风化砂改良膨胀土路基施工关键问题探讨

杨 俊，黎新春，张国栋，唐云伟，谢支钢

（1．三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创作中心，土木与建筑学院，湖北 宜昌443002；2．宜昌市交通运输局，湖北 宜昌443002；3．小鸦一级公路改建工程项目部，湖北 宜昌443002）

膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊黏性土，在我国分布较广泛。因其具有反复的吸水膨胀、失水收缩的特殊性质，使得其在道路施工的过程中容易出现裂缝、流坍的情况，所以修建在膨胀土地区的铁路、公路、桥梁及其它建筑物常常会遭受到强烈的变形破坏。当前我国膨胀土地基或者膨胀土改良的试验性总结并不多见，对膨胀土地基和改良后填料的稳定性及强度控制指标、检验方法等方面均缺乏相应的数据依据。因此在膨胀土地区路基施工的过程中有必要选择代表性地段作为试验路段，进行膨胀土路基现场试验，验证设计中各项技术参数的正确性。笔者旨在探讨膨胀土路基改良方法和路基施工处理方案的关键性问题，提出满足公路改建工程要求的改良方案；确定最终施工中膨胀土改良方案，提出相应的基底处理、改良土拌和、压实施工工艺以及路基填筑质量检验方法，确保路基的稳定性和耐久性。

膨胀土路基在公路路基规范中被称为特殊路基，其特殊性在于膨胀土在气候性干湿循环作用下反复发生吸水膨胀、失水收缩等变形。膨胀土的胀缩特性受土体的初始状态影响较大，一般认为收缩量随初始含水量的增大而增大，随初始干密度的增大而减小；对于同一种土，其收缩变形主要与水分的散失量有关，含水率的变化是膨胀土路基的强度变化和变形产生的关键性因素。实践表明，地下水位线的高低直接影响到路基填料的含水率，因此，在施工设计中，根据地下水位线的情况，采取相应的处理措施，确保路基稳定性和耐久性。

湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路沿线膨胀土分布广泛，由于土地资源匮乏，周围没有其他可换填的材料，只能利用改良的膨胀土来填筑路基。结合当地风化砂分布较广的实际情况，采用风化砂对膨胀土进行物理改良，通过改变原状土中颗粒分布，增大膨胀土中粗颗粒的含量来增大膨胀土的强度性能，同时利用砂的摩阻力来抵消膨胀土的膨胀力，抑制膨胀土的膨胀，达到路基工程材料的标准。此举不仅能够充分合理利用材料，做到就地取材，降低工程造价，还能起到保护环境的作用。由于沿线地势起伏，地下水位线分布情况不同，根据现场实际勘察报告，结合施工现场情况，对处于不同地下水位线的风化砂改良膨胀土路基，提出了相应的施工方案。

1 施工方案

小溪塔至鸦鹊岭公路沿线膨胀土分布广泛，经过现场实际勘察和取样测试发现，沿线地下水位线随着地势的变化而发生变化，地下水位线较低的地段，膨胀土的天然含水率较低，黏性较小，具有一定的强度，如图1所示；地下水位线较高的地段，膨胀土的天然含水率较高，呈淤泥状，部分低洼地段表面有积水，黏性较大，基本上没有承载力，如图2所示。根据地下水位线的高低，课题研究小组提出了两种风化砂改良路基施工方案。

图1 地下水位线低的地段

图2 地下水位线高的地段

1．1 施工方案一

对于地下水位较低的路段，由于路基基底的膨胀土处于半饱水状态，但具有一定的强度，强度较低，不适合大型机械进场施工。因此在路基开挖之后，先摊铺200cm的碎石，采用冲击夯夯实，提高基底承载力；然后在碎石层上摊铺20cm厚的黏土，整平找坡之后碾压密实；然后在黏土层上铺复合土工布防水（两布一膜），其上再摊铺100cm后掺风化砂改良的膨胀土，施工比例（质量比）为膨胀土∶风化砂＝8∶2，分四层摊铺碾压密实，压实度要求达到96%以上。在改良土层上再摊铺20cm厚黏土，碾压密实，起到封水作用。其上填铺80cm厚炮渣，最后铺筑72cm厚路面。为保证路基横向排水，设置路基横坡为4%，在路基右侧挖方地带，设置60cm×60cm的片石边沟。

