改良濱海鹽漬土路基填料試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用

鞏偉，焦淑賢，汪日燈

(1.中交機(jī)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

1 引言

羅伯茨國(guó)際機(jī)場(chǎng)路基主要為鹽漬土，其工程特性受溫度及濕度影響較大，主要表現(xiàn)為難于碾壓、強(qiáng)度較低、水穩(wěn)性差。當(dāng)溫度或濕度變化時(shí)，鹽漬土易發(fā)生鹽脹，使土體表層結(jié)構(gòu)破壞和疏松，造成路面溶陷、鹽脹、腐蝕等病害。對(duì)于機(jī)場(chǎng)這種具有特殊使用要求的工程，較小的鹽脹或溶陷會(huì)導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)道面形成錯(cuò)臺(tái)、斷板等危害，嚴(yán)重時(shí)影響飛機(jī)飛行安全，因此，對(duì)羅伯茨機(jī)場(chǎng)鹽漬土地基進(jìn)行改良具有重要工程意義。

鹽漬土是一種具有環(huán)境敏感性的特殊土，其工程性質(zhì)受到廣大學(xué)者及工程人員的關(guān)注，主要集中在3個(gè)方面：① 對(duì)鹽漬土工程性質(zhì)的影響因素進(jìn)行分析。錢曉明等通過(guò)正交試驗(yàn)研究了壓實(shí)度、含水率、含鹽量及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)硫酸鹽漬土強(qiáng)度特性的影響，發(fā)現(xiàn)鹽漬土的黏聚力受上述因素影響較大，而內(nèi)摩擦角變化不明顯；吳亞平等研究了顆粒級(jí)配對(duì)粗粒鹽漬土溶陷特性的影響，表明級(jí)配類型中粗顆粒的占比增大時(shí)，粗顆粒的骨架作用會(huì)抑制溶陷的發(fā)生，溶陷量會(huì)隨之減??；② 利用室內(nèi)試驗(yàn)及理論分析等手段揭示鹽漬土鹽脹變形機(jī)理。張俊等發(fā)現(xiàn)和田地區(qū)道面出現(xiàn)鼓脹、錯(cuò)臺(tái)及斷板的主要原因?yàn)榈烂娼Y(jié)構(gòu)層中的某一層發(fā)生了鹽脹；張沛然等發(fā)現(xiàn)鹽漬土在自然氣候條件下的水-熱場(chǎng)變化特征與鹽脹變形規(guī)律，表明鹽漬土可分為起步發(fā)展期、穩(wěn)步發(fā)展期、快速發(fā)展期及塌陷變形發(fā)展期4個(gè)階段；呂擎峰等采用核磁共振技術(shù)對(duì)固化鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行檢測(cè)，表明顆粒間的膠結(jié)情況對(duì)固化效果的影響遠(yuǎn)大于孔隙特征；③ 基于鹽漬土鹽脹變形機(jī)理，提出改良鹽漬土工程特性的措施。周琦等對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改良試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)濱海鹽漬土經(jīng)石灰、水泥和SH綜合固化處理后，其強(qiáng)度和水穩(wěn)性能達(dá)到規(guī)范要求；張莎莎等分析了火山灰對(duì)鹽漬土路基填料的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)石灰或石灰+火山灰改良劑可顯著減少礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹量，并降低鹽脹敏感溫度區(qū)間。上述研究雖在完善鹽漬土溶陷、鹽脹機(jī)理、促進(jìn)鹽漬土路堤路基技術(shù)等方面均取得了較為豐碩的成果，但關(guān)于道面平整度要求嚴(yán)格的機(jī)場(chǎng)鹽漬土路基方面的研究鮮見報(bào)導(dǎo)，且較少關(guān)于鹽漬土地基改良的工程案例研究。

鑒于此，該文開展不同石灰、粉煤灰摻量下鹽漬土的擊實(shí)、CBR及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，對(duì)比分析濱海鹽漬土機(jī)場(chǎng)路基的改良方案，基于效益-費(fèi)用比優(yōu)選最佳石灰、粉煤灰摻量，并對(duì)改良鹽漬土路基含鹽量、壓實(shí)度等改良效果進(jìn)行檢測(cè)，以期為類似鹽漬土路基改良提供理論及實(shí)踐參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

