高液限土路堤土质特性与施工工艺研究

卢剑雄

(湖南省湘筑工程有限公司)

1 工程简介

G高速公路是沪蓉国道主干线重要的一段,其中 B1、B2合同段位于渝东偏东南部位,属于西南山区气候,潮湿多雨,而且路段地下水系发达。这里广泛分布着含水量较大的潮湿性土,它们多为高液限粘土或高液限粉土,其含水量普遍达 35%以上,并且分布较深。经地表调查及工程钻探揭露,场地内覆盖层主要为褐黄色的红粘土,挖方段落的覆盖层达十几米且为含水量过大(48%～53%)、塑性指数不合格(32%～35%)的高液限土,而且红粘土层在水平方向上厚度变化较大,未发现有裂隙发育。覆盖层以下的岩石为液性指数偏高、塑性指数合格的软质泥岩,其含水量仍达 43%～48%,该种岩石的特点为遇水软化,雪融后翻浆。

(1)K0+590～K0+690段:基岩埋深较大,上覆红粘土层厚度 9.10～19.60m。

(2)K1+480～K1+980段:K1+600～K1+800段地质条件较好,该段钻孔揭露深度内均为基岩;其余地段上覆红粘土层厚度 5.20～11.80m。

(3)K3+200～K3+270段:上覆红粘土层为 4.50～6.20m。

(4)K3+940左幅道路中心线:该孔上覆红粘土层厚8.20m,且7.00～8.20m有土洞发育。

2 高液限土土质特性研究

2.1 高液限土常规物理力学指标测定

为进一步查明石忠路高液限土物理力学性质,同时考虑到高液限土填筑路堤在复浸水不利情况下的结构相似性,分别在不同路段路堑基底钻取原状土样 25组,进行土工常规测试得到主要设计参数。

通过测试统计所得石忠路高液限土含水率约为33.92%;天然密度约为 1.84g/cm3;孔隙比约为 1.023;饱和度约为 92.15;液限约为 44.86%;塑限约为 25.19%;抗剪强度(固结快剪):黏聚力 c取 26.3kPa;内摩擦角 φ取 13.2°;压缩系数约为0.29MPa-1。按《岩土工程勘察规范》可知这类高液限土属于红黏土,但在此基础上又具有抗剪强度偏低,压缩性偏高的特殊性,大体来说仍符合高液限土的宏观范畴。通过计算含水比为0.756,按《岩土工程勘察规范》划分红黏土的复浸水特性属I类,即收缩后复浸水膨胀,能恢复到原位。

2.2 高液限土路堤填料压实度控制指标测定

路堤施工时压实度的主要控制指标是最大干密度和最佳含水量,针对不同填料一般通过室内试验来测定其相应的指标。对于高液限土,其土粒成分主要为细粒土,根据《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中的标准击实试验(T0131-93),通过干土法来进行试验。取 G高速公路高液限土路段现场挖方土样,所做的室内标准击实试验结果如图 1所示,由此可得出该土样在最佳含水量 15%下可得最大干密度1.80kg/cm3。

由于施工现场所填筑的土来源不一,同一处所取的土体也随开挖从外到内风化程度逐步减弱,填筑的土体颗粒相当不均匀,甚至随着取土开挖深度的加深而大颗粒土壤比例逐渐增加。而室内标准击实试验,要求试验用土样要过38mm的筛子,取 38mm筛下的土样留用作为试验用土样,因此,当施工现场填筑土体中大于 38mm超尺寸颗粒土的含量在 3%～30%的时候要进行校正。

图 1 最大干密度及最佳含水量图

2.3 高液限土结构特性研究

(1)抗剪强度变化规律研究。

考虑到高液限土随分布不同其含水量变化较大,为测定高液限土抗剪强度随含水量的变动而变化的情况,特选取15%、25%、35%三个不同含水量条件下测定其各自的抗剪强度。试验选用ZJ-2型等应变直剪仪,不同含水量条件下测得的抗剪强度指标平均值列于表 1中。

