高嶺土路基施工技術(shù)

摘要：高嶺土一直是國內(nèi)外巖土工程研究方面很重視的課題，各國學(xué)者研究的主要課題是高嶺土的地基問題，對鐵路關(guān)系比較密切的是路基穩(wěn)定問題。文章對高嶺土路基的施工技術(shù)進行了探討。

關(guān)鍵詞：高嶺土；填筑路堤；加固處理；施工技術(shù)

中圖分類號：U416文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）03-0094-03

一、概述

（一）工程概況

華電長沙電廠鐵路Ⅱ標(biāo)起于長沙市望城縣丁字灣鎮(zhèn)中山村，經(jīng)彩陶源村跨越新河，茶亭鎮(zhèn)郭亮村并跨越在建進廠公路，銅官鎮(zhèn)萬星村、華城村至白羊坡長沙電廠廠址。所經(jīng)區(qū)域廣泛分布農(nóng)田、山丘、及分散民居。山丘植被發(fā)育，樹林茂密，水田區(qū)各種排灌溝渠縱橫交錯，沿線交通不便。設(shè)計土方以縱向遠(yuǎn)運調(diào)配為主，路塹部分的土方基本都調(diào)往路堤部位填筑，挖、填數(shù)量基本平衡。

在進行路塹開挖過程中暴露出大量富含高嶺土的粘性土（主要集中在本標(biāo)段中部大路塹部位），經(jīng)試驗，初步確認(rèn)不能用以直接填筑路基，因此必須進行改良處理。

（二）高嶺土的特征

沿線第四系中更新統(tǒng)沖積層不均勻分布以灰白色為主的高嶺土，銅官一帶當(dāng)?shù)卮罅块_采用于燒制陶器，線路附近見多處采空區(qū)。該類土工程性質(zhì)差（物理力學(xué)性質(zhì)見表一：“高嶺土物理力學(xué)指標(biāo)一覽表” ），不能直接分層碾壓填筑路基，主要表現(xiàn)為：

1．粘土或粉質(zhì)粘土，液限高，部分屬D類土；

2．天然含水量大，吸水、保水能力強，根據(jù)土的蒸發(fā)速率，夏季需晾曬4～5個晴天，春秋需6～8 個晴天，才能達(dá)到施工的最佳含水量要求。

3．一般具有弱～中等膨脹性，吸水顯著膨脹、軟化、崩解，失水急劇收縮開裂。用該類土填筑壓實的路基，水穩(wěn)能力差，且容易產(chǎn)生干縮裂縫。

由于本工程開挖中暴露出大量富含高嶺土的粘性土不能直接做為路基填料，必須經(jīng)過土質(zhì)改良后才能使用。經(jīng)過比選，本工程選用石灰改良土，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)致使石灰土的剛度不斷增大，強度和水穩(wěn)性不斷提高。

二、石灰改良高嶺土路基的作用機理

石灰通過膠體反應(yīng)、凝聚反應(yīng)和鈣化反應(yīng)，能明顯改變土顆粒表面物理化學(xué)性能，特別表現(xiàn)在土的液塑性指標(biāo)的改良上。一般來說，土中粘粒較多、液塑限指標(biāo)超過一定范圍時，采用石灰穩(wěn)定效果比較好。石灰摻合到土中后，由于土中的粘土礦物（主要未硅、鋁等）與石灰的主要成分鈣、鎂起化學(xué)反應(yīng)，即產(chǎn)生陽離子交換作用、絮凝作用、碳化作用和膠聚作用，從而改變土的性質(zhì)。

石灰的化學(xué)成分主要是CaO，加入土中后，會發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)的結(jié)果使粘土顆粒的結(jié)合水膜減薄，粘土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物，這些膠結(jié)物逐漸由凝膠狀態(tài)向晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，致使石灰土的剛度不斷增大，強度和水穩(wěn)性不斷提高。其作用機理詳述為下列三部分：

（一）吸水放熱反應(yīng)

生石灰加入一定含水量的高液限土中，CaO和H2O反應(yīng)生成Ca（OH）2。這一反應(yīng)是石灰改良高液限土特性一系列反應(yīng)的基礎(chǔ)，具有多方面的功效。

