解子良， 曹凱， 黃志義

（浙江大學(xué)交通工程研究所，杭州 310058）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，杭州灣地區(qū)道路工程建設(shè)規(guī)模巨大，對路基填料需求仍十分旺盛。傳統(tǒng)宕渣、塘渣路基填料資源日益不足，而杭州灣地區(qū)存在大量的疏浚淤泥、基坑棄土等廢棄細(xì)粒土。研究和開發(fā)新型細(xì)粒土固化技術(shù)［1-4］，將這些廢棄細(xì)粒土處理后用作路基填料，不僅可解決杭州灣地區(qū)路基填料不足的問題，又能變廢為寶，保護(hù)環(huán)境，集約節(jié)約資源，具有十分顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義［5-7］。張更生等［8］通過添加3%～12%的水泥來穩(wěn)定疏浚吹填粉土，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定過程中塑性指數(shù)、液塑限、密度和強(qiáng)度都呈上升趨勢，當(dāng)水泥摻量為12%時(shí)，14d的強(qiáng)度可達(dá)到28d強(qiáng)度的97%，可用作路基填料。李俊哲和方光秀［9］研究了硅粉—粉煤灰的摻量和齡期對水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者均可提升穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度，且硅灰可以大幅度提升穩(wěn)定土的早期強(qiáng)度。可比水泥土的強(qiáng)度提升15.3%～62.4%不等。Garzón等［10］使用石灰穩(wěn)定粘土，發(fā)現(xiàn)使用3%的石灰穩(wěn)定千枚巖粘土便可提高土壤的承載力，并會導(dǎo)致其塑性指數(shù)降低。使用千枚巖粘土-石灰混合物進(jìn)行土方路基施工，可以有效減薄結(jié)構(gòu)層厚度。為了進(jìn)一步研究固化廢棄細(xì)粒土的路用性能及驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)論，于湖州市南潯區(qū)某農(nóng)村公路工程項(xiàng)目鋪筑了170m固化細(xì)粒土作為路基填料的試驗(yàn)路段。

1 工程概況

試驗(yàn)段依托工程為湖州市南潯區(qū)某農(nóng)村公路工程，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為三級公路，全長1.671km，路基設(shè)計(jì)寬度8.5m（2 車道×3.75m+2×0.75m 土路肩），路面寬度7m，無中央分隔帶。工程沿線土質(zhì)以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主。

試驗(yàn)段k1+150～k1+230 路段原地面為魚塘，k1+230～k1+320 原地面屬于稻田，兩段土基含水率較高，屬于軟土地基，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了翻曬、換填處理。該試驗(yàn)路段屬于填方路段，路基填筑厚度普遍≥80cm。原設(shè)計(jì)路基填料為≥80cm宕渣，試驗(yàn)路道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為在保證其他結(jié)構(gòu)層厚度不變情況下，用固化廢棄細(xì)粒土路基填料代替宕渣。

圖1 試驗(yàn)段道路結(jié)構(gòu)示意圖

路基設(shè)計(jì)要求：對原地面清表，清表厚度不小于20cm。挖方路段，反挖至路槽以下80cm。清表或反挖后的土基回彈模量不低于35MPa，壓實(shí)度不低于85%，若不滿足要求，翻曬補(bǔ)壓、摻灰或換填碎石處理。對于試驗(yàn)段范圍內(nèi)的填塘路段，采用拋石和宕渣填筑處理。路基填料采用固化廢棄細(xì)粒土路基填料，厚度≥80cm。

2 固化土廢棄細(xì)粒土路基填料施工配合比設(shè)計(jì)

土來自南潯區(qū)附近疏浚土。天然狀態(tài)下土體含水率較高，呈可塑狀態(tài)，經(jīng)晾曬后的土呈灰黃色，干硬度及韌性高。采用能譜儀對土樣的元素進(jìn)行半定量分析，結(jié)果見表1。按照J(rèn)TGE 40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，取足夠數(shù)量的代表性土樣進(jìn)行了基本物理指標(biāo)分析，結(jié)果見表2，篩分試驗(yàn)結(jié)果表明小于0.075mm的顆粒質(zhì)量為68%。pH 測試結(jié)果表明土體呈酸性。承載比試驗(yàn)表明未經(jīng)固化的疏浚土不滿足公路路基填筑要求，不能用作路基填料。

表1 疏浚土化學(xué)元素組成 %

表2 湖州疏浚土基本物理指標(biāo)