1．2 施工方案二

对于地下水位较高的路段，膨胀土天然含水率较高，处于饱和含水状态，呈现为淤泥状，基本上没有承载力，为保证路基的稳定性，先对路基基底采取打碎石强化处理，桩径50cm，桩长10m，间距2m；然后再抛填100cm碎石，采用冲击夯夯实；夯实之后在其上填20cm黏土，整平找坡之后碾压密实，在其上铺复合土工膜（两布一膜），然后摊铺100cm后掺风化砂改良的膨胀土，比例（质量比）为膨胀土∶风化砂＝8∶2，分四层摊铺碾压密实，压实度要求达到96%以上；然后在改良土上摊铺80cm厚炮渣，其上再铺筑72cm厚路面。为保证路基横向排水，设置路基横坡为4%。

2 路基基底强化处理施工工艺

当地基土的有关力学指标不能满足设计要求时，必须对基底部进行强化改良处理。

风化砂改良膨胀土路基基底抛石夯实分为主夯、副夯、满夯两遍三道工序，其中主、副夯点正方形布置间距均为5m，夯击能2 500kN·m，主副夯完成后再进行全幅满夯，满夯采用低能量 （为前两遍能量的1／4～1／5），以达到加固前两遍之间松动表层的作用。

基槽开挖完毕后，进行抛填碎石，从路基边线两侧同时向路基中线抛填碎石至200cm以上，抛填高度要考虑强夯夯沉量，碎石粒径不大于40cm，材质满足相关要求；抛石宽度比路基宽度加宽50cm。在重锤夯击施工前，应进行试夯，以便校核选定的夯锤重量和确定的落距，同时初步确定最后下沉量以及相应的最小夯击遍数和总夯实下沉量；根据测量放样用白灰精确标出第一遍夯击点位置，并测量场地标高，为确保夯实质量，夯锤距离现况碎石上坡脚≤1m；将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，及时将坑底整平。夯击时注意保持落锤平稳，夯位准确，当夯锤气孔被土堵塞时，及时进行清理，以免影响夯击效果。施工中，为防止吊车臂杆在较大仰角时因突然释重而后倾，在臂杆顶端加了两根钢绳系在推土机上。

强夯质量检测环节主要包括以下几方面：

1）夯击点检测。强夯处理夯击点布置应满足相关要求。

2）满夯搭接检测。低能量满夯的搭接不得小于三分之一夯锤直径。

3）中心偏移量检测。强夯夯坑中心偏移的允许偏差应不大于D／5（D为夯锤直径）。

4）夯沉量检测。强夯过程中施工质量控制最后两击平均夯沉量不大于50mm，同时夯坑周围不发生较大隆起、不因夯坑过深而发生起锤困难。

5）孔隙率检测。用水袋法检测碎石顶面和顶面下50cm处的孔隙率，所测孔隙率应满足相关规范要求。

6）地基承载力检测。强夯施工结束后，进行了现场荷载试验，达到设计要求强夯后地基承载力。

3 路基施工工艺

基底强化处理完成之后，进行路基填筑。路基填筑包括3个阶段，15流程。三阶段包括：黏土垫层施工阶段、土工布施工阶段和风化砂改良膨胀土填料填筑阶段；每一个阶段包括5个流程。具体的施工流程见图3所示。

图3 风化砂改良膨胀土路基施工工艺流程图

黏土垫层的施工采用自卸汽车取土，摊铺采用机械摊铺，人工配合机械整平找坡之后用压路机碾压密实平整，路拱及排水横坡设计为4%，碾压密实之后检测签证。

土工布的施工采用人工滚铺，布面平整，并适当预留变形余量；土工布采用全断面整体摊铺横向热风焊接，横向焊接宽度0．1m；铺完后全断面复查并及时用风化砂改良的膨胀土覆盖。

