韓飛

（河北省唐山市曹妃甸區(qū)交通運輸局，河北唐山 063000）

1 工程概況

某公路工程位于河北省境內(nèi)，該工程屬于省級公路的第三標(biāo)段，工程路線全長為16.54km，路基寬度為24.6m。由于該公路用于連接省內(nèi)各個城市，路線途經(jīng)區(qū)域環(huán)境多變、地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)對第三標(biāo)段工程所在地實際勘察后得知，此路段區(qū)域內(nèi)普遍存在膨脹土，若未經(jīng)改良直接用于路基填筑施工，難以保證路基的承載力，因此，經(jīng)研究后決定采用石灰對膨脹土進(jìn)行改良，并在場地內(nèi)采取集中預(yù)拌路拌法填筑路基施工。

2 石灰改良膨脹土集中預(yù)拌路拌法填筑路基施工技術(shù)

2.1 石灰改良膨脹土機理

石灰可以有效改良膨脹土性能，其主要原理可分為四種，分別為陽離子交換、結(jié)晶反應(yīng)、碳酸化作用、凝膠反應(yīng)等。

（1）陽離子交換是指石灰中的鈣離子與膨脹土中鈉、鉀、氫等陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，使膨脹土中分子顆粒中的雙電層擴散層變薄，改善土粒表面的帶電性質(zhì)，從而增加顆粒之間的凝聚力，最終形成更大更穩(wěn)定的團粒結(jié)構(gòu)，提高膨脹土的強度.

（2）結(jié)晶反應(yīng)是指石灰材料滲透至膨脹土后，使材料中的氫氧化鈣以潔凈水的形式析出，從而增加膨脹土的穩(wěn)定性。

（3）碳化酸作用是指膨脹土和石灰中的氫氧化鈣和氫氧化鎂不斷與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而形成碳酸鈣與碳酸鎂等堅硬的固體顆粒，此類固體顆粒具有較高的強度和穩(wěn)定性，可以有效改善膨脹土的性能。

（4）凝膠反應(yīng)是指在石灰與膨脹土及空氣不斷發(fā)生離子交換和碳酸反應(yīng)的后期，形成的化學(xué)物質(zhì)可以在水環(huán)境下發(fā)生硬化，并在膨脹土周圍形成穩(wěn)定的保護膜，從而隔絕水分提升膨脹土的穩(wěn)定性。

2.2 石灰改良膨脹土試驗

為確定本工程膨脹土改良時所摻加的石灰用量，在路基填筑施工前擬通過試驗的方式，對石灰改良膨脹土的基本物理性能、力學(xué)性能和膨脹土改良土性能進(jìn)行分析，同時對不同石灰摻量下膨脹土性能的變化規(guī)律進(jìn)行研究，具體實驗結(jié)果如下。

2.2.1 界限含水量

針對膨脹土的界限含水量，本次實驗擬設(shè)置5個實驗組和1個對照組，其中實驗組中石灰的含量分別設(shè)置在2%、4%、5%、6%、8%，對照組為場地內(nèi)的膨脹土，通過各組的試驗結(jié)果來判斷石灰摻量對膨脹土界限含水率的影響，其試驗結(jié)果見表1：

表1 界限含水率試驗結(jié)果

從表1 中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，在膨脹土加石灰后，膨脹土的液限、塑限和塑性指數(shù)存在很大的變化。其液限含水量和塑性指數(shù)的下降幅度在6%左右，且隨著石灰產(chǎn)量的增加下降幅度在不斷增加，當(dāng)石灰產(chǎn)量增加至5%后，膨脹土的界限含水率下降幅度開始減緩并趨于穩(wěn)定，這證明向膨脹土中摻加石灰可有效改善土質(zhì)本身的界限含水率，石灰的摻加量在5%及以上，改善土體穩(wěn)定性的效果最為明顯[1]。

2.2.2 黏粒含量

針對膨脹土的黏粒含量，本次實驗也設(shè)置有5個實驗組和1個對照組，其中實驗組中石灰的含量分別設(shè)置在2%、4%、5%、6%、8%，對照組為場地內(nèi)的膨脹土，通過各組的試驗結(jié)果來判斷石灰摻量對膨脹土黏粒含量的影響，其試驗結(jié)果見表2：

表2 黏粒含量試驗結(jié)果

從表2中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，通過向膨脹土中摻加石灰材料，能夠有效降低膨脹土中的黏粒含量。其降低的大小約為9%，且伴隨著石灰產(chǎn)量的增加，黏粒含量越小，當(dāng)石灰產(chǎn)量達(dá)到8%時，黏粒含量僅為3.7%。

