濕陷性黃土地區(qū)路基填料改良及施控制

曹瞻

【摘要】依托澄韋高速公路路基施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用水泥對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行改良處理后用于路床填筑，保證壓實(shí)質(zhì)量方面獲得良好效果，同時(shí)再合理安排施工設(shè)備及優(yōu)化機(jī)械組合，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試檢測(cè)，匯集參數(shù)，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以后濕陷性黃土地區(qū)水泥土施工做了很好的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】路基工程;濕陷性黃土水泥土;碾壓;含水率;凸塊壓路機(jī);冷再生拌合;施工

【Abstract】 Based on the actual situation of the subgrade construction site of Chengwei expressway， the collapsible loess is improved with cement and used for roadbed filling to ensure good compaction quality. At the same time， the construction equipment is reasonably arranged and the mechanical combination is optimized. Combined with indoor test and on-site test， the parameters are collected and the construction experience is summarized， It has done a good guiding role for the cement soil construction in the collapsible loess area in the future.

【Key words】subgrade engineering; Collapsible loess cement soil; Rolling; Moisture content; Cold recycling mixing of bump roller; construction

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.04.064

1、引言

項(xiàng)目位于澄城縣和蒲城縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地形以黃土塬為主，局部溝壑縱橫，地勢(shì)北高南低，向南緩傾。區(qū)域內(nèi)無(wú)河流經(jīng)過，地表無(wú)常年流水，除雨季和汛期外，地表基本無(wú)水流動(dòng)，地下含水層埋藏深度較大，一般埋深在180米以上。

本項(xiàng)目所處區(qū)域路基填筑挖方利用方及2#取土場(chǎng)土源均為馬蘭黃土。馬蘭黃土由風(fēng)積作用形成，硬塑-堅(jiān)硬，含一層古土壤及鈣質(zhì)結(jié)核，疏松多孔，顆粒均勻，垂直節(jié)理發(fā)育，為濕陷性黃土分布區(qū)，濕陷土層一般在厚度10.0m-25.4m之間，濕陷類型為自重濕陷場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為自重Ⅲ-Ⅳ級(jí)，粉質(zhì)黏土[1]，原狀土土質(zhì)工程使用性能差。根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原狀土CBR 值不能滿足路床填方土要求，必須采取方法進(jìn)行改良?？紤]石料、石灰在本地區(qū)是短缺資源，長(zhǎng)途運(yùn)輸不經(jīng)濟(jì)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地區(qū)石灰加工水平低劣、質(zhì)量不穩(wěn)定，且不符合環(huán)保要求，受此限制，只能就地取材。堯柏水泥廠距項(xiàng)目約70km處的蒲城縣，用水泥改良濕陷性黃土是用于該項(xiàng)目路基路床填筑的最佳選擇。

本文結(jié)合澄韋高速的工程實(shí)踐，采取水泥改良濕陷性黃土物理、力學(xué)性能，降低土體塑性指數(shù)、減小壓縮變形和滲透性，提高強(qiáng)度和整體承載能力效果明顯。

2、室內(nèi)試驗(yàn)

2.1原狀土物理、力學(xué)檢測(cè)指標(biāo)

該試驗(yàn)段臨近2#取土場(chǎng)，鑒于土樣分布的不均勻性，為了研究分析水泥土的基本工程性質(zhì)及其影響因素，試驗(yàn)從各土體不同深度取樣，逐一試驗(yàn)。土樣各項(xiàng)物理力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)，見下表（表1、表2）。

2.2 CBR強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

全線路基可利用填方資源均為濕陷性黃土，根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在壓實(shí)度為 93%的條件下，CBR 值均小于 3%，當(dāng)壓實(shí)度為 94%時(shí)，CBR 值為 3.1%～3.3%?！豆仿坊┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定，上路床CBR值要求≥8%，下路床CBR值要求≥5%，原狀土物理、力學(xué)性能不滿足規(guī)范，因此，本項(xiàng)目路基填筑時(shí)，上路床摻5%進(jìn)行改良，下路床摻4%進(jìn)行改良，路床壓實(shí)度均為 96%。

2.3水泥檢測(cè)指標(biāo)

選用的堯柏水泥廠P.O42.5（緩凝）散裝水泥，常規(guī)物理、力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見下表3。

2.4摻合料配比

本文水泥土按照4%進(jìn)行配比試驗(yàn)。

2.5擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)水泥改良濕陷性黃土最大干密度隨時(shí)間呈衰減趨勢(shì)[5]，分別在1、2、3、4、5、6小時(shí)摻水泥進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)結(jié)果如下（圖1）。

從圖1可以看出，水泥土最大干密度隨著擊實(shí)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，最佳含水率隨著選擇不同的擊實(shí)時(shí)間而增大。最大干密度降低5%左右，最佳含水率增大了10%左右。

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)與水泥初終凝時(shí)間綜合考量，采用4小時(shí)的擊實(shí)數(shù)據(jù)作為現(xiàn)場(chǎng)控制壓實(shí)度參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行CBR強(qiáng)度值驗(yàn)證，結(jié)果見下表（表4、表5）。