1．減少高液限土的含水量。CaO的水化過程本身會消耗一定的水分，反應(yīng)放熱又使一部分水蒸發(fā)。

2.增大土的pH值，提高了粘礦物中硅酸鹽和鋁酸鹽的溶解度，從而加速了其水化反應(yīng)。

3.生成大量Ca2+、OH-、Ca（OH）2，為后續(xù)反應(yīng)的順利進行提供了必要條件。

（二）離子交換反應(yīng)

水化反應(yīng)生成的大量游離Ca2+能當(dāng)量的置換土粒表面所吸附的陽離子，從而改良土顆粒表面電荷性質(zhì)，使熱力電位下降，擴散層厚度減薄，這樣就降低了土粒之間的相互排斥能，提高了土粒自身的聚集力。同時，吸附在粘土礦物周圍的Ca2+產(chǎn)生絮凝作用，將礦物顆粒連接和膠結(jié)起來，從而改變了整個土粒的孔隙結(jié)構(gòu)。

（三）碳酸化反應(yīng)與Ca（OH）2的結(jié)晶反應(yīng)

在一定濕度條件下，石灰土吸收空氣中的CO2而被碳酸化，生成CaCO3。Ca（OH）2吸收水分，由膠體狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。Ca（OH）2+nH2O=Ca（OH）2·nH2O這種晶體能夠相互結(jié)合，并與土粒結(jié)合為共晶體，使土粒形成整體結(jié)構(gòu)，這是石灰改良土后期強度的重要因素。

在這三個因素的綜合作用下，土的物理力學(xué)性質(zhì)得到了明顯改善。摻加石灰后高嶺土的工程性質(zhì)主要有以下幾點變化：

1．小于0.005的粘粒含量隨含灰量的增加而減少；

2．土體的天然含水量隨含灰量的增加而減?。?/p>

3．pH值隨灰量的增加而增大，當(dāng)含灰量增加到一定程度后，pH值趨于一穩(wěn)定值；

4．液限減小，但變化不大，塑限顯著增大，塑性指數(shù)變小，親水性大大減弱，工程性質(zhì)得到改善；

5．自由膨脹率隨含灰量的增加而減小，當(dāng)含灰量增加到一定程度后，自由膨脹率的減小幅度便變小；

6．無荷膨脹量隨含灰量的增加而顯著減小，甚至達(dá)到無膨脹量；

7．體縮率隨含灰量的增加而降低，當(dāng)體縮率下降到6％～8％后繼續(xù)增加含灰量，其續(xù)降值不大；

8．無側(cè)限抗壓強度在一定含灰量范圍內(nèi)隨含灰量及齡期的增加而增大，經(jīng)過數(shù)次干濕循環(huán)后，強度有所降低，并且趨于一穩(wěn)定數(shù)值，這一穩(wěn)定值遠(yuǎn)大于基床上部的荷載強度（包括活載強度）。

三、高嶺土路基施工技術(shù)

（一）技術(shù)參數(shù)的選擇

原土屬富含高嶺土的粘性土，液塑限指標(biāo)WL=32，3~45.2，WP=13.7~19.9，塑性指數(shù)IP=9~25.8，可用作改良土，根據(jù)以下幾個指標(biāo)：較粗的顆粒、較小的塑性、較大的強度、較小的脹縮量決定摻石灰量，摻配鈣質(zhì)石灰8%。試驗室所拌和料最大干密度ρ=1.78g/cm3，最佳含水量w=17.5%。地基系數(shù)K30（MPa/m）≥110，壓實系數(shù)≥0.9，無側(cè)限抗壓強度≥846，8KPa。

（二）施工工藝

1．設(shè)備配置：配置一臺T140推土機、一臺平地機（PY160）、三臺三輪壓路機（二臺18-21T、一臺12-15T）、一臺振動壓路機（40T）、二輛灑水車、一臺WBL20型灰土拌和機、一臺WDT180穩(wěn)定土拌和機、五臺1.6M3挖土機及10輛8T自卸汽車。

2．施工放樣。在填土段測量放出中樁、邊樁，然后用石灰標(biāo)出路基邊樁線，并標(biāo)出填土的松鋪高度線，一般25~35cm厚。在每一斷面處進行定點觀測，并測出各斷面左、中、右處的填土前的標(biāo)高，作好記錄。

