時小波
(張家口通泰高速公路投資股份有限公司,河北 張家口 075000)
黃土在我國分布廣泛,面積約為630 000km2,其中濕陷性黃土約占3/4,主要分布在甘肅、陜西、寧夏、山西、河北、河南等省份。濕陷性問題一直是黃土地區(qū)修建各類建筑物的典型問題。因此,近年來,我國各大高校、科研機構及一線施工負責人員對濕陷性黃土的成因分析、病害防治等方面開展了大量研究,積累了較為豐富的實踐經(jīng)驗。劉娜等[1]介紹了濕陷性黃土的分類、成因,提出了保障邊坡穩(wěn)定的防治措施;郭顯鋒等[2]對濕陷性黃土填筑施工填料的選擇、含水量控制、壓實工序等提出了實用性對策。考慮濕陷性黃土填筑路基病害頻發(fā),處理難度大,改良土在具體工程實踐使用中由于工序控制不當、病害頻發(fā)等因素,為保證工程質量,便于施工,在高等級公路、鐵路等工程實踐中往往對帶有濕陷性的挖方土做棄方處理,而路基填料一般選用技術指標合格的遠運土方,造成了一定的資源浪費。由于黃土濕陷等級的不同,其處理方式、施工工藝、應用范圍也存在差異。目前,國內(nèi)改良輕微濕陷性黃土用于高等級公路的具體工程實踐仍較少。在輕微濕陷性黃土區(qū)域,如果能夠改良利用原狀土作為路基填料,既能減少棄方土工程數(shù)量、節(jié)約工程投資,又能盡快解決路基填料短缺問題、加快工程施工進度,從而減少取土場數(shù)量,最大程度地降低對地表環(huán)境的破壞。因此,開展輕微濕陷性黃土摻灰改良方案的研究尤為必要。
黃土在形成初期非常松散,其結構體系主要靠顆粒間的摩擦和少量水分的微弱黏聚力維持。在干旱和半干旱氣候條件下,土壤中的水分逐漸蒸發(fā),土壤體積收縮,溶于水中的鹽類逐漸濃縮并聚集于土顆粒接觸點處,形成一定的膠結連接。經(jīng)過多次的反復濕潤干燥過程,土顆粒之間的密度逐漸增大,顆粒間的分子引力增大,顆粒間的膠接連接增強,土顆粒的抗滑移能力增強,阻止了土體的自重壓密,形成了以粗粉顆粒為主體骨架的多孔隙及大孔隙結構。
當黃土受水浸濕時,土顆粒之間形成水膜,顆粒之間的摩擦力降低。顆粒間的膠結連接溶于水中,土壤主體骨架強度也隨之降低。在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力等共同作用下,土體結構迅速破壞,土粒向大孔滑移,從而導致大量的附加沉陷,這就是黃土濕陷現(xiàn)象的成因[3]。濕陷性黃土的濕陷性是導致路基下沉、路面破壞的根本原因。
濕陷性黃土在摻入消石灰后同普通石灰土一樣,同土發(fā)生膠體、膠凝、碳化、結晶四個反應。
濕陷性黃土在摻入消石灰后,土中的H+、Na+等離子立即與Ca(OH)2溶于水后的Ca2+發(fā)生離子交換,導致土顆粒之間的水膜厚度減薄,土體發(fā)生凝集或凝聚,形成團粒結構,土的塑性和壓實性發(fā)生改變。此過程在消石灰與土接觸后即發(fā)生。
土體礦物中的SiO2和Al2O3在水溶液中同石灰發(fā)生反應,形成了較為堅韌的硅酸鈣(CaSiO3)、二鋁酸鈣(CaO·2A1203)和一鋁酸鈣(CaO·A1203)的混合物。該混合物將土體顆粒凝聚,不易溶于水,需較長時間發(fā)生反應。
Ca(OH)2溶于水后,Ca2+與空氣中的CO2接觸,經(jīng)碳酸化反應而形成CaCO3。
隨著石灰土水分的散失以及化學反應對水分子的消耗,混合體中的Ca(OH)2和硅酸鹽、碳酸鹽、氯酸鹽晶體逐步析出,使土顆粒之間空隙減少,更加密實,從而使土體獲得“附加強度”。
以上為石灰土發(fā)生的四種物理、化學反應。經(jīng)過以上四個過程,土體骨架孔隙得到了有效填充,固結后強度較大;利用石灰較強的固結能力,土顆粒之間的膠結連接能夠顯著增強,從而提高了土體的承載能力;改良石灰土在固結完成后具備一定的封水作用,對降低改良土以下的濕陷性黃土的濕陷量具有良好的效果。