表1 含水量与抗剪强度指标关系

由此可见高液限土的抗剪强度随着含水量的增加而大幅度降低,由此说明水对高液限土具有很大的影响作用。

(2)压缩性能变化规律研究。

由于高液限土高压缩性,土壤颗粒细小等特点,在利用高液限土填筑路堤并对高液限土路堤进行沉降分析时,应注意路堤堤身的沉降情况,而这首要问题就是必须了解堤身填料的压缩性能。取本项目高液限土挖方材料进行室内击实试验,按规范要求的压实度制备高液限土填筑土样,对其进行压缩试验。另一方面,为探讨高液限土压缩性随不同含水量变化而变化的情况,特针对 15%最佳含水量并按 93%规范要求压实度压实后的土样与 35%原状高液限土的压缩性能进行对比,研究其压缩指标的变化趋势。

试验采用高压固结压缩仪,杠杆比例 20∶1,环刀直径50cm2,分别进行三组试验,得到最佳含水量以及规范要求压实功压实下的土样压缩性能,三组e-p曲线如图 2所示,变动幅度不大,可近似取压缩系数 α1-2在 0.17～0.20MPa-1,可见,标准击实后的高液限土土样仍有一定的压缩程度。

原状高液限土含水量平均为 35%左右,通过之前高液限土基本物理力学性能试验可知其压缩系数一般为 0.28～0.34MPa-1,而 15%最佳含水量的土在 93%的压实功压实后,其压缩系数变为 0.17～0.20MPa-1。由图中变化程度可以看出,高液限土的压缩性能随着含水量的增大以及外界初始荷载条件的减小而大幅度提高,也从另一个方面反应出水对高液限土的影响。

图 2 高液限土路堤填料 e-p曲线

(3)高液限土结构特性分析。

上述两项补充试验为不同含水量条件及压实情况下高液限土抗剪强度指标和压缩性能的变化,说明了高液限土结构本身对含水量变化和外界荷载影响较敏感,是一种结构变动很大的土。这也是由高液限土亲水,粒径小,塑性大等特点决定的。首先,随着填筑,外界荷载逐步增大,填料中水逐步消散,填筑土体自身结构必然持续改变,而且结构变动程度也比一般的填料要高,必然引起路堤堤身一定程度的沉降;其次,由于当地恶劣的气候环境,在高液限土路堤运营期间,随着雨雪反复渗入浸润,同样使得填筑土体结构持续改变,一方面降低填料强度,影响路堤堤身稳定性;另一方面也会造成路堤堤身的不均匀沉降。

3 高液限土路堤施工工艺研究

3.1 施工现场压实度影响因素分析及其控制方法

(1)现场压实度影响因素分析。

①含水量控制。现场填筑填料时应参考室内试验指标,尤其是对于高液限土,必须严格控制填料的含水量在最佳含水量附近,一般要求左右偏差不超过 2%～3%。

②松铺厚度。在同样的压实功作用下,不同的松铺厚度有着不同的压实效果。松铺厚度如果过大,压实功消散较快,不能将松铺层整体压实,很难达到指定的压实度,过小填料自身反作用力增大,会出现反弹现象。

③碾压遍数。通常松铺厚度和碾压遍数可以结合起来考虑,针对具体的路段应该设计不同的松铺厚度,并找出各自稳定的碾压遍数,再对比各组松铺厚度的稳定压实效果,选择最合适的松铺厚度。

④压实机具选择与组合。压实机具的选择与组合对高液限土路基压实度的效果有着很大的影响。对于高液限土路基,应采用三轮压路机(18～21t)初压,接着再根据实际情况使用振动压路机碾压。当土质为黏土,击实最大干容重为1.80kN/m3左右,最佳含水量为 15%左右时,一般采用18t振动压路机压实,有膨胀性时,随膨胀系数的增大应采用更重的振动压路机;对于颗粒较大的砂性土和碎石颗粒,击实最大干容重较大,而且随含石率的增大而增大,最佳含水量较低,而且随含石率的增大而降低,一般采用 25t振动压路机压实。

⑤碾压程序。对于高液限土路基,可先用三轮压路机初压,由路堤外缘向中间碾压 2～4遍,然后用振动压路机按照不同情况再碾压 2～4遍。要求振动压实每一遍都进行压实度检查,统计达到要求的压实度不同压路机所需的遍数和最佳适宜的碾压速度,以保证压实质量并正确指导之后的施工。

