樊微 FAN Wei

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，太原 030032）

0 引言

濕陷性黃土在我國(guó)西北部分布范圍廣，具有低塑性、低含水量、高壓縮性的特征，不能直接作為高速公路、鐵路路基的填筑，需對(duì)其濕陷性進(jìn)行合理研究并采取改良措施，以作為路基填料。由于各區(qū)域的黃土在空間分布、工程性質(zhì)等方面都是復(fù)雜多變的，具體項(xiàng)目需根據(jù)擬采用的改良方法，進(jìn)行改良填料的系列試驗(yàn)，以驗(yàn)證改良方案的可行性。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳水泥摻入占比，確保濕陷性黃土能有效改良，作為合格的路基填料。

1 工程概況及施工技術(shù)難點(diǎn)

寶坪高速公路LJ-2合同段施工里程K123+430～K128+545.5，位于寶雞市南塬黃十臺(tái)塬上，該路段地形起伏變化較大，溝谷縱橫，該段路基多以深挖高填的形式通過。標(biāo)段全線處于濕陷性黃土地區(qū)，地勘資料揭示，濕陷性黃土厚度約為3.2m～9.5m。調(diào)查資料表明，該段區(qū)域附近天然優(yōu)質(zhì)填料缺乏。本標(biāo)段擬采用改良濕陷性黃土作路基填料的方案，不僅能解決天然填料缺乏和大量填料遠(yuǎn)運(yùn)的巨額成本問題，且能夠降低大量棄土而保護(hù)了環(huán)境，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 濕陷黃土改良方法選定及工程試驗(yàn)方案

2.1 濕陷黃土改良方法

進(jìn)行黃土改良及加固的方法及種類較多，經(jīng)技術(shù)可行、加固效果、施工簡(jiǎn)便性及改良成本等幾方面因素進(jìn)行綜合考慮及評(píng)估，最終決定采用水泥作為改良加固劑的方法，該方法能顯著提高填料的強(qiáng)度、剛度以及水穩(wěn)定性，并且具有改良效果佳、材料來源廣、施工簡(jiǎn)便快捷、易于質(zhì)量控制、成本低等優(yōu)勢(shì)。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在室內(nèi)進(jìn)行系列土工試驗(yàn)，以探究不同水泥摻入量后土樣工程力學(xué)特性變化情況，對(duì)不同水泥摻量的改良土、原狀土的工程特性進(jìn)行分析對(duì)比。并根據(jù)改良固化的效果選出最佳改良配合比，為改良黃土作為高速公路路基填料的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供理論依據(jù)。對(duì)土樣分別摻入水泥4%、5%、6%、7%、8%、9%，水泥摻入配比按質(zhì)量百分比計(jì)算，土樣為干土質(zhì)量。水泥采用海螺的P.O 42.5水泥。

3 原狀土的物理力學(xué)特性

原狀濕陷性黃土的工程特性反映在其各項(xiàng)物理特性指標(biāo)上，是研究和評(píng)估其濕陷性質(zhì)的重要參數(shù)。本文選擇寶坪高速公路寶雞南服務(wù)區(qū)（K125+620～+852）段路塹進(jìn)行了原狀黃土土樣的采取，取樣深度分別2m、4m、6m、8m?；疚锢硇再|(zhì)指標(biāo)見表1。該地區(qū)濕陷性黃土土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育且孔率較大，多呈硬塑狀，遇水具有濕陷性，稍濕稍密；壓縮系數(shù)在0.46～0.56MPa-1范圍，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.397～0.428MPa范圍；水穩(wěn)性差，不能達(dá)到高速公路路基填料的要求，需實(shí)施改良處理。

表1 原狀黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

4 物理特性試驗(yàn)

下文以深度為6m的土樣為例，詳細(xì)闡述水泥改良濕陷性黃土的試驗(yàn)及分析過程。

4.1 液塑性試驗(yàn)