3．備料。石灰質(zhì)量應(yīng)符合III級以上的生石灰或消石灰的技術(shù)指標(biāo)，要晝縮短石灰的存放時間，如石灰在野外堆放時間較長時，須妥善覆蓋保管，不能遭雨水淋濕。土方在指定的取土場內(nèi)采集，所采集的土無樹根、草皮等雜物。

4．拌合。采用集中場地拌和與路拌法相結(jié)合的方法。拌和前，先將表面耕植土清除，并對石灰進行充分消解，并保持一定濕度。石灰土拌和時，分二次進行拌和，第一次在取土場進行拌和，第二次拌和用WBL20型灰土拌和機進行路拌，鏵犁作為輔助設(shè)備配合翻拌，有效地控制石灰劑量。

取土場拌和時，用挖掘機將消解后的石灰與土按體積比進行拌和，用推土機配合挖掘機把混合料打堆，集中悶料，經(jīng)過30小時左右，以使未消解的石灰充分消解。

第2~3遍拌和：由于土的塑性較大，先用壓路機靜壓一遍，然后再用鏵犁翻起拌和打碎，最大尺寸不應(yīng)大于80mm，大于15mm顆粒比例小于30％；拌和完成的標(biāo)志是：混合料色澤一致，沒有灰條、灰團和花面，沒有粗細(xì)石料“窩”，且水分合適均勻，含水量要略大于最佳值約4%，混合料碾壓時的含水量控制在最佳值±5%范圍內(nèi)，將已拌好的混合料應(yīng)及時進行石灰含量檢驗，并盡快進行鋪筑碾壓。

5．整平。用140推土機進行攤鋪初平，然后用PY160平地機進行精平，并按設(shè)計作出路拱，鋪筑寬度每邊加寬50~80cm（加寬部分用素土填筑）以保證邊緣的壓實度。

6．整形?；旌狭习韬暇鶆蚝?，在初步整形的基礎(chǔ)上，采用推土機快速碾壓一遍，以暴露潛在的不平整。對局部低洼處，采用人工將其表層5cm以上刨松并用新拌的石灰混合料進行找補平整，再用壓路機立即在初平的路段快速靜壓一遍，再用平地機精平。

7．碾壓。整形后，為了不錯過最佳的碾壓時機，由試驗人員立即對灰土的含水量進行檢測，含水量達(dá)到19%，即最佳含水量+2%時，進行碾壓最好，如超過最佳含水量的+2%時則要涼曬，如遇下雨立即靜壓封閉。

碾壓時，松鋪厚度應(yīng)控制在25~35cm之間，不得大于35cm。先用壓路機靜壓一遍，然后用平地機快速平整并做出路拱后，弱振一遍，在強振四遍后其壓實度能達(dá)到90%，再強振一遍后壓實度能達(dá)到93%，最后靜壓一遍消除輪跡。

碾壓時遵循先輕后重、先靜壓后振動、由低向高、由外向內(nèi)的順序的原則進行，直線段由兩邊向中間碾壓，曲線段由內(nèi)側(cè)向外側(cè)進行，靜壓時時速保持2公里/小時，最后強振時保持3公里/小時勻速進行，碾壓過程中始終要保持灰土層表面濕潤，對局部表面水分蒸發(fā)快的地方，及時的進行補曬，對出現(xiàn)“彈簧”、松散、起皮等現(xiàn)象的地方，及時翻開并增加路拌一次，碾壓達(dá)到質(zhì)量要求。

碾壓完畢的石灰土的接頭處，應(yīng)立即將拌和不均，或標(biāo)高誤差大，或平整度不好的部分掛線重直切除，保持接頭處順直、整齊，下一作業(yè)段與之銜接處，鋪土及拌和應(yīng)空出2米，待整平時再按松鋪厚度整平。

