基于延遲時間的水泥改良土試驗研究及施工工藝優(yōu)化

張國然 張棟 曾帥 陳鋒 王仲錦

1.中鐵十七局集團有限公司，太原 030006；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

近年來水泥改良土鐵路路基工程數(shù)量有所提升，研究優(yōu)化施工工藝對于保障水泥改良土路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要作用。在京沈客運專線星火動車所試車線水泥改良土路基結(jié)構(gòu)試驗段的施工過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場水泥改良土不易達到壓實系數(shù)K≥0.95、7 d無側(cè)限抗壓強度大于等于1.5 MPa的設(shè)計要求。主要原因是現(xiàn)場水泥改良土從攪拌、平整到碾壓成型需3～4 h，與試驗室拌和后直接制樣不同，這一延遲時間造成壓實系數(shù)和無側(cè)限抗壓強度均略有降低。因此，在確定水泥改良土施工控制壓實系數(shù)和無側(cè)限抗壓強度時應(yīng)考慮延遲時間的影響［1］。在合理的時間內(nèi)完成拌和、平整、碾壓等過程才能保證改良土的質(zhì)量。

1 工程概況

京沈客運專線星火動車所試車線改良土路基結(jié)構(gòu)試驗段位于SIDK3+450—SIDK3+600，有砟軌道，共3段，三種結(jié)構(gòu)，每區(qū)段長度50 m，基床結(jié)構(gòu)由上至下依次為：級配碎石基床表層（厚度0.3 m）、化學(xué)改良土基床底層結(jié)構(gòu)［2］，基床底層厚度分別為0.3、0.6、0.9 m?；瘜W(xué)改良土采用水泥復(fù)合改良劑，其中P·O 42.5普通硅酸鹽水泥含量為填料質(zhì)量的11%，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司研發(fā)的新型復(fù)合改良劑摻量為水泥質(zhì)量的3%［3-5］。改良土以下填筑C組細粒土（粉質(zhì)黏土）填料，如圖1所示。

圖1 路基橫斷面示意

2 延遲時間對改良土壓實系數(shù)及強度的影響室內(nèi)試驗

為保證試驗室和施工現(xiàn)場的一致性，采用京沈客運專線星火動車所試車線試驗段取土場的低液限粉黏土［6］，依據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》進行試驗。經(jīng)試驗得出，該試驗段的低液限粉黏土17 mm液限為27.3%，2 mm塑限為12.2%，塑性指數(shù)15.1。通過在無延遲的條件下改良土擊實試驗得出，改良土的最大干密度為1.99 g∕cm3，最優(yōu)含水率為10.7%。

2.1 延遲時間擊實試驗

施工過程中發(fā)現(xiàn)水泥改良土的壓實系數(shù)K不易達到設(shè)計值K≥0.95的要求。因此，參照TB 10102—2010中改良土擊實試驗方法，現(xiàn)場拌和之后立即取土，進行單個延遲時間擊實試驗［7］。經(jīng)酒精燃燒法測定含水率為10.23%，擊實試驗結(jié)果見表1?？芍貉舆t時間大于等于3 h后隨著延遲時間的增加，改良土的最大干密度和壓實系數(shù)逐漸降低。延遲時間為3 h時，與延遲時間1 h相比壓實系數(shù)降低1.04%，但仍大于0.95；延遲時間為4 h時，與延遲時間1 h相比壓實系數(shù)降低2.08%，此時壓實系數(shù)0.94已低于控制值0.95；延遲時間為6 h時壓實系數(shù)降低2.6%。

表1 改良土延遲時間擊實試驗結(jié)果

2.2 延遲時間無側(cè)限抗壓強度試驗

與延遲時間擊實試驗采用同樣的改良土填料，同步制作直徑50 mm、高度100 mm圓柱體試樣，于拌和后1 h開始，約15 min制作一個，共計制作試樣17個。改良土無側(cè)限抗壓強度隨延遲時間變化見圖2。

由圖2可知：隨著試樣延遲時間的增加，改良土的7 d無側(cè)限抗壓強度逐漸降低。延遲時間為2 h時，與延遲時間1 h相比強度損失約10%，3 h時強度損失約20%，5 h時強度損失約25%。