土樣的液塑性指標(biāo)是對(duì)土顆粒與水分子間相互作用效應(yīng)大小及靈敏度的反映，通過測(cè)定不同水泥摻入量時(shí)，改良黃土的液限、塑限、塑性指數(shù)，并與原土樣進(jìn)行工程性質(zhì)的對(duì)比分析，以判斷水泥改良濕陷性黃土是否可行。選用代表性土體，并將風(fēng)干土樣過0.5mm篩，按設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案摻入不同占比的水泥和適量的蒸餾水，攪拌成均勻土膏狀。靜置48h后裝入試樣杯，刮平杯口，采用光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀（GYS-2）測(cè)定含水率。結(jié)果見表2，液限、塑限與水泥摻入量關(guān)系曲線見圖1。從表2、圖1可以看出，與原土樣相比較，摻入水泥進(jìn)行改良后，黃土的液、塑限值都得到提高，且隨著水泥摻量的增加，黃土的塑性指數(shù)為逐漸降低趨勢(shì)，表明采用水泥改良后，大幅減少土體塑性，降低持水能力，使水理性能變差。同時(shí)，隨著水泥的摻入，黃土由粉土狀向砂質(zhì)狀演變，濕陷性降低，持續(xù)增強(qiáng)抗水性能和強(qiáng)度，說明將水泥作為改良固化劑改善黃土液塑性指標(biāo)的效果良好。

表2 水泥改良黃土液塑性試驗(yàn)結(jié)果

圖1 液限、塑限與水泥摻入量關(guān)系曲線圖

4.2 濕陷性試驗(yàn)

黃土最為關(guān)鍵也是最不利的工程特性是濕陷性。需做改良黃土的濕陷性試驗(yàn)，并評(píng)價(jià)改良效果，判斷是否消除其濕陷性，進(jìn)而達(dá)到用作高速公路路基填料的要求。試驗(yàn)方法為室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)在固結(jié)容器中進(jìn)行，結(jié)果見表3、圖2。

表3 水泥改良黃土濕陷性系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，隨著不同占比水泥的摻入，大幅降低了黃土濕陷系數(shù)，且均＜0.015，表明水泥改良已消除了原黃土的濕陷性。從圖2可看出，隨著水泥摻量的增大，土樣濕陷性系數(shù)也呈線性降低。當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，土樣濕陷系數(shù)為零。其原因是，水泥摻入后產(chǎn)生系列的化學(xué)反應(yīng)，生成將土顆粒包裹的膠凝狀化合物，提高了土體水穩(wěn)定性。隨著水泥摻量的增大，膠凝狀化合物形成更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終完全消除了土樣的濕陷性。

圖2 濕陷性系數(shù)與水泥摻入量的關(guān)系圖

4.3 壓縮性試驗(yàn)

路基在外荷載作用下會(huì)出現(xiàn)壓縮沉降。高速公路路基填料需有足夠的剛度以滿足路基變形要求。剛度以壓縮系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)采用快速固結(jié)法，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 水泥改良黃土壓縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，摻入不同占比的水泥后，土樣壓縮系數(shù)得到顯著改善，且均＜0.1MPa-l，能夠滿足高速公路對(duì)路基填料壓縮性的相關(guān)要求，利于控制運(yùn)營(yíng)期間路基的變形，提高了路基結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及安全性。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入水泥改善土體壓縮性的效果非常好。

4.4 擊實(shí)特性試驗(yàn)

為了提高路基本體的壓實(shí)度和強(qiáng)度，使其壓縮性、滲透性減少，需對(duì)路基填筑的壓實(shí)質(zhì)量實(shí)施有效控制，以達(dá)到足夠的壓實(shí)質(zhì)量，進(jìn)而確保高速公路路基的穩(wěn)固。通過進(jìn)行6種不同水泥占比的改良土的擊實(shí)試驗(yàn)，對(duì)比各改良土樣及與原黃土的擊實(shí)特性，為改良黃土路基的壓實(shí)度控制及質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參數(shù)依據(jù)。本次試驗(yàn)采用重型擊實(shí)方法，采用數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀（JSD-1型）進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5、圖3。從表5、圖3可以看出，在相同擊實(shí)功下，隨著水泥摻入量的不斷增大，最大干密度變化幅值很窄，而最優(yōu)含水量逐漸增加。水泥摻入量占比4%時(shí)，最優(yōu)含水量增幅不明顯，水泥摻入量5%～9%時(shí)含水量增幅趨大。原因是當(dāng)水泥摻入量較低時(shí)，水泥與濕陷性黃土反應(yīng)規(guī)模不足，尚不能明顯改善含水量，由于水泥細(xì)度小，吸收水分能力較黃土強(qiáng)，水泥摻入量達(dá)到5%時(shí)，水泥充分吸收了土體水分，使最優(yōu)含水量增大，這有利于路基工程中填料含水量的控制。