張石高速蔚縣支線工程位于河北省張家口市南部地區(qū),地處蔚縣境內(nèi),出露地層種類較多,區(qū)域內(nèi)地層有:元古界震旦亞界長城系,薊縣系;古生界寒武系、奧陶系;中生界侏羅系;新生界第三系、第四系。地形屬山間盆地河谷區(qū),地貌形態(tài)有山前沖積扇、山前沖積平原、河流階地、河漫灘、河床等,輕微濕陷性黃土分布較廣。依據(jù)項目設計圖紙[4],根據(jù)設計地勘取樣10 個探井的濕陷性試驗結果分析,濕陷性黃土狀土厚度為1~5.5m,深度為1.6~10m。其中,Ⅰ級(輕微)非自重濕陷性黃土段長14km,Ⅱ(中等)非自重濕陷性黃土段長2km。該項目挖方土600 456m3,以輕微非自重濕陷性黃土為主,約368 811m3,占比61%。
本文以張石高速蔚縣支線工程某挖方段挖方土為樣本,對原狀土的濕陷性等級、性能指標等參數(shù)進行判定與檢測,開展了摻灰(消石灰)1%、3%、5%三種改良方案的研究。
試驗在某挖方段取樣,原狀土為黃褐色細粒土,潔凈無雜質。試驗選取3處共計20kg土樣,對土的有機質含量、膨脹性、濕陷量、含水率、承載比等指標進行檢測和試驗。
經(jīng)檢測,樣本土有機質含量為1.87%,自由膨脹率為10%。參考《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[5]《公路路基施工技術規(guī)范》(JTG 3610—2019)[6],判定樣本土不屬于有機質土,不屬于膨脹土。其余各項指標見表1。
表1 原狀土試驗測定結果
自重濕陷系數(shù)δzs=0.001~0.025,濕陷程度無~輕微;濕陷起始壓力Psh=5~200kPa,自重濕陷量△zs=0~41.5mm,多數(shù)為0,△zs小于70mm,判斷場地均為非自重濕陷性場地;總濕陷量△s=51~283.62mm,△s小于350mm,判斷地基的濕陷性等級I(輕微)級[7]。
結果表明,原狀土承載比均小于3%,不滿足《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)[8]對路床填料最小承載比的要求,不能用作路基填料。
為增強濕陷性黃土地基承載力,對原狀土進行三種摻灰(消石灰)1%、3%、5%改良試驗。經(jīng)檢測,各試件的CBR測定值見表2。
表2 原狀土摻灰配合比試驗測定結果
試驗測定結果表明:對原狀土摻灰改良處理后,可顯著提高土體承載比。用作路床填料時,灰劑量為3%、5%的改良處理方案均滿足設計及相關規(guī)范要求,且摻灰3%改良處理方案更為經(jīng)濟合理,推薦使用。
為確保路基填筑施工質量,在確定試驗配合比后,張石高速蔚縣支線編制了《濕陷性黃土路基填筑專項施工方案》,并在取樣現(xiàn)場附近選取了100m 路基試驗段,對專項施工方案中的機械設備組合、碾壓速度、灰劑量控制方法、現(xiàn)場拌和質量及養(yǎng)護措施等進行驗證和優(yōu)化。常見問題及主要施工技術要點歸納如下:
(1)路基填筑前應對原地表的腐殖土、生活垃圾等進行清理,直至清理至原狀土完全裸露,無雜質,并進行填前壓實。
(2)灰土拌和宜采用集中拌和,但在工程實施前應結合工程實際,與現(xiàn)場拌和進行經(jīng)濟技術比較。在保證拌和質量的前提下,擇優(yōu)選擇造價較低的拌和方式。張石高速蔚縣支線選取了現(xiàn)場拌和的施工工藝。
(3)土方應嚴格執(zhí)行“畫格上土、掛線施工”的原則,控制填筑厚度,土方松鋪厚度不應大于拌和設備的有效拌和深度;摻灰前需對土方含水量進行現(xiàn)場測定,如土方含水量較高,應在晾曬處理后再進行摻灰拌和;石灰宜采用袋裝石灰,以方便控制灰土使用劑量。
(4)生石灰吸水性、吸濕性極強,應注意防潮,必須保證儲存環(huán)境干燥,應在庫、棚中儲存,且儲存期(塊灰)不得超過1個月;因生石灰遇水熟化,可放出大量的熱,因此生石灰不能與易燃、易爆及液體物品混存,以免引起火災、爆炸。
(5)在攤鋪過程中,應嚴格控制填料粒徑,并對結塊石灰進行粉碎處理,保證石灰土均勻穩(wěn)定?;覄┝砍繒r易引起路基龜裂,不足時黃土濕陷量較大引起路基沉陷,CBR值不滿足規(guī)范要求。