(2)施工现场压实度控制注意事项。

碾压前,必须控制填料含水量位于最佳含水量附近,一般可调整填料含水量略大于最佳含水量。

为促使碾压更均匀并提高压实效率,土块应打碎至5mm以下,每层松铺厚度应小于 30cm,同时尽可能使填料含水量均匀。

碾压后压实度难以达到要求时,或是施工期间降雨,影响之前压实效果时,应进行复压处理。

对于填挖交界处,路堤与路堑两者土内的含水量不相同,密实程度也不相同,高液限土更容易发生不均匀沉降。因此,压实时应达到压实均匀、紧密,同时,交界处 2m范围内的挖方地基表面应挖台阶翻松,对比填料含水量,选取适当压实机具再进行压实。

3.2 填筑方案施工要点

(1)施工顺序及控制。

路堤填筑过程中,应进行沉降和稳定监测,严格控制填筑速率以免由于加载过快而造成地基破坏。路堤施工期内应连续观测路堤沉降变形,控制指标为路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于 1.0cm;坡脚水平位移速率每昼夜不大于 0.5cm,其填筑速率应以水平位移控制为主,如超过此限应立即停止填筑。

各填筑方案施工顺序,见表 2。

(2)片石层填筑。

碎石垫层施工关键是如何将碎石加密到设计要求的密实度。加密方法可选用振实、夯实或压实的方法,常用的有平振法、插振法、水撼法、夯实法和碾压法等。这些方法的压实效果、分层铺筑厚度、压实遍数、最优含水量等应根据具体施工方法以及施工机具通过现场试验确定。当无试验资料时,采用 60～100kN压路机,每层摊铺厚度为 30cm,压实遍数为 4～6遍。

表2 各方案施工顺序表

碎石垫层底面宜铺设在同一标高上,如填筑厚度不同,垫层下土层面应挖成阶梯或斜坡搭接,并按先深后浅的顺序施工,搭接处应夯压密实。各分层的搭接位置应错开 0.5～1.0m的距离。

为防止碎石垫层边缘部位砂石的流失和保证碎石垫层排水路径的畅通,在碎石垫层两侧应堆放砂包。

(3)土工格栅的铺设。

应在边坡面以内 3.5m的范围内铺设。当路堤基底处理完后,应立即铺设土工格栅,然后分层填土压实,直至基床底面。

应将抗拉强度较高的纵幅中线置于垂直线路的方向,其外端不宜露出边坡面,且内缩10cm。

(4)隔水土工布的铺设。

铺设前对下承层进行修整,人工将表面碎、块石等坚硬凸物清除干净。

沿横断面方向铺设土工布,人工将土工布拉平,使土工布平顺,松紧适度,用长 10cm的竹签将土工布的四角固定。在边坡处土工布回折 1m,待填土后将预留部分沿修整好的边坡反包上来,用竹签在距路基边缘 20cm处固定。

相邻两幅土工布间搭接 30cm,搭接时高端土工布置于低端土工布的面上,防止土工布褶皱。

4 结 语

(1)分析了高液限土基本物理力学性质;对高液限土路堤填料压实度控制指标进行测定,并考虑现场实际情况进行一定的修正,同时,探索这两个指标与土体含石率之间的变化规律,可以灵活地控制不同情况下的压实方法;最后,通过高液限土抗剪强度以及压缩性能随不同含水量等条件变化而变化的规律研究,对高液限土的结构性进行探讨。这些为修筑高液限土路堤研究提供了一定的依据。

(2)根据G高速公路高液限土地区路堤分布状况,对高液限土路堤的施工工艺进行了分析。分析了施工现场压实度影响因素、控制方法及填筑方案施工要点。

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[2]张平等.高液限粘土路堤填筑石灰改良技术研究[J].西部探矿工程,2006,(10).

[3]钟敏雄,刘世武,柳厚祥.康耐改良高液限土路用特性研究[J].吉林化工学院学报,2005,22(1).