王偉志 嚴(yán)赪強(qiáng) 徐永福 王 浩

(1.上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，上海 200003；2.上海交通大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200240；3.皖江工學(xué)院，安徽馬鞍山 243000)

引言

目前，能直接用于高速鐵路路基填筑的天然填料較少，且天然填料的路用性能很難滿足工程要求，需要對(duì)其進(jìn)行改良加固[1-2]。

在滬蘇湖高速鐵路橋梁樁基的鉆孔灌注樁施工過(guò)程中，產(chǎn)生大量的鉆渣，需要運(yùn)送到指定的納場(chǎng)所集中處理，處理費(fèi)用高昂。根據(jù)《上海市建筑垃圾處理管理規(guī)定》(滬府令57號(hào))規(guī)定，固體廢渣的處理原則是：減量化、資源化、無(wú)害化和“誰(shuí)產(chǎn)生、誰(shuí)承擔(dān)處理責(zé)任”。因此，鉆渣最理想的處理方法就是改良利用[3]。

鉆渣改良利用就是將鉆渣與固化劑充分拌合，經(jīng)壓實(shí)、養(yǎng)護(hù)形成堅(jiān)固穩(wěn)定的路基，常采用的固化劑主要有石灰、水泥等[4-5]。水泥改良土用作高速鐵路路基填料的可行性已得到廣泛驗(yàn)證，傅代正采用水泥、石灰改良下蜀黏土用作京滬高速鐵路徐滬段路基的填料[6]；王素靈采用水泥改良濕陷性黃土，成功應(yīng)用于鄭西高速鐵路路基填筑，形成了水泥改良土的施工方法、工藝流程和質(zhì)量檢測(cè)的成套技術(shù)[7]。

對(duì)材料進(jìn)行改良時(shí)，水泥摻量是極其重要的指標(biāo)。張保衛(wèi)采用水泥改良粉細(xì)砂，分析了改良土耐久性的影響因素，提出水泥的最佳摻量為5%[8]；史衛(wèi)國(guó)等通過(guò)在黏性土中摻入3%～7%水泥，改善黏土的顆粒級(jí)配、塑液限和壓縮性，提高強(qiáng)度和水穩(wěn)性[9]；朱江江等依托浩吉重載鐵路工程，采用水泥改良全風(fēng)化軟質(zhì)巖填料，并分析路基填筑施工關(guān)鍵控制參數(shù)和碾壓工藝[10]；顏勝才針對(duì)高鐵路基填料的水泥改良問(wèn)題，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了水泥改良土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)水泥改良土具有良好的擊實(shí)特性和水穩(wěn)性，并且要求水泥摻量不宜低于3%[11]。

水泥改良土從攪拌、運(yùn)輸、攤鋪整平到碾壓成型需3～4 h，還應(yīng)考慮延遲擊實(shí)影響，并由此衍生出了對(duì)水泥改良土施工工藝的諸多成果。閆登峰和王蘭根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果指出，延遲擊實(shí)對(duì)水泥改良細(xì)砂的最大干密度和7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定影響，但只要選擇的碾壓工藝合適、壓實(shí)含水率控制得當(dāng)，延遲擊實(shí)不影響水泥土路基整體性狀[12]；顏勝才等介紹了水泥改良土的作用機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了水泥改良土擊實(shí)性、水穩(wěn)性、強(qiáng)度特性、剛度特性等物理力學(xué)特性[13-14]；柳墩利等分析了鄭西鐵路高速鐵路水泥改良土路基壓實(shí)系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的原因，建議檢測(cè)時(shí)應(yīng)考慮碾壓延遲影響，采用擊實(shí)延遲時(shí)間相同的最大干密度控制壓實(shí)系數(shù)[15]。

相關(guān)學(xué)者對(duì)水泥改良土進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)改良土用于路基填筑的具體實(shí)際方案研究還相對(duì)較少。以下依托滬蘇湖高速鐵路上海段水泥改良土路基工程，提出采用水泥改良鉆渣用于路基填筑的施工方案，為高速鐵路路基的鉆渣改良利用提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

滬蘇湖鐵路上海段線路長(zhǎng)約66.85 km，沿線產(chǎn)生的渣土和泥漿干化后土方總計(jì)154.3萬(wàn)m3，具體路段產(chǎn)量見(jiàn)表1。

