过湿冰水堆积土路基填料掺灰改良试验研究

温会军

(中铁十八局集团第二工程有限公司 唐山 063000)

0 引 言

我国西南特别是川西阶地区域，冰水堆积地貌分布广泛.高含水率(过湿)冰水堆积土作为路基填料，其工程力学性质较差、压实操作困难，难以满足公路路基填料要求.然而，其改良措施有别于传统的软基处理方案[1].

冰水堆积物是第四纪中更新世及晚更新世冰川所挟带和搬运的碎屑构成的堆积物在冰川融水的搬运堆积作用下所形成的沉积物，物质组成和结构特性较为复杂[2].因其成因类型不同，不同地域或同一地域不同地区的堆积物工程地质特性差异巨大.在已有的地质与土壤学领域研究基础上，近些年来，许多专家学者在冰水堆积土的力学特性、路用性能、施工工艺等方面进行了相关研究.石崇等[3]提出一种基于数字图像处理技术生成颗粒流模型模拟冰水堆积体力学特性的新方法.祁昊等[4]针对含水率变化对桃坪冰水堆积物抗剪强度的影响进行了探究，得到了该类特殊土体强度衰减的非饱和强度特性.张杰[5]验证了冰水堆积物土体可以作为高速公路路基填料的可行性，提出了其作为高速公路填料的设计步骤及内容，给出了冰水堆积物用于高速公路路基填筑的施工工艺[6].赵锦等[7]使用砂砾石填料夹层法进行冰水堆积土路基施工，有效改善其压实和沉降特性.李红艳等[8]提出一种过湿冰水堆积土路基填料新型填筑方法，阐述了其作用机理，并通过离心模型试验技术得到雅安地区过湿冰水堆积土路基的沉降特征及水分迁移特性.在填料改良方面，唐京京[9]先后进行了冰水堆积土路基填料的物理改良研究，通过泰勒曲线对填料的压实性能进行评价，根据原状土的级配曲线和修改曲线之间的差异，定量改善填料的级配从而优化其压实性能.祝敏刚等[10]对绵阳地区冰水堆积土进行了石灰改性研究，通过试验验证其改良效果，得到绵阳地区冰水堆积土改良的最优掺灰比.

本文以蒲都高速TJ-8标路基工程项目为依托，通过室内试验和理论分析，对生石灰改良过湿冰水堆积土的物理性质、工程与力学特性进行分析研究，解决本项目的工程问题，并为过湿冰水堆积土路基填料的路基设计与施工提供参考.

1 试验材料与方法

在挖方段现场取样，土样含水率与卵砾石含量较高，卵砾石间有大量黏性颗粒，部分桩号土样夹杂粉砂，土样呈黄(褐)色，可塑性较好.依据试验规程[11-12]，土工试验结果见表1.对现场土样和生石灰掺比(质量比)为3%，4%，6%的改良土进行试验研究.土的液塑限能反应土颗粒和水之间相互作用的程度，可间接反映土体的工程性质.通过试验对土样改良前后的液限、塑限、塑性指数的变化情况进行研究.本试验采用液限和塑限联合测定法测定土的液限和塑限，进而对土体类别进行划分，计算天然稠度(ωc)和塑性指数(IP).为保证路基填筑质量，必须对填料的压实特性进行分析研究.通过击实试验(重型击实， II-2)得到路基填料的最大干密度和最佳含水率.通过加州承载比(CBR)试验得到土体的强度指标.

表1 原材料取样及土工试验结果

2 试验结果及讨论

2.1 界限含水率变化

根据试验结果可将土分为两类：低液限粘土(CL)和低液限粘土(CH).分别取代表性桩号K377+320和K381+240土样进行生石灰掺和后的界限含水率试验，结果见图1.生石灰改良土的界限含水率试验结果见表2.在土体中掺入生石灰后，生石灰与土体发生一系列物理化学作用.在土中加入石灰后发生离子交换作用，形成CaCO3，MgCO3等结晶体，使得土颗粒发生凝聚团粒化.土粒比表面积减小，结合力增大.由图1可知，掺入生石灰改良后，两桩号土体的塑性指数均降低，且对K377+320桩号土样降低效果较为显著.随着掺灰比的不断升高，改良土的液限值接近平稳，塑性指数的减小由其塑限值的升高所致.可见，在土中加入一定量的生石灰，可以降低土的塑性，减弱其亲水性，从而使土的工程性质得到改善.