(6)機型設備的相關參數(shù)、數(shù)量應合理,并滿足相關技術指標要求。如拌和機的拌和深度應不小于土層的虛鋪厚度;碾壓設備的壓實功應滿足壓實厚度、壓實度要求;機械設備類型配備應齊全。
(7)嚴格控制壓路機碾壓速率。碾壓速度太慢,石灰土水分散失快,無法保證土體的最佳含水率影響壓實效果;碾壓速度太快,急剎急停易破壞土體表面的整體性,導致起拱。
(8)改良土路基填筑宜連續(xù)施工,否則需進行灑水處理,應避免土體表面長時間暴曬水分散失導致起拱、開裂。
(9)試驗段施工完畢后,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,應及時對專項方案進行優(yōu)化。重點是改良土含水率的設定范圍,應考慮填料性質、季節(jié)、自然環(huán)境、拌和水分散失等因素,控制改良土含水率至最佳含水率,確保路基填筑質量。
在輕微濕陷性黃土區(qū)域,低填淺挖及挖方段在清表或挖除土方后,需對地面進行填前壓實等處理。常見問題及主要施工技術要點有:
(1)上路床調(diào)拱之前應對原地表進行清理,并進行填前壓實。如土體含水量較高需進行翻挖、晾曬后進行摻灰處理,確保填前壓實施工質量。
(2)濕陷等級為Ⅰ級黃土,覆土厚度小于2m 的區(qū)域,宜采用沖擊碾壓處理。
(3)濕陷等級為Ⅰ級黃土,覆土厚度大于2m 的區(qū)域,應采用強夯處理。夯擊能的控制應結合土體的有機質含量、膨脹性、濕陷量、含水率等指標進行;也可超挖至路床頂以下30cm,采用3%石灰土進行換填處理,處理范圍橫向延伸至路基邊溝外。
(4)石灰土溫縮及干縮特征比較明顯,抗凍性較差,易造成基層開裂,在溫差變化較大的基層禁止使用。在濕陷性黃土區(qū)域如挖方土含水量較大的不宜采用石灰土換填處理方案。
(1)涵洞、橋梁及擋土墻臺背濕陷性黃土地基路段采用強夯處理,施工中應先進行強夯處理再做橋涵構造物下部結構施工。避免因強夯引起構造物下部結構位移或橫向剪切破壞。
(2)路基填筑的各層面間應平整,符合平縱坡要求,不得出現(xiàn)積水,以免影響石灰土填筑及碾壓質量。
(3)當采用石灰土路基分段填筑時,先填地段接頭處預留緩于1:1 的坡度,并在各填筑層面上預留不小于2m寬的平臺,便于接頭段的銜接。
(4)路基填筑工程中,應首先解決臨時排水問題,完善排水系統(tǒng),嚴禁出現(xiàn)積水現(xiàn)象,保障石灰土最佳含水率。
因張石高速蔚縣支線地處張家口市南部地區(qū),最大凍深達118mm,因此摻灰3%改良土僅作為路基下路床填筑材料,并采用現(xiàn)場拌和工藝組織施工。該項目設計挖方輕微非自重濕陷性黃土約368 811m3,摻灰利用土方267 200m3,與棄方后進行借土填方的技術方案相比,節(jié)省工程投資近1 015 萬元;取消取土場3 處、棄土場2處,減少對高速公路周邊地表植被的破壞和取棄土引起的水土流失等環(huán)保問題,取得了良好的社會效益。
張石高速蔚縣支線高速公路項目于2019 年12 月建成通車。截至目前,根據(jù)設置的觀測點顯示,采用摻灰3%改良土填筑路基段落路基穩(wěn)定,路面未出現(xiàn)開裂、不均勻沉降等病害?;谠摴こ虒嵺`,本文分別從濕陷性黃土濕陷現(xiàn)象的成因、改良土力學機理等方面進行了理論分析;通過開展試驗對輕微濕陷性黃土進行了等級判定,明確了摻灰配合比方案;制定了專項施工方案,并通過修建試驗段進行優(yōu)化完善;提出在輕微濕陷性黃土區(qū)域公路工程路基施工技術要點。建議在確定輕微濕陷性黃土的摻灰處理方案時,要加大取樣范圍,保證土壤樣本的代表性;根據(jù)路基填筑高度及設計公路荷載對承載力的要求靈活調(diào)整試驗參數(shù)。同時,在開展大范圍路基填筑施工前,要以相關技術規(guī)范、試驗數(shù)據(jù)為依據(jù),制定專項施工方案,進行驗證性試驗,優(yōu)化施工技術措施,嚴格控制填料粒徑、含水率、灰劑量等關鍵指標與試驗指標一致,并做好施工工序銜接,保障公路路基施工質量。