路基填料的施工采用路拌法施工工艺，膨胀土、风化砂和碎石分层摊铺之后采用机械拌合，拌合完成之后采用机械分层摊铺，人工配合找平之后进行碾压密实。摊铺整平由初平、整形、最终整平三道作业工序组成。碾压时沿着路线纵向，自路基施工作业面两侧到中间逐幅延展，相邻两幅之间的压路机压痕搭接宽度为0．4m左右。同一填筑层改良膨胀土路基的碾压作业必须在同一碾压区段内进行，若正常碾压困难时，可采用斜向进退法碾压。施工间歇要采取相应的措施保证路基的衔接，如遇到气候干燥，要采取保湿养护，防止出现干缩裂缝。

4 施工中控制要点

4．1 强夯质量的控制

为保证强夯质量，首先要注意排水系统的设计和施工，减少水害；同时加强对路基沉降的观测，一旦出现位移异常现象，须及时采用路基加固措施。其次开夯前检测锤重和落距，以确保夯击能符合要求；放线时保证轴线控制点和夯点位置在允许的误差范围之内，轴线位置误差不大于20mm，夯点位置误差不大于150mm；放线完毕及时上报，经校核后开始强夯施工；夯后要击实检查夯坑位置，发现偏差或漏夯及时纠正；若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，及时将坑底填平后再夯；每夯击一次（或者规定击数）必须用水准仪测量夯沉量后再起锤进行下一次夯击。

4．2 含水率控制

膨胀土粉碎拌和的过程中，受气温、粉碎拌和的影响，膨胀土、风化砂和碎石混合料的含水率会降低，常需洒水重新拌和，既影响施工进度，又增加生产成本，所以在破碎拌和前，应按”稍高勿低’的原则控制膨胀土的含水率。施工时，拌和前填料含水率应稍高于最佳含水率，一般控制在2%～4%范围内（根据风化砂改良膨胀土试验段研究成果建议）。

4．3 颗粒细度控制

混合物颗粒粒径越小，比表面积越大，风化砂与膨胀土接触越充分，其改良效果越好。公路路基规范中对破碎拌和后颗粒粒径大小要求最大粒径不能大于15mm，根据室内试验和改良膨胀土路基试验段对拌和遍数与颗粒粒径的对应关系及颗粒粒径控制标准研究，建议路拌法颗粒粒径控制标准定为不大于40mm。

4．4 拌合的均匀性控制

掺风化砂改良膨胀土，主要是改变膨胀土中粒径分布情况，所以拌合的均匀程度对改良的效果影响很大。在路拌法中，拌合的均匀取决于合适的拌和遍数。摊铺的均匀度是使整个拌和区风化砂分布均匀的前提，因为路拌法只能使局部地区的上土层拌和均匀，可通过在摊铺前平整作业面，划方格网进行控制；而合适的拌和遍数是使整个拌和区填料分布均匀的保证，也是控制施工成本的主要因素之一。

4．5 土工布的施工

黏土垫层必须平整，无杂物，若有杂物，要先进行清除。土工布采取人工滚铺，滚铺的时候采用逆行法，避免人在土工布上移动的时候对土工布造成损坏。在铺筑上层土工布的时候，应采取必要的措施防止对下层土工布的破坏。为保证铺筑质量，在坡面上不允许有水平连接，焊接的最小宽度应满足不小于20mm。铺筑完成之后应进行全面检查，对于出现破损的地方应进行修补，经过检验合格之后立即用砂垫层覆盖。

4．6 碾压质量的控制

为保证风化砂改良膨胀土路基的压实度要求（不小于96%），碾压时应进行分层摊铺分层碾压，每层松铺厚度不大于30cm。在碾压之前，先进行含水率检测，若含水率不在施工允许的范围之内，应根据检测结果进行洒水晾晒，保证含水率在控制的范围之内。根据现场碾压工艺试验结果，严格控制施工时碾压机具的型号和碾压参数，对于碾压不到的相邻区段，采用小型机具进行夯实。

5 施工后沉降观测

小溪塔至鸦鹊岭一级公路全长31．32km，道路等级为公路一级，双向四车道，宽24．5m，设计时速80km，膨胀土主要分布在K24＋650～K31＋320区间内。为了掌握改良土路基在竣工后的沉降量大小、固结速度以及沉降规律，为评价风化砂改良膨胀路基的可行性及验证施工方案的合理性提供依据，对小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24＋700～K24＋900段进行为期12个星期的工后沉降观测。