表5 水泥改良黃土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 擊實(shí)特性與水泥摻入量關(guān)系曲線

4.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是黃土改良后能否作為公路路基填料的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。因改良土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量檢測(cè)的需要，本項(xiàng)目對(duì)不同水泥摻入占比的改良黃土做標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究不同水泥摻入量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響程度，判斷強(qiáng)度變化趨勢(shì)及改良效果，以評(píng)估水泥改良黃土的可行性。

取適量風(fēng)干土樣，過0.5mm篩后，按試驗(yàn)方案分別摻入6種不同占比的水泥，按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的各水泥摻入量的最大干密度和最優(yōu)含水量的95%進(jìn)行配料，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)靜壓成型，制作成φ50mm×h100mm的圓柱體試樣，在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d后，采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀實(shí)施試驗(yàn)。在試驗(yàn)時(shí)以1mm/min的速率保試件變形且等速增加。每級(jí)不同水泥摻量制作6個(gè)試樣，每級(jí)試驗(yàn)強(qiáng)度的平均值作為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，結(jié)果見表6、圖4。

表6 各土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入量關(guān)系曲線

由表6、圖4可見，不同水泥摻入占比下的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均較原土樣得到很大提高，且均大于0.5MPa。隨著水泥摻占比的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值持續(xù)增大，兩者的變化曲線在小配合比范圍內(nèi)基本上呈線性關(guān)系。摻和比在5%時(shí)增長(zhǎng)速率最快隨后變緩慢，摻入量5%為影響無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的較佳比例。

4.6 承載比（CBR）試驗(yàn)

采用CBR值作為路基填料強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，CBR值是路基填料的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，是對(duì)填料局部抗剪強(qiáng)度的水穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)特性的反映，對(duì)決定改良土能否作為路基填料具有重要意義，試驗(yàn)結(jié)果見表7、圖5。由圖5可見，摻入水量后，改良黃土的承載比（CBR）均高于高速公路對(duì)于路基填料的要求（上路床8%；下路床5%；上路堤4%；下路堤3%），表明水泥改良黃土可行。當(dāng)水泥摻入量≤7%，隨著擊實(shí)次數(shù)、水泥摻入量的增加，承載比呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，但增加幅度逐漸變小；當(dāng)水泥摻入量＞7%后，承載比呈微降趨勢(shì)。從提高承載比（CBR）指標(biāo)方面考慮，水泥摻入量以6%為最佳。

表7 水泥改良黃土承載比（CBR）試驗(yàn)結(jié)果

圖5 承載比（CBR）與水泥摻入量關(guān)系曲線

5 結(jié)語

通過上述試驗(yàn)，說明采用水泥對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行改良合理可行，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足路基填料的要求。根據(jù)改良固化效果及現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)得出，最佳改良配合比水泥摻量為5%，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制難以達(dá)到試驗(yàn)室的精準(zhǔn)度，實(shí)際施工的水泥摻量為6%。經(jīng)成本估算，本項(xiàng)目采用水泥改良黃土作路基填料較采用天然填料節(jié)約成本約865萬元。標(biāo)段全線在水泥改良黃土施工過程中，壓實(shí)度和灰劑量全部滿足設(shè)計(jì)要求，路基壓實(shí)度及彎沉檢測(cè)全部合格，通車運(yùn)營(yíng)后無任何一處沉降，無任何工程質(zhì)量問題。