2.2.3 自由膨脹率

針對膨脹土的自由膨脹率，本次實驗也設(shè)置有5個實驗組和1個對照組，其中實驗組中石灰的含量分別設(shè)置在2%、4%、5%、6%、8%，對照組為場地內(nèi)的膨脹土，通過各組的試驗結(jié)果來判斷石灰摻量對膨脹土自由膨脹率的影響，其試驗結(jié)果見表3：

表3 自由膨脹率試驗結(jié)果

從表3中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，通過向膨脹土中摻加石灰材料，能夠有效降低膨脹土的自由膨脹率。其前期的降低幅度較大，可以達(dá)到22%左右，當(dāng)石灰摻量為5%時，膨脹土自由膨脹率降至最低，然后再增加石灰的摻量，其自由膨脹率會呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，這證明當(dāng)石灰摻量為5%時，對膨脹土自由膨脹率的改良效果最好。

2.2.4 承載比

針對膨脹土的承載比，主要可通過填料的CBR 實驗進(jìn)行確定。本次CBR 實驗共設(shè)置有3 個實驗組和1 個對照組，其中實驗組中石灰的含量分別設(shè)置在2%、4%、5%，對照組為場地內(nèi)的膨脹土，通過各組的試驗結(jié)果來判斷不同石灰摻量下膨脹土承載比的變化情況，其試驗結(jié)果見表4：

表4 CBR試驗結(jié)果

從表4中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，膨脹土的CBR線膨脹率與膨脹土的CBR值之間存在明顯的負(fù)相關(guān)性，即膨脹土的CBR增加，其CBR線膨脹率就會減小，同時膨脹土中摻加的石灰越多，CBR值提高越大，甚至可達(dá)到原來的40倍以上。這表明在膨脹土中摻石灰之后，經(jīng)過一系列的化學(xué)、物理反應(yīng)，可以從根本上改變膨脹土的性質(zhì)，提升土質(zhì)的性能。此外，再結(jié)合上述試驗的數(shù)據(jù)，本次施工膨脹土中石灰產(chǎn)量宜控制在5%左右。

2.3 石灰改良膨脹土

2.3.1 石灰準(zhǔn)備

（1）依據(jù)上述試驗確定膨脹土中石灰的產(chǎn)量為5%，應(yīng)按照此用量準(zhǔn)備施工使用的石灰材料，考慮到公路工程位于外界環(huán)境中，若采取大量的生石灰粉會對周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重污染?；诖?，本次施工采取消解石灰，其等級應(yīng)在II級以上，消解后的石灰材料中有效鈣離子、鎂離子的含量不得小于60%，且石灰的消解需要在使用前的7～10d內(nèi)完成，經(jīng)消解后的消石灰在使用前須利用30mm的篩子進(jìn)行處理，以保證材料內(nèi)部無雜質(zhì)和灰塊[2]。

（2）本工程石灰的消解場地選擇地勢平坦且遠(yuǎn)離農(nóng)田、房屋的區(qū)域，消解場地以設(shè)置于下風(fēng)頭或背風(fēng)的區(qū)域，周圍應(yīng)設(shè)置2m高的圍擋，并安排施工人員做好環(huán)境檢測工作。石灰消解時的碼放高度控制在50～100cm，消解過程中采用水車、高壓水泵以及長度3.5m、直徑25mm的鋼管加水，加水量保持在塊灰重量的60%～80%，經(jīng)消解充分的石灰過篩后運送至取土場地進(jìn)行布灰。

2.3.2 基底處理

路基填筑施工前，需將路基范圍內(nèi)所有種植土、草皮等清除干凈，清表的深度應(yīng)不小于15cm。將清表中產(chǎn)生的坑穴、樹根全部挖出后，采用合格的土料回填至原地面高度，并利用小型壓實工具進(jìn)行壓實；針對30cm 以上的深耕區(qū)域，在基底處理時可先將原土翻松、打碎，再整體整平碾壓密實，待基底全部處理后采用輕型動力觸探儀檢測其承載力，如經(jīng)檢測滿足路基施工要求，則做好排水系統(tǒng)后開始路基填筑。

2.3.3 布灰

在取土場地表面利用工具劃分方格，方格尺寸為5m×5m，然后根據(jù)計算的石灰用量將消解后的石灰鋪撒至方格中。經(jīng)計算，本次施工每個方格中石灰的用量約為2 800g，待每個方格均布灰完成后，再利用刮板將石灰整平，并保持厚度一致，然后進(jìn)行下一步預(yù)拌施工。

2.3.4 預(yù)拌

（1）采用挖掘機按照設(shè)計的取土范圍和深度進(jìn)行取土預(yù)拌。取土過程中，應(yīng)安排專人進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)取土后得到的膨脹土和石灰混合料采用低位卸料的方式堆放至場地一側(cè)，以完成第一次拌和，如存在粒徑過大的土料，則安排施工人員將其進(jìn)行破碎處理，使土料的粒徑滿足要求。