依據(jù)JTGE 51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際土質(zhì)特性，試驗(yàn)段的固化材料組分使用課題組自行研發(fā)的ICSS 組分方案確定，主要材料為水泥、石灰、粉煤灰和添加劑等。ICSS 復(fù)合固化劑（微米級粉末狀固化劑）摻量比分別選擇3%、5%、7%和9%，在最佳含水量條件下進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)（最佳含水量和最大干密度見表3），壓實(shí)度均為96%。

表3 不同摻量固化土混合料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)各摻量水平下固化土混合料的最大干密度和最佳含水率制備試件，并測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR 值，結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)7%摻量主固化劑固化的疏浚土可以滿足上路床要求，5%主固化劑固化后的疏浚土可以用作除上路床以外路基的其他結(jié)構(gòu)。

表4 不同摻量固化土混合料的強(qiáng)度特性

3 試驗(yàn)段施工方案與成本分析

3.1 施工工藝流程和施工機(jī)械

試驗(yàn)段規(guī)模較小，采用路拌法施工。固化廢棄細(xì)粒土路基填料施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備-測量放線-自卸車配合裝載機(jī)備土和上料-挖機(jī)配合人工攤鋪-鏵犁和小寶馬翻曬（人工清除土中大的塊石和雜物）-含水率和粒徑檢測-挖機(jī)配合固化劑撒布-小寶馬拌和固化土-壓路機(jī)穩(wěn)壓配合平地機(jī)進(jìn)行固化土整平-振動壓路機(jī)初壓、復(fù)壓、三輪壓路機(jī)碾壓成型-含水率檢測-灑水車灑水養(yǎng)生-質(zhì)量檢查驗(yàn)收合格后進(jìn)行下一層施工。

3.2 施工方法

3.2.1 施工放樣

（1） 施工前放樣。設(shè)定標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，按照路基填筑常規(guī)要求進(jìn)行路基邊線和標(biāo)高測量放樣，每20m為一個(gè)測量斷面，設(shè)立中線樁和路基兩側(cè)的邊線樁。

（2） 松鋪后測量。根據(jù)試驗(yàn)段測得松鋪厚度系數(shù)，需要根據(jù)現(xiàn)場情況確定松鋪厚度。

（3） 施工后測量。確定與設(shè)計(jì)標(biāo)高的誤差，誤差超過允許值的時(shí)候進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 現(xiàn)場備料對進(jìn)場的土和穩(wěn)定劑原材料進(jìn)行自檢或抽檢

根據(jù)填筑厚度和松鋪系數(shù)，采用挖掘機(jī)配合自卸車將填料土運(yùn)輸至指定位置。袋裝的穩(wěn)定劑按照不同部位的需要摻量進(jìn)場，并放置在指定位置，需要防雨防潮，雨天用防雨布蓋上，晴天打開防雨布避免穩(wěn)定劑受潮。運(yùn)輸過程中注意混合料的覆蓋，進(jìn)出現(xiàn)場時(shí)的車身輪胎應(yīng)清理，避免滴漏拋灑，影響市區(qū)環(huán)境。

3.2.3 拌和與攤鋪

上土?xí)r測量人員打好石灰線方格，格子尺寸為1.8×2.2m（橫向×縱向），每個(gè)格子里放一包穩(wěn)定劑。土和穩(wěn)定劑攤鋪結(jié)束后，開始用旋耕機(jī)進(jìn)行拌和。旋耕機(jī)從兩邊向中間依次翻拌，每次拌和重疊翻拌1/3，拌和遍數(shù)3遍以上，拌和深度應(yīng)打入下承層5～10mm，以利于下層粘結(jié)。

3.2.4 碾壓與成型

振動壓路機(jī)初壓，復(fù)壓，終壓—壓實(shí)度檢測—灑水車灑水養(yǎng)生—質(zhì)量檢查驗(yàn)收合格后進(jìn)行下一層施工。碾壓的具體要求如下：

（1） 路拌完成后，先用振動壓路機(jī)靜壓一遍，再開振動模式碾壓兩遍。路基填筑采用水平分層填筑法施工，分層厚度一般宜不大于20cm，檢測每層壓實(shí)厚度、壓實(shí)度、縱斷高程、橫坡、邊坡、平整度、中線偏位、寬度，符合要求后才可再填上一層，最后一層填筑需要檢測彎沉值，并需滿足其他相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