8．檢驗。試驗員應(yīng)盯在施工現(xiàn)場，完成碾壓遍數(shù)后，立即取樣檢驗壓實度(要及時拿出試驗結(jié)果)，壓實不足要立即補壓，直到滿足壓實要求為止。成型后的兩日內(nèi)完成平整度、標(biāo)高、橫坡度、寬度、厚度檢驗，檢驗不合格要求采取措施預(yù)以處理。彈簧、輪跡明顯、表面松散、起皮嚴(yán)重、土塊超標(biāo)等有外觀缺陷的不準(zhǔn)驗收，應(yīng)徹底處理，標(biāo)高不合適的，高出部分用平地機刮除，低下的部分不準(zhǔn)貼補，壓實度、強度必須全部滿足要求，否則應(yīng)返工處理。

9．養(yǎng)生。末層石灰改良土施工完后如不連續(xù)鋪下一層土?xí)r應(yīng)灑水養(yǎng)生保持濕潤防止表面裂紋，養(yǎng)生時間不少于7天。如連續(xù)施工則利用覆土進行自然養(yǎng)護，但壓實完成后必須進行試驗，并在24小時內(nèi)進行上層土的覆蓋。在施工完一層后不再施工下一層時應(yīng)中斷交通、禁止車輛在已經(jīng)碾壓完畢的路基上通行，已免對已經(jīng)粘結(jié)硬化的路基造成破壞。嚴(yán)禁在已完成的或正在碾壓的路段上調(diào)頭和急剎車。

10．高嶺土路塹的加固處理。路塹邊坡加固算是主要是防止高嶺土邊坡失穩(wěn)，目的是維持邊坡穩(wěn)定，本質(zhì)是改變邊坡滑動體的平衡條件，而平衡條件的改變可以改變抗滑力和下滑力來實現(xiàn)?？紤]到高嶺土邊坡的特殊工程特性，僅僅通過削坡減載的方法不能很好的預(yù)防滑坡，甚至?xí)斐捎徲暮蠊？紤]到地下水對高嶺土的影響較大，采用如下方法進行治理：

（1）石灰樁加固邊坡。在高嶺土邊坡上用水平鉆機打入一定數(shù)量的孔，孔內(nèi)裝入石灰，改變高嶺土的性質(zhì)，提高土體的凝聚力，從而起到防護作用。（圖1）

（2）石灰土包圍結(jié)合預(yù)制塊封閉邊坡。邊坡挖到一定深度后，邊坡用石灰土包圍一定厚度，坡頂面一定寬度范圍內(nèi)用石灰夯實，邊坡用預(yù)制塊封閉防護。在特別軟弱的地帶，特別是地下水比較豐富的區(qū)域，增設(shè)支持滲溝進行加固并加強排水。

（3）基床表層的處理。基床表層0.3米換填滲水土，其下0.9米采用原土就地改良，并在改良土底面增設(shè)土工網(wǎng)進行分隔。

四、結(jié)語

本文重點對鐵路路基施工時高嶺土的施工技術(shù)進行了探討。在具體的施工過程中，做到了如下幾點：

1．及時進行土工試驗，指導(dǎo)路基填筑，對于符合規(guī)范填土要求的填料可直接填筑路基；

2．細(xì)化、優(yōu)化調(diào)配土方案，路床部分填土盡量用優(yōu)質(zhì)土進行填筑。

3．施工過程中根據(jù)試驗規(guī)范采用新方法及時測量改良土中石灰的實際含量，以便于下一步的施工中對石灰的添加及時進行調(diào)整，灰劑量的控制應(yīng)嚴(yán)格，石灰摻量太小，達(dá)不到土的改良效果，摻量太大，很難達(dá)到規(guī)定的壓實度。

4．鋪土厚度與施工機械的配套合理，否則將會影響到部分設(shè)備的工作效率。

5．預(yù)防灰土拌和不到底或超過底層過厚，若拌和不到底，容易造成俗稱的夾層餅的現(xiàn)象，若超過底層過厚，將下層已固化的灰土重新打碎后失去原有石灰的效果。

通過本工程高嶺土路基施工的實踐，在科研、設(shè)計和施工方面取得了很大的成績，同時也獲得了很多經(jīng)驗教訓(xùn)，為我們以后的灰土施工提供科學(xué)、可靠的施工工藝和工藝參數(shù)，對指導(dǎo)高嶺土路基的設(shè)計與施工有重要的參考價值。

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作者簡介：夏發(fā)韌（1971- ），男，湖南武岡人，中鐵二十五局集團廣州鐵路工程有限公司工程師，研究方向：鐵路工程施工。