓，以實現(xiàn)廢棄粉土資源化利用。

5)本文上述結(jié)論主要針對南京長江漫灘基坑廢棄粉土的改良，由于各類土體土性的差異，對于不同類型粉土的資源化利用，可參考本文試驗過程進(jìn)行具體分析。