（2） 施工時(shí)應(yīng)當(dāng)經(jīng)常觀察天氣，若有下雨跡象，應(yīng)將土（不摻穩(wěn)定劑）靜壓，并留2%橫坡排水。

（3） 最佳含水率控制。應(yīng)控制在最佳含水率或高于最佳含水率2～3個(gè)百分點(diǎn)范圍時(shí)碾壓。

（5） 養(yǎng)生。穩(wěn)定土路基碾壓成型后，養(yǎng)護(hù)期不宜少于7d，灑水并始終保濕以土工布、塑料薄膜或其他覆蓋物覆蓋，養(yǎng)生期間及未達(dá)到強(qiáng)度要求之前，除灑水車外，不得通行其他車輛。穩(wěn)定土路基施工時(shí)，下層碾壓完后應(yīng)保持濕潤狀態(tài)再施工上層。

3.3 成本分析

應(yīng)用成果對建筑棄土進(jìn)行處理并應(yīng)用于道路路基填筑，與采購宕渣和天然土石相比，可節(jié)省大量費(fèi)用。具體測算：按照無機(jī)復(fù)合固化劑的推薦摻量平均約為5%計(jì)算，每立方淤泥和建筑棄土的穩(wěn)定處理平均成本約為180 元（含穩(wěn)定材料、人工機(jī)械費(fèi)、攤鋪施工費(fèi)）。目前湖州采用宕渣路基，宕渣市場采購單價(jià)約132元/立方，攤鋪施工費(fèi)20元/立方，合計(jì)152元/立方，廢方單價(jià)為80元/立方。每立方建筑棄土、疏浚淤泥或樁基孔渣采用復(fù)合穩(wěn)定處理，并利用于路基填筑，可以節(jié)省費(fèi)用52元/立方。

4 路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化作用的數(shù)值分析

由于我國道路在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求道路的各個(gè)結(jié)構(gòu)層在車輛荷載作用下處于彈性工作階段，即當(dāng)車輛荷載卸去后路基路面發(fā)生的變形可以恢復(fù)，因此計(jì)算路基路面各結(jié)構(gòu)層均假設(shè)為理想線彈性體。路基工作區(qū)深度一般為1.5m，故土基厚度取70cm。施工結(jié)束后，對固化廢棄細(xì)粒土路基的頂面回彈模量進(jìn)行了測定，路基頂面回彈模量代表值為58.5MPa。各個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度和彈性參數(shù)見表5。

表5 各個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度和彈性參數(shù)

計(jì)算模型的車輛輪胎荷載按照BZZ-100 標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎接地壓力為0.7MPa，當(dāng)量圓直徑D 為30cm。計(jì)算模型為二維模型，模型尺寸為寬×高=1.6m×1.9m，如圖3（a）所示。網(wǎng)格劃分如圖3（b）所示。

圖3 計(jì)算模型和網(wǎng)格

圖4為路基回彈模量分別為40MPa（普通路基）和58.5MPa（固化廢棄土路基）時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)層的頂面的彎沉值。圖5為路基模量對各結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力的影響。

圖4 路基模量對道路結(jié)構(gòu)層彎沉值的影響

圖5 路基模量對層底彎拉應(yīng)力的影響

對比兩種路基的各個(gè)結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用固化廢棄細(xì)粒土作為路基時(shí)，由于路基回彈模量較高，致使路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層的豎向變形和層底彎拉應(yīng)力都減小，因此，在之后的設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮減薄基層等路面結(jié)構(gòu)層的厚度。

5 結(jié)語

文中將固化廢棄細(xì)粒土路基填料應(yīng)用于湖州市南潯區(qū)某農(nóng)村公路工程，經(jīng)工后對路基壓實(shí)度、回彈模量和彎沉等指標(biāo)的檢測，表明固化廢棄細(xì)粒土路基填料完全滿足路基設(shè)計(jì)要求，可用于路基工程中；并總結(jié)固化廢棄細(xì)粒土路基填料的配合比設(shè)計(jì)過程、施工工藝和施工機(jī)械設(shè)備；同時(shí)通過數(shù)值計(jì)算簡要分析了固化土廢棄土路基填料對道路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用，結(jié)果表明固化廢棄細(xì)粒土路基填料可以有效降低路表面的彎沉值和路面各結(jié)構(gòu)層的層底彎拉應(yīng)力，在之后的設(shè)計(jì)過程中可以適度地減薄路面結(jié)構(gòu)。