采用羅伯茨國(guó)際機(jī)場(chǎng)鹽漬土作為試驗(yàn)的原材料，研究石灰、粉煤灰對(duì)鹽漬土工程特性的改良效果，試驗(yàn)方案見表1。為降低試驗(yàn)誤差，各組試驗(yàn)做3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3組試驗(yàn)的平均值。

表1 試驗(yàn)方案

注：石灰及粉煤灰含量為石灰及粉煤灰占鹽漬土試樣的質(zhì)量百分比。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)重型擊實(shí)試驗(yàn)

試樣采用干法制備，將風(fēng)干土樣放在橡皮板上碾散后過(guò)5 mm篩，按照試驗(yàn)方案拌和特定質(zhì)量的石灰與粉煤灰，按預(yù)估最優(yōu)含水率制備一組含水率相差約2%的試樣，裝入塑料袋中靜置24 h以上，然后采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)分3層進(jìn)行擊實(shí)，測(cè)定最大干密度和最優(yōu)含水率，并為其他工程特性試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

(2)CBR試驗(yàn)

采用路面材料強(qiáng)度儀測(cè)試改良鹽漬土的CBR值，采用擊實(shí)試驗(yàn)制成最優(yōu)含水率的試樣。試樣浸水24 h后測(cè)其膨脹量，再將泡水后的試樣在特定荷載下進(jìn)行貫入試驗(yàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使貫入桿以1.25 mm/min的速度壓樣，測(cè)記百分表讀數(shù)。

(3)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀開展改良鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)分3層制作直徑40 mm，高100 mm的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣。試驗(yàn)過(guò)程中，以軸向應(yīng)變0.1 mm/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，記錄百分表讀數(shù)，當(dāng)百分表達(dá)到峰值或讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，繼續(xù)試驗(yàn)一直到5%應(yīng)變值后停止試驗(yàn)，控制試驗(yàn)時(shí)間在20 min內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最佳含水率與最大干密度

表2為石灰、粉煤灰改良鹽漬土的最佳含水率與最大干密度。

表2 改良鹽漬土擊實(shí)結(jié)果

由表2可知：不同石灰、粉煤灰摻量下，改良鹽漬土的最佳含水率變化范圍為17.1%～19.6%，最大干密度變化范圍為1.53～1.75 g/cm3；石灰摻量一定時(shí)，改良鹽漬土的最佳含水率隨粉煤灰摻量的增加而升高，最大干密度隨粉煤灰摻量的增加而減??；粉煤灰摻量一定時(shí)，石灰摻量越高，改良鹽漬土的最佳含水率越低，最大干密度越小。

3.2 CBR值

CBR值反映路基抗局部剪力的性能，是衡量路基填料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。經(jīng)石灰及粉煤灰改良后的鹽漬土CBR值見表3。

表3 改良鹽漬土CBR試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：各組方案鹽漬土無(wú)齡期下CBR值均在31%以上，7 d齡期下CBR值均高于45%；石灰摻量一定時(shí)，無(wú)齡期及7 d齡期的土體CBR值均與粉煤灰摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，粉煤灰摻量越高，CBR值越?。徊煌桨赶赂牧见}漬土7 d齡期CBR值均比無(wú)齡期CBR值高出10%，其中石灰摻量與粉煤灰摻量均為6%的方案下，7 d齡期CBR值達(dá)到最大，無(wú)齡期CBR值為42.16%，7 d齡期下CBR值為62.26%；石灰摻量由3%增加至6%時(shí)，鹽漬土的7 d齡期CBR值增長(zhǎng)幅度大于15%，而石灰摻量再增加時(shí)，鹽漬土的CBR值不升反降。