表1 各區(qū)渣土和干化泥漿數(shù)量 萬(wàn)m3

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，渣土和泥漿必須運(yùn)至指定的消納場(chǎng)所進(jìn)行處理，泥漿在進(jìn)入消納場(chǎng)所前還需要進(jìn)行預(yù)處理。上海市重大工程渣土消納場(chǎng)主要有：浦東機(jī)場(chǎng)2號(hào)圍區(qū)：(總庫(kù)容約400萬(wàn)m3，接收泥漿)、南匯東灘N1庫(kù)區(qū)(容量3 900萬(wàn)m3配套設(shè)施完善，渣土和泥漿處置和消納的費(fèi)用約為1.3億元)。因此，從高速鐵路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展角度看，對(duì)渣土和泥漿的改良利用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和重要的社會(huì)意義。

滬蘇湖鐵路上海段施工Ⅵ標(biāo)段路基填方設(shè)計(jì)276.88萬(wàn)m3，其中承臺(tái)土改良利用62.81萬(wàn)m3，尚缺方200多萬(wàn)m3，需要外運(yùn)遠(yuǎn)購(gòu)。為了節(jié)省工程造價(jià)，解決路基填料難題，就近將施工Ⅶ標(biāo)的鉆孔灌注樁產(chǎn)生的鉆渣泥漿干化后改良利用，選擇石湖蕩站貨場(chǎng)改路DK67+700～DK67+865，開(kāi)展水泥改良土路基填筑施工工藝試驗(yàn)，路基橫斷面設(shè)計(jì)橫斷面見(jiàn)圖1。試驗(yàn)段土層巖性主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉土粉砂層，具體土層如下。①(1)素填土(Q4m)：稍濕，松散；②(2)黏土(Q4m+al)：軟塑，σ0=120 kPa；③(3)1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m)：流塑，σ0=50 kPa；④(3)3粉質(zhì)黏土(Q4m)：軟塑，σ0=100 kPa。

圖1 路基橫斷面(單位：m)

2 改良土的路用性能

2.1 鉆渣的基本性質(zhì)

鉆渣取自施工Ⅶ標(biāo)鉆孔灌注樁施工現(xiàn)場(chǎng)，鉆渣試樣呈淡黃色，機(jī)質(zhì)含量為0.5%。鉆渣顆粒分布曲線見(jiàn)圖3，粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為28%，屬于細(xì)粒土，鉆渣在塑限圖上的位置見(jiàn)圖4。由圖4可知，鉆渣塑性指數(shù)一般為10～17，可以定名為低液限粉質(zhì)黏土。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)鉆渣試樣

圖3 鉆渣顆分曲線

圖4 鉆渣在塑性圖上所處位置

2.2 擊實(shí)特性

鉆渣摻5%水泥和6%石灰改良后，改良土的擊實(shí)曲線見(jiàn)圖5。鉆渣及改良土的最大干密度(ρd)和最優(yōu)含水率(wop)見(jiàn)表2。由表2可知，經(jīng)過(guò)水泥和石灰改良后，鉆渣具有較好的壓實(shí)性能。水泥改良土和石灰改良土的擊實(shí)曲線斜率較小且曲線平緩，表明石灰和水泥改良土的干密度隨含水率的變化幅度比鉆渣的變化幅度小，即石灰和水泥改良土的干密度隨含水率變化遲緩，有利于路基填筑施工過(guò)程中石灰和水泥改良土含水率的控制。

圖5 重型擊實(shí)曲線

表2 鉆渣及其改良土的最大干密度和最有含水率

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

改良土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)見(jiàn)圖6，試樣直徑為10 cm、高10 cm，高徑比為1∶1，采用P·O42.5水泥。7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)石灰水泥改良后，鉆渣的7 d齡期的飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足高速鐵路路基填料的強(qiáng)度要求，故石灰水泥改良鉆渣可以用作高速鐵路路基填料。

表3 鉆渣改良土的7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖6 無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)

7 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的關(guān)系見(jiàn)圖7(a)，隨著水泥摻量增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加。水泥摻量小于5%時(shí)，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增大；水泥摻量大于5%，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增大，但幅度有所減小。7 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量的關(guān)系見(jiàn)圖7(b)，隨著石灰摻量增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加，4%～6%摻量改良效果較為明顯，6%～8%摻量改良的效果減緩。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的關(guān)系曲線