观测采用精密电子水准仪，观测点布置为每隔50m取一个断面，总共5个断面，每个断面取4个观测点（观测点编号依次为1－1，1－2，…，1－4；2－1，2－2，…，5－3，5－4）），距左、右路肩边线1m处各1点，左、右行车道中心各1点，控制点和观测点用膨胀螺丝打入水泥混凝土中，并统一用红色油漆编号标记。

采用每个星期观测一次的频率进行沉降观测，采用三等或四等水准测量标准作为沉降观测的精度标准。为了减小误差提高观测精度，工后沉降观测采取“五固定的原则，即：后视尺固定、测站位置固定、仪器固定、观测人员固定、转点固定。每周测观测点高程一次，根据设计高程，计算每个星期观测点的累计沉降量。沉降量观测数据统计结果见表1。

从为期3个月的沉降观测结果可知：

1）小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24＋700～K24＋900段内累计沉降量最大的点为4－2和5－2，最大累计沉降量为6．8mm；累计沉降量最小的点为4－1和5－4，最小累计沉降量为5．7mm；平均累计沉降量为6．2mm。满足规范要求的工后沉降指标要求。

2）小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24＋680～K24＋880段内风化砂改良膨胀土路基的最大沉降速率2．3mm／30d，最小沉降速率为1．9mm／30d，平均沉降速率为2．1mm／30d。

表1 沉降量观测数据统计表

3）同一段面内距离路肩边线处的累计沉降量要小于行车道中间点的沉降量，主要是与外部荷载作用的次数有关，同时也与压实度、施工质量有关。

4）不同断面同一位置观测点的沉降量基本上相差不大，个别点的沉降偏大可能与碾压密实度、施工质量有关。

5）风化砂改良膨胀土路基累计沉降量随着时间推移逐渐增大，累计沉降量增大的趋势随着时间变化逐渐变缓，最后趋于平稳。在1－3之间，累计沉降量变化的趋势最后最快，第3周之后，变化的趋势逐渐变慢，第10周之后，变化趋于平稳，沉降稳定。

6 结论

1）通过对小溪塔至鸦鹊岭一级改建公路风化砂改良膨胀土路基连续3个月的工后沉降观测，月平均沉降速率2．1mm，小于3mm，说明该施工段路基沉降基本稳定。

2）通过对该段路基沉降量的分析可以知道，小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24＋700～K24＋900段路基的沉降量满足路基施工规范的要求，说明风化砂改良膨胀土路基施工方案是可行的。

3）风化砂改良路基施工包括路基基底的强化处理以及路基的填筑压实，在施工的过程中要注意控制含水率、压实质量以及拌合的均匀程度，对减小路基工后沉降均能起到一定的作用。

4）由于风化砂具有一定的粒径，与膨胀土拌和非常均匀。从该项目的应用结果可以看出，该方法容易操作，效果良好，可以推广应用。

［1］ 胡波．石灰改良膨胀土路基施工［J］．山西建筑，2011，37（18）：42－45．

［2］ 蔡二伟．宁靖盐高速公路X标段软基处理及工后沉降观测与分析［J］．盐城工学院学报（自然科学版），2004，17（3）：53－56．

［3］ 杜翔彬．襄樊地区武康二线膨胀土路基施工技术［J］．路基工程，2007，2：115－116．

［4］ 张季如．弱膨胀土特性及路堤填筑控制标准探讨［J］．武汉理工大学学报，2003，25（1）：37－39．

［5］ 赵旭荣．膨胀土改良方法探讨［J］．路基工程，2008（1）：95－86．

［6］ 欧阳光．膨胀土路基施工技术［J］．湖南交通科技，2006，32（2）：52－55．

［7］ 赵庆鑫．软土路基工后沉降预测技术与应用实践［J］．山西建筑，2010，36（1）：279－281．

［8］ 章林．某高速公路施工路基沉降观测及评价［J］．现代交通技术，2007，4（3）：26－29．

［9］ 李安洪．胶济客专非饱和土路基沉降观测及分析［J］．高速铁路技术，2010，1（1）：27－30．

［10］ 陈善雄．弱膨胀土工程特性及其路基处治对策［J］．岩土力学，2006，27（3）：353－359．