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指土在無(wú)側(cè)限條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，可作為評(píng)價(jià)改良鹽漬土強(qiáng)度特性的指標(biāo)，能夠快速地反映其抵抗破壞的能力和特性。經(jīng)過(guò)7、28、90及180 d的養(yǎng)護(hù)后分別對(duì)其進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由表4可知：鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期不斷增長(zhǎng)；石灰摻量越高，鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；石灰摻量一定時(shí)，早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低，最終的強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而升高，表明粉煤灰可抑制鹽漬土的早期強(qiáng)度，而提升鹽漬土的最終強(qiáng)度。其原因?yàn)榉勖夯译m具有活性，但本身并不具水硬性，與水拌和后亦無(wú)法產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，隨著粉煤灰的增加，鹽漬土強(qiáng)度明顯增大。

表4 改良鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

羅伯茨國(guó)際機(jī)場(chǎng)是利比里亞共和國(guó)最主要的國(guó)際機(jī)場(chǎng)，位于該國(guó)首都，是西非最大機(jī)場(chǎng)之一。但在內(nèi)戰(zhàn)期間，機(jī)場(chǎng)受到嚴(yán)重破壞。目前設(shè)施陳舊，規(guī)劃混亂，跑道、滑行道破損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響飛機(jī)的起降安全，亟需對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行升級(jí)改造。利比里亞羅伯茨國(guó)際機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目的實(shí)施將會(huì)大大改善機(jī)場(chǎng)安全通航條件。

羅伯茨國(guó)際機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有04/22號(hào)瀝青跑道長(zhǎng)3 353 m、寬45 m，兩側(cè)設(shè)有7.5 m寬的道肩，飛行區(qū)等級(jí)為4E。連接跑道和機(jī)坪的滑行道系統(tǒng)包括4條聯(lián)絡(luò)滑行道。此次機(jī)場(chǎng)修復(fù)工程主要包括原有跑道道面修復(fù)，新建聯(lián)絡(luò)道及跑道04端掉頭坪工程，道面均采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，項(xiàng)目所處場(chǎng)地土大部分為鹽漬土。

4.2 鹽漬土地基改良方案分析

關(guān)于鹽漬土地基處理的方法有很多種，例如換土法、化學(xué)處理法、強(qiáng)夯法、土工聚合物加筋法、碎石樁法等，歸納各方法的適用性和局限性見表5。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況及對(duì)原有道面利用程度，該工程擬采用換土法和固化劑法兩種方案。為保證工程質(zhì)量，同時(shí)降低成本，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定，對(duì)于機(jī)場(chǎng)跑道滑行道出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀的部分進(jìn)行路面全部挖除，挖除部分回填碎石基礎(chǔ)，然后對(duì)路面重新鋪裝。對(duì)于新建跑道滑行道部分基礎(chǔ)，由于面積較大，統(tǒng)一采用石灰粉煤灰對(duì)鹽漬土地基進(jìn)行改良。

表5 鹽漬土地基改良方法比較

4.3 效益-費(fèi)用比分析

改良鹽漬土的強(qiáng)度反映的是土體抵抗外荷載的能力，而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可準(zhǔn)確地反映強(qiáng)度特性，故可采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為鹽漬土路基改良效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)。此外，改良鹽漬土是一個(gè)過(guò)程，不宜采用初期強(qiáng)度，而齡期比較長(zhǎng)的強(qiáng)度又和現(xiàn)代交通建設(shè)采用的更快的開放交通相違背。綜合考慮，采用改良鹽漬土28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表6。

表6 不同方案下改良鹽漬土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表6可知：石灰摻量為3%、粉煤灰摻量為9%時(shí)，改良鹽漬土28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低(1 MPa)；石灰摻量為10%、粉煤灰摻量為30%時(shí)，改良鹽漬土28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高(2.37 MPa)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮材料費(fèi)用。根據(jù)調(diào)查，石灰價(jià)格約60元/t，粉煤灰25元/t。現(xiàn)計(jì)算10 000 t土方的費(fèi)用。以石灰摻量3%，粉煤灰摻量3%為例，10 000 t土方需要石灰300 t，粉煤灰300 t，費(fèi)用為2.55萬(wàn)元。按照此方法依次計(jì)算費(fèi)用見表7。由表7可知：不同方案的費(fèi)用隨石灰及粉煤灰摻量的增加逐漸提高，石灰摻量3%，粉煤灰摻量3%時(shí)，費(fèi)用最低為2.55萬(wàn)元；石灰摻量10%，粉煤灰摻量30%時(shí)，費(fèi)用最高為13.50萬(wàn)元。