a) K377+320 b) K381+240

表2 界限含水率试验结果汇总

2.2 击实特性

掺入生石灰后，土的最佳含水率升高且最大干密度降低.这主要是由于掺入生石灰拌和后，土中的细小颗粒发生凝结和凝聚，土体结构发生改变，形成较大颗粒，影响土体的压实性能.土中部分水分在水化反应中消耗,自由水含量降低，水膜厚度减小，其对土粒间的摩擦力降低作用减小.试验结果：掺灰率为0，3%，4%和6%时，①对于K377+320，最佳含水率(%)/最大干密度(g/cm3)分别为16.90/1.793，17.80/1.714，18.60/1.720，19.50/1.751；②对于K381+240，二者分别为15.10/1.782，15.40/1.766，17.00/1.724，17.00/1.700.掺和生石灰改良后，土的最佳含水率升高，最大干密度降低.对于不同桩号的土样，随掺灰比的提升，其击实特性的变化规律又有所差异.对于K377+320桩号土样，随着掺灰比的增大，改良土最佳含水率逐步升高，但最大干密度的降低效果逐渐减弱；对于K381+240桩号土样，随着掺灰比的增大，改良土的最大干密度逐步降低，但最佳含水率的提升效果无明显增强.

2.3 强度特性

为研究生石灰改良冰水堆积土的强度特性及其影响因素，对三种掺和比下(3%，4%，6%)的生石灰改良土进行承载比试验，试验结果见图2.

a)压实度

b)吸水率

c)实测膨胀率

d)实测CBR

对于同一土样，当掺灰比确定时，随着击实功的增大，改良土的压实度增大，土体的强度(CBR值)也随之提高；且随着掺灰比的提升，改良土的强度值亦不断提升.在路基的填筑施工过程中，可通过控制压实度来确保改良土的强度特性；对于同一土样，在相同的击实功下，随着生石灰掺和比的提升，改良土的吸水量和膨胀率不断减小，土体强度逐步提高.掺灰比的增大使生石灰在土中吸水、膨胀、发热效果得到提升，使土体进一步挤密、脱水，提高土体密实度.掺和比的提升，使得改良土土颗粒间的凝聚与团粒化作用得到加强，使土体形成稳定结构.此外，结晶胶凝硬化作用随着掺灰比的增大得到加强，具有水硬性和水稳性胶凝物质增多，在土的团粒外围形成稳定的保护膜结构，阻止水分进入，土体水稳定性和强度得到提升.

3 施工工艺

生石灰法改良中，生石灰与土体发生系列物理化学反应，降低土体中细小的黏性颗粒的含量，有效降低其塑性、膨胀性和湿陷性，提高可压实性；掺入生石灰不仅降水效果好，还可以提高细粒土的强度.与其他传统的化学改良方法相比，生石灰改良具有较多优点.如在相同的配合比下，与熟石灰、粉煤灰和“二灰”(熟石灰加粉煤灰)相比，生石灰的降水效果更优且短时间内降水效果显著；与水泥相比，生石灰在降低土体塑性指数方面效果明显，且水泥的成分较为复杂，相应的水化反应较为复杂，可控性差，而且改良成本较高.本次需进行改良的过湿冰水堆积土具有高液限和天然含水率的特性，改良的首要目的是快速降低其天然含水率，满足路基填筑压实要求.此外，土中含有大量卵砾石，此时水泥改良对土体强度的提高效果不明显，且经济性较差.因此，本次改良采用生石灰法.同时，生石灰改良的不易拌和的缺点不可忽视，为充分发挥生石灰改良的效果，需进一步改良路基填料的拌和与施工工艺.

采用生石灰改良过湿冰水堆积土进行路基填筑，其主要工艺包括路基填料的制备与现场路基填筑施工.对于路基填料的制备，其重点与难点在于如何将生石灰与过湿冰水堆积土拌和均匀，得到高质量的生石灰改良土；在路基填筑阶段，首先按照设计要求厚度将填料摊铺均匀，后根据可用机械设备的类型和数量，制定科学的方法进行碾压施工.