2.4 延遲擊實(shí)影響

延遲擊實(shí)時(shí)間是指水泥摻入與鉆渣拌合完成后到擊實(shí)試驗(yàn)完成后這段時(shí)間。延遲擊實(shí)對(duì)水泥改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖8。由圖8(a)可知，隨著延遲擊實(shí)時(shí)間增加，水泥改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小，延遲擊實(shí)10 h后，水泥改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅剩余40%左右。水穩(wěn)系數(shù)定義為

(1)

如圖8(b)所示，隨著延遲擊實(shí)時(shí)間增加，水泥的水穩(wěn)系數(shù)減小，故從水泥改良土的水穩(wěn)性角度出發(fā)，水泥改良土路基要及時(shí)壓實(shí)養(yǎng)護(hù)，延遲碾壓時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

圖8 延遲擊實(shí)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 小結(jié)

以上重點(diǎn)探究了使用石灰及水泥對(duì)鉆渣這種低液限粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良的效果，值得注意的是，對(duì)于初始為泥漿狀的鉆渣可以先摻加2%石灰，降低水分，方便成型，后續(xù)可以摻加4%的水泥提高強(qiáng)度，兩種材料的綜合使用一方面滿足了強(qiáng)度要求，另一方面可將經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3 施工工藝

3.1 施工參數(shù)

施工過(guò)程中，具體施工參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 改良土施工過(guò)程中的參數(shù)要求

3.2 施工工藝

水泥改良鉆渣用于高速鐵路路基填筑時(shí)采用路拌法施工，鉆渣在原地?cái)D壓排水后，運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地?cái)備?、翻曬至含水率為wop±2%(wop為最優(yōu)含水率)，再采用機(jī)械攤鋪、整平，按照施工配合比撒布水泥，經(jīng)過(guò)路拌機(jī)拌和、壓路機(jī)碾壓后形成一定強(qiáng)度的固結(jié)體。水泥改良土路基填筑施工的工藝流程見(jiàn)圖9。

圖9 改良土路基填筑施工工藝流程

(1)施工準(zhǔn)備

原材料準(zhǔn)備：泥漿狀的鉆渣摻加2%石灰，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮擠水30 min，壓成鉆渣泥餅，含水率控制在30%左右，施工過(guò)程見(jiàn)圖10。

圖10 鉆渣壓縮排水

施工準(zhǔn)備：熟悉施工圖紙，了解設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及要求；對(duì)鉆渣和摻料取樣檢測(cè)，滿足要求方可使用；根據(jù)鉆渣的物性指標(biāo)，初步確定改良土的水泥配合比，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定水泥改良土路基的填筑參數(shù)，驗(yàn)證7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是否滿足填料要求。

(2)測(cè)量放線

按設(shè)計(jì)圖紙放線，在路基兩側(cè)各加寬30 cm，對(duì)放好樣的中樁、邊樁做好保護(hù)。

(3)基底平整

基底表面基本平整，密實(shí)，無(wú)積水凹陷。根據(jù)路基填筑寬度在路基兩側(cè)開(kāi)挖排水溝，排水溝與既有排水溝和河流連接。

(3)運(yùn)輸

鉆渣填料由自卸車(chē)運(yùn)輸，車(chē)輛應(yīng)加篷布覆蓋。

(4)卸料

鉆渣卸在備料區(qū)及時(shí)翻曬，四周挖排水溝。

(5)晾曬

鉆渣備料區(qū)晾曬，每天用路拌機(jī)粉碎兩遍，鏵犁翻曬2～4遍，至鉆渣含水率達(dá)到wop±2%，運(yùn)至填筑路段上料，見(jiàn)圖11(a)。

圖11 水泥改良土路基填筑施工

(6)撒布方格網(wǎng)線

按照試驗(yàn)段確定松鋪系數(shù)和自卸車(chē)運(yùn)輸數(shù)量，計(jì)算方格網(wǎng)尺寸，用滑石粉畫(huà)出方格網(wǎng)，同時(shí)標(biāo)注車(chē)輛行走路徑和卸料順序。