3 基于改良土延遲時間控制的施工工藝優(yōu)化

3.1 施工工藝

施工工藝主要流程為：攤鋪填料→復(fù)合改良劑攤鋪→改良土拌和→平整→碾壓→養(yǎng)護。

將填料從料場運至施工場地并攤鋪平整，攤鋪平整的過程中通過標高控制虛鋪厚度至35 cm左右；攤鋪完成后檢查填料含水量，并在攤鋪層頂端使用石灰粉劃分5 m×5 m的方格線。

以方格為單位，根據(jù)復(fù)合改良劑的用量、填料的密度、改良的厚度等參數(shù)，計算復(fù)合改良劑的用量。嚴格按計算量將復(fù)合改良劑均勻攤鋪在填料上，見圖3。攤鋪完復(fù)合改良劑后，采用挖掘機配套拌和斗對改良土進行拌和，見圖4。

采用平地機對路面做平整處理后碾壓，碾壓原則為先輕壓、靜壓（初壓），再重壓、振壓（復(fù)壓），后靜壓（終壓）整形。壓實質(zhì)量檢測合格后，在路基表面采用土工布覆蓋，并灑水養(yǎng)護。

圖3 復(fù)合改良劑攤鋪

圖4 改良土拌和

3.2 施工延遲時間分析

由于壓實系數(shù)不達標，無側(cè)限抗壓強度損失大的問題，考慮采取以路面長50 m、寬20 m為一個施工單元。拌和斗拌和整個路面改良土填料約需2.0 h，平整每施工單元約需0.5 h，每個施工單元碾壓耗時約為1.0 h，整個過程耗時3.5 h。

結(jié)合延遲時間擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，控制施工過程中每道工序的施工時間和工序間的銜接。主要控制改良土拌和、平整、碾壓這三個工序總耗時，計入突發(fā)情況耗時，每單元時間不得超過3 h，最佳控制時間為2 h以內(nèi)。

施工單元寬度變?yōu)槁访娴囊话?，?0 m時，拌和時間為1 h，平整時間為0.5 h，碾壓時間為0.5 h，從開始拌和至碾壓完成可將施工時間控制在2 h以內(nèi)。

3.3 施工工藝優(yōu)化方案

經(jīng)室內(nèi)試驗研究分析后，對施工工藝優(yōu)化，采用路面長50 m，寬10 m為一個施工單元的施工方案，即減為半幅路面施工，施工單元長度不變。采用此方案能有效控制改良土壓實系數(shù)大于等于0.95，提高無側(cè)限抗壓強度，保證了工程順利進行。

在無法改變施工單元大小的條件下，也可升級拌和設(shè)備，提高拌和工作效率，從而縮短拌和至碾壓成型用時。

4 結(jié)論

1）掌握了延遲時間對水泥改良土強度的影響規(guī)律。通過改變水泥改良土的延遲時間，對擊實干密度、7 d無側(cè)限抗壓強度進行試驗。延遲時間為3 h時的壓實系數(shù)與1 h相比降低1.04%，壓實系數(shù)仍大于0.95，延遲時間為4 h時的壓實系數(shù)與1 h相比降低2.08%，降為0.94；延遲時間在2 h以內(nèi)時干密度和強度損失約10%，延遲時間為3 h時的強度與1 h相比損失約20%，延遲時間為5 h時的強度與1 h相比損失約25%。

2）確定改良土施工各環(huán)節(jié)的合理時間，結(jié)合延遲時間擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，提出拌和、平整、碾壓等過程總耗時不得超過3 h，最佳控制時間為2 h以內(nèi)。

3）為保證水泥改良土在合適的延遲時間內(nèi)完成拌和至碾壓的施工，可通過縮小施工單元大小、增加或改良拌和施工設(shè)備來縮短延遲時間，保證改良土壓實系數(shù)大于等于0.95，有效提高無側(cè)限抗壓強度。鐵路工程中采用水泥改良土施工須注重室內(nèi)外試驗之間的聯(lián)系，各工序緊密街接。