（2）整個取料過程中要遵循橫向一次取齊、低位取土、縱向倒退的方式，當(dāng)土料全部完成第一次拌和后，再采用挖掘機將混合料按順序挖出，并按照高位卸放的方式堆放至指定位置，混合料堆放形式為錐形。在卸料時將混合料延錐頂自由向下灑落，局部可采用翻板進(jìn)行處理，待混合料拌和均勻后保持色澤均勻一致，且土料的最大粒徑控制在15cm 以內(nèi)，從而完成混合料的第二次預(yù)拌。

2.3.5 悶料

在取土場內(nèi)完成混合料的預(yù)拌后，應(yīng)放置一段時間進(jìn)行悶料，悶料的主要目的是使石灰與膨脹土充分混合，改善混合料的性能。悶料時間依據(jù)實際情況進(jìn)行確定，在悶料過程中，施工人員需要對混合料的含水率進(jìn)行實時監(jiān)測，保持混合料的含水率在最佳含水率±1%的范圍內(nèi)。如含水率比最佳含水率低，則可增加灑水次數(shù)和灑水量，如含水率比最佳含水率高則可進(jìn)行翻曬處理，待悶料結(jié)束后混合料需保持色澤均勻一致、無灰條、灰團等問題，經(jīng)檢測合格后再運輸至施工場地進(jìn)行路拌。

2.3.6 路拌

（1）裝運攤鋪：經(jīng)悶料后的混合料需盡快運輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行攤鋪。本工程石灰改良膨脹土的運輸主要利用重型的自卸式運輸車，裝料前先將車廂內(nèi)部清理干凈，裝料后采用帆布遮蓋，以減少運輸中混合料的水分損失，運送至施工現(xiàn)場后，在專人的指揮下完成卸料工作，并安排施工人員利用推土機將混合料攤鋪開來，采用平地機進(jìn)行整平，攤鋪后混合料的松鋪厚度控制在30cm，其表面保持平整。

（2）路拌作業(yè)：混合料攤鋪完成后采用全液壓穩(wěn)定土拌和機對改良后的膨脹土進(jìn)行路拌。根據(jù)工程實際情況，本次路拌的深度控制在1cm 左右，共拌和2 遍，待拌和后混合料保持均勻一致的狀態(tài)，此時可安排檢測人員采用EDTA 滴定法或直讀式測鈣儀法測定混合料中的含灰量。如經(jīng)檢測各個測點混合料的含灰量基本一致，則表示膨脹土攤鋪拌和完成，如各個測點混合料的含灰量差異較大，則表示未充分拌和，需返工處理[3]。

2.3.7 整形碾壓

對路拌均勻且攤鋪好的混合料利用平地機進(jìn)行精平1～2 遍，保持改良膨脹土填料表面的平整度，采用重量為20t 的振動壓路機進(jìn)行碾壓施工，先不開啟振動功能靜壓1～2 遍，然后開啟振動功能強振碾壓4～6遍，增加混合料之間的密實性，提升路基的壓實度，最后再靜壓1～2 遍完成收面，整個碾壓過程中的碾壓速度不得超過4km/h，全長宜遵循先慢后快、低頻高幅的碾壓原則，經(jīng)全面碾壓結(jié)束后及時檢測路基的壓實度，其壓實度不得低于95%，否則需補壓處理[4]。

2.4 改良膨脹土效果研究

為保證本工程石灰改良膨脹土路基的施工質(zhì)量，在工程路基填筑碾壓結(jié)束后，施工單位組織人員對施工后的膨脹土混合料的自由膨脹率及CBR 強度進(jìn)行檢測，此次檢測共選取23 組檢測樣本，本次給出其中5組檢測結(jié)果，見表5：

表5 施工質(zhì)量檢測結(jié)果

由表5試驗數(shù)據(jù)可以得知，經(jīng)填筑碾壓結(jié)束后，工程路基的自由膨脹率控制在20%以下，與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的低于40%相比，滿足施工質(zhì)量要求；針對路基的CBR 強度檢測結(jié)果得知，經(jīng)改良后的路基CBR 強度最小值為22.5%，與設(shè)計要求的不小于8%相比，遠(yuǎn)超設(shè)計要求，這證明石灰可有效改善膨脹土的性能，本工程路基施工質(zhì)量合格。

3 結(jié)語

綜上所述，石灰改良膨脹土填筑路基施工是一項專業(yè)性、技術(shù)性很強的重要工作，其不僅對石灰的用量需要精確的控制，還應(yīng)具備科學(xué)的施工工藝，同時保證施工人員可以嚴(yán)格按照質(zhì)量要求進(jìn)行施工，才能有效保證膨脹土填筑路基的施工質(zhì)量。