(7)上料

自卸車(chē)按照規(guī)劃線路運(yùn)輸至指定方格網(wǎng)內(nèi)，均勻卸料。

(8)攤鋪、初平

攤鋪和初平按照“橫向全寬、縱向水平”方式施工，虛鋪厚度按松鋪系數(shù)設(shè)置。

每層填料卸料完成后，采用推土機(jī)攤鋪初平，再由路拌機(jī)拌粉碎1次，最后采用人工填補(bǔ)和刮平。

(9)布灰

采用袋裝水泥，水泥布灰面積的計(jì)算公式為：?jiǎn)未噘|(zhì)量÷[(混合料最大干密度×理論壓實(shí)系數(shù)/(1+水泥摻量)]/壓實(shí)厚度。根據(jù)單袋水泥布灰面積畫(huà)出布灰方格網(wǎng)尺寸，裝載機(jī)將袋裝水泥云至布灰方格網(wǎng)內(nèi)，人工破袋均勻布灰，見(jiàn)圖11(b)。

(10)拌和、補(bǔ)灰

采用路拌機(jī)從兩側(cè)向路基中線方向拌和3遍，拌和重疊寬度控制在50 cm以上，拌和時(shí)設(shè)專人跟隨拌和機(jī)檢查拌和深度。拌合后填料色澤均勻，沒(méi)有灰條、灰團(tuán)和花面，嚴(yán)禁底部留有“素土”夾層，見(jiàn)圖11(c)。

(11)精平整型

先用推土機(jī)穩(wěn)壓1遍，再用平地機(jī)初平和整型。

(12)碾壓成型

采用22t壓路機(jī)由兩側(cè)路肩向中心碾壓，后輪應(yīng)重疊1/2輪寬，必須超過(guò)兩段的接縫處，路基兩側(cè)應(yīng)多壓1～2遍。終凝前碾壓到設(shè)計(jì)壓實(shí)度，且沒(méi)有明顯輪跡，見(jiàn)圖11(d)。

3.3 質(zhì)量檢測(cè)

水泥改良土路基填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)主要有：壓實(shí)系數(shù)、7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、灰劑量和顆粒粒徑，具體說(shuō)明如下。

(1)壓實(shí)系數(shù)：采用灌砂法檢測(cè)，按每100 m每層檢測(cè)6個(gè)點(diǎn)。實(shí)測(cè)值均大于0.92，滿足設(shè)計(jì)要求(0.90)。

(2)7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：現(xiàn)場(chǎng)取樣，室內(nèi)進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，按100 m每層檢測(cè)3個(gè)點(diǎn)。實(shí)測(cè)值均大于460 kPa，滿足規(guī)范規(guī)定的填料強(qiáng)度要求的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于200 kPa。

(3)灰劑量：按100 m每層3個(gè)點(diǎn)，根據(jù)EDTA滴定法，實(shí)測(cè)值均大于6.5%。

(4)顆粒粒徑：現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)和室內(nèi)篩分法，大于40 mm的顆粒不到6%，大于20 mm的顆粒不足26%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

鉆渣改良利用是變廢為寶的集約環(huán)保措施，經(jīng)過(guò)水泥改良后，鉆渣滿足高速鐵路路基填料要求，根據(jù)滬蘇湖高速鐵路上海段水泥改良鉆渣路基填筑施工實(shí)踐，得到以下主要結(jié)論。

(1)鉆渣利用的難點(diǎn)在于收集和擠壓排水。如果有足夠場(chǎng)地建設(shè)沉淀池，沉淀后的鉆渣可以直接運(yùn)送至填筑場(chǎng)地風(fēng)干、晾曬，同時(shí)解決了收集和擠壓排水的難題；若場(chǎng)地不足，可采用機(jī)械擠壓排水，再壓成鉆渣泥餅。

(2)水泥改良鉆渣的水穩(wěn)定性好、強(qiáng)度大、路基整體性強(qiáng)，可滿足高速鐵路對(duì)路基填料的要求。蘇湖高速鐵路上海段鉆渣摻加4%水泥改良后，7 d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于460 kPa，滿足規(guī)范規(guī)定的填料強(qiáng)度要求。

(3)水泥改良鉆渣路基施工工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高、質(zhì)量易于控制、施工過(guò)程污染小，具有廣泛的適應(yīng)性。