為綜合考慮效益及費(fèi)用要求，定義效益-費(fèi)用比(η)作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。效益-費(fèi)用比按式(1)計(jì)算：

η=σ/C

(1)

式中：η為效益-費(fèi)用比；σ為28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；C為材料費(fèi)用。

表7 不同方案費(fèi)用

效益-費(fèi)用比計(jì)算結(jié)果見表8。由表8可知：方案A1、A2、B1的效益費(fèi)用比為0.3以上，其余均小于0.3。綜合考慮改良鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR值及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)利用鹽漬土改良后填筑地基，可以很大程度地減少淤泥棄運(yùn)及土方運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)道路環(huán)境的影響，以及取土及棄土對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，具有一定的社會(huì)環(huán)境效益。綜上所述該項(xiàng)目最終選擇方案B1(石灰摻量為6%、粉煤灰摻量為6%)作為改良鹽漬土的最佳方案。

表8 不同方案效益-費(fèi)用比

4.4 效果評(píng)價(jià)

(1)含鹽量檢測(cè)

在項(xiàng)目施工過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)鹽漬土及固化劑均勻性的檢測(cè)，對(duì)于道床以下的鹽漬土，采取每1 000 m3隨機(jī)抽查1組；對(duì)于道床以上的每500 m3隨機(jī)抽查1組，每組采用3個(gè)土樣進(jìn)行分析。對(duì)于檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)改良未達(dá)標(biāo)或者改良不均勻的鹽漬土，須進(jìn)行重新處理，以保證道床部分鹽漬土分布均勻。

(2)壓實(shí)度檢查

鹽漬土改良地基的壓實(shí)情況是施工過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。影響壓實(shí)度的主要因素包括：填料的粒徑、含水率、每層的壓實(shí)厚度、壓實(shí)機(jī)具、壓實(shí)遍數(shù)等。在施工過(guò)程中，碾壓采用20 t龍工QX520振動(dòng)碾，激振力為351/200 kN,振動(dòng)碾的行駛速度控制在1.5～2.0 km/h，碾壓遍數(shù)為4、6、8遍。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，壓實(shí)度均大于98%，滿足規(guī)范要求。

(3)改良效果檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)已經(jīng)完工部位的跑道、滑行道道肩及場(chǎng)區(qū)道路的連續(xù)觀測(cè)，在飛機(jī)或者車輛的頻繁作用下，道面基礎(chǔ)沒有出現(xiàn)鼓脹開裂，塌陷變形；道肩道面未出現(xiàn)松散剝蝕；飛行場(chǎng)區(qū)未出現(xiàn)翻漿等病害。

5 結(jié)論

為改良濱海鹽漬土機(jī)場(chǎng)路基填料工程特性，進(jìn)行不同石灰、粉煤灰摻量下鹽漬土的擊實(shí)、CBR值及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并分析濱海鹽漬土機(jī)場(chǎng)路基的改良效果，得到以下結(jié)論：

(1)石灰摻量一定時(shí)，改良鹽漬土的最佳含水率隨粉煤灰摻量的增加而升高，最大干密度隨粉煤灰摻量的增加而減小。

(2)改良鹽漬土無(wú)齡期下CBR值均在31%以上，7 d齡期下CBR值均高于45%，石灰摻量大于6%時(shí)，鹽漬土的CBR值不升反降。

(3)鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期不斷增長(zhǎng)，粉煤灰會(huì)抑制鹽漬土的早期強(qiáng)度，而提升鹽漬土的最終強(qiáng)度。

(4)綜合考慮社會(huì)環(huán)境、地質(zhì)情況、施工難易性及經(jīng)濟(jì)要求等因素，確定采用固化劑法對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良。通過(guò)CBR試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)效益分析，確定石灰、粉煤灰最優(yōu)配比。經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證，采用石灰、粉煤灰改良鹽漬土路基切實(shí)可行，研究成果可為濱海鹽漬土路基改良提供理論指導(dǎo)。