3.1 路基填料制备

1) 取土场场地平整 采用挖机对拌和生石灰所需场地进行清理与平整.

2) 铺设生石灰 采用4%掺和比(质量比)进行定量掺配，确定1 m3(1 m×1 m×1 m)的土体所需掺灰厚度H0(底面积1 m×1 m)，以生石灰的厚度为控制参数进行定量撒布.取土场过湿冰水堆积土按照固定深度1 m进行开挖，生石灰摊铺厚度H0.此法不仅可以对生石灰掺量就行有效控制，还可以提高掺灰土的制备速率.此外还对灰剂量及含水量进行检测,原材料的含水量检测周期为1天，根据实验数据调整原材料的进料数量.为便于路基压实，尽量控制改良土含水率大于其最佳含水率1%～2%.

3) 拌和 采用挖掘机进行初次翻拌，此次拌和使生石灰和土充分均匀，拌和好的灰土应色泽均匀，无离析、成团块现象.拌和均匀后，进行闷料处理.

4) 运输 改良土在拌和场拌和并完成闷料处理，经检测合格后，由挖掘机装车，以自卸汽车运至现场进行摊铺.

3.2 路基填筑施工

1) 摊铺 首先在将要填筑区段，画上网格，网格尺寸采用6 m×10 m(也可根据实际情况调整尺寸)，每个网格卸载18 m3土.后采用挖机进行翻拌，推土机进行摊铺，摊铺厚度应满足设计要求.摊铺生石灰后，表面应无留白，测量生石灰的松铺厚度并根据改良土的含水率和干密度对掺灰量进行校核.

2) 压实 将填料分层均匀摊铺，首先用铲车推土机粗平，然后平地机精平，精平和粗平过程中形成2%左右的路拱，采用振动压路机进行碾压.碾压时由路基两侧向中间，由低向高进行碾压，前后两次轮迹需重叠1 m或大于半个轮迹，做到无漏压、无死角、压实均匀；振动压路机运行速度3～5 km/h，先慢后快，逐步提高；碾压控制按静碾压1遍(稳压)+振动碾压(弱振2遍、强振2遍)+静碾压1遍(收光)的碾压方法进行施工；压路机一进一退计为压实一遍，静压开始后，如有凸凹不平现象，必须配合人工找平处理，保证压实均匀.注意碾压时保持速度一致，不得中途转向.第一遍稳压时不带振，待基本压实后用高振幅低频率振动碾压，待压路机有反弹现象时，改用低振幅高频率碾压，直到碾压后无明显轮迹为止.试验段路基填筑时填料分层摊铺，分层碾压，当层碾压完毕验收合格后方可进行下一层连续填筑施工.

4 结 论

1) 过湿冰水堆积土无法直接用于路基填筑.频繁降雨使冰水堆积土长期处于富水过湿状态，非雨季的含水率为其最佳含水率的两倍以上，造成路基填筑施工困难，无法满足碾压要求.

2) 掺生石灰能够有效改善过湿冰水堆积土的塑性.过湿冰水堆积土液限值和塑性指数较高，亲水性较强.掺和生石灰改良后，过湿冰水堆积土的塑性指数降低50%以上，有效降低其亲水性.

3) 掺生石灰能够有效改善过湿冰水堆积土的压实特性.掺和生石灰改良后，土的最佳含水率增大超10%，最大干密度降低.对于不同土质，随着掺灰比的增大，最佳含水率和最大干密度的变化规律有所不同.

4) 掺生石灰能有效提高过湿冰水堆积土的强度.在一定的压实功下，随着掺灰比的提高，生石灰冰水堆积土的实测CBR值增大，土体强度增强，但CBR值得增长速率随着石灰掺入量的增大而减小.在最小击实功能和最低掺灰比条件下CBR值仍大于6，且在最低掺灰比下，通过增大击实功，CBR值亦可达到9.8，满足现有规范要求.

5) 生石灰掺和比存在最优值.不同地区的过湿冰水堆积土其工程性质存在一定的差异性，过湿冰水堆积土的生石灰改良，在技术可行和经济节约的原则下存在最佳掺灰比，可达到最优的工程效果.不能盲目增大和减小掺灰比，对于不同土质应在试验验证的基础上，综合考虑具体工程条件，确定合理掺灰比.