通過表4、表5可以看到，水泥土在4.0h延時(shí)內(nèi)的CBR值是完全滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中下路床CBR值要求≥5%的要求的，從理論講，水泥土現(xiàn)場(chǎng)碾壓密實(shí)時(shí)間控制4.0h內(nèi)，保證壓實(shí)系數(shù)是沒問題的。因此，在施工中盡可能縮短拌和至碾壓的時(shí)間安排，并保證拌和、補(bǔ)水、整平、碾壓，良好的工序銜接的重要性顯得尤為突出。

3、水泥改良濕陷性黃土主要施工工藝

3.1現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1.1 測(cè)量放樣及取土

按照測(cè)量及路基施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行組織，該處不再贅述。

3.1.2 布料

布料前以9m×10m的灰線方格為一單元格撒出白灰線，網(wǎng)格尺寸根據(jù)擬定的松鋪厚度確定，依據(jù)運(yùn)輸車容量換算，試驗(yàn)段按虛鋪系數(shù)1.2考慮（設(shè)計(jì)圖紙建議1.16），自卸汽車在每格內(nèi)卸料1車，根據(jù)計(jì)算自卸汽車每車裝22m3土料，每車土料置于網(wǎng)格中間位置，避免卸料不均勻造成攤鋪時(shí)間的延長(zhǎng)，填料區(qū)規(guī)劃車輛行駛臨時(shí)通道，按一個(gè)網(wǎng)格寬度預(yù)留，施工區(qū)域完成布料后再對(duì)臨時(shí)通道進(jìn)行布料。

3.1.3 攤鋪

采用推土機(jī)按照預(yù)定的攤鋪厚度，大致進(jìn)行粗平，攤鋪后檢查土的含水率、粒徑，對(duì)于較大體積土塊使用旋耕犁進(jìn)行打碎。

3.1.4 整平

使用平地機(jī)按設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行精細(xì)刮平，及時(shí)檢查平整質(zhì)量，局部坑洼處用同類土料填平。

3.1.5 撒布水泥

施工線路兩側(cè)分布著農(nóng)田、藥田、櫻桃樹及房屋，采用人工撒布，極易對(duì)兩側(cè)作物造成污染，引起糾紛，且撒布量及均勻性不易控制，所以利用粉料撒布車進(jìn)行水泥撒布是最佳選擇。

將散裝水泥運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，采用粉料撒布車進(jìn)行撒布，根據(jù)4%水泥土配比，算出每平米水泥用量。

通過粉料撒布車控制系統(tǒng)，設(shè)定撒布車行駛速度和每平米撒布參數(shù)，撒布中用30cm×30cm紙板驗(yàn)證撒布量，確保撒布均勻。

3.1.6 冷再生拌合機(jī)拌和

現(xiàn)場(chǎng)首先采用傳統(tǒng)灑水方式進(jìn)行補(bǔ)水悶料，寶馬路拌機(jī)進(jìn)行拌合。施工中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體表面無(wú)積水、濕潤(rùn)情況下，路拌機(jī)開始作業(yè)，土體拌合均勻性差，且設(shè)備打滑側(cè)移，不安全;當(dāng)土體表面稍干情況下，路拌機(jī)開始作業(yè)，拌合后，土體拌合均勻，但含水率低于最佳含水率，還需繼續(xù)補(bǔ)水。經(jīng)分析確認(rèn)為濕陷性黃土遇水易形成土殼，阻止水分下滲，采用傳統(tǒng)工藝，施工效果較差，需反復(fù)補(bǔ)水，且等待時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)效性差。另當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，炎熱天氣進(jìn)行補(bǔ)水施工蒸發(fā)量大，造成資源浪費(fèi)。

經(jīng)項(xiàng)目研究，決定采用具備自動(dòng)補(bǔ)水功能的新工藝?yán)湓偕韬蠙C(jī)進(jìn)行土方拌和施工，進(jìn)而加快施工進(jìn)度，同時(shí)減少資源浪費(fèi)。

后續(xù)施工，在攤鋪完畢后采用水車配合冷再生拌合機(jī)進(jìn)行路拌作業(yè)，設(shè)備開機(jī)前結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的土體含水率，計(jì)算補(bǔ)水量，通過冷再生拌合機(jī)電腦控制系統(tǒng)，設(shè)定補(bǔ)水參數(shù)（根據(jù)《甘肅省濕陷性黃土地區(qū)路基施工技術(shù)規(guī)范》指導(dǎo)，在最佳含水率基礎(chǔ)上增加2%）及鉸刀下放深度，拌和過程安派專人跟班進(jìn)行挖檢，檢測(cè)水泥土混合料含水率及水泥劑量，確保符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)觀測(cè)水泥土混合料的均勻性及是否存在夾層。按照每20米一處的頻率挖檢，對(duì)于不符合要求的段落，及時(shí)修正參數(shù)并進(jìn)行拌合。

通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：

補(bǔ)水參數(shù)及松鋪厚度不變的情況下，鉸刀不同的下放深度，對(duì)土體含水率及灰劑量也有很大影響，具體為，松鋪厚度25cm，鉸刀分別下放25cm和30cm深度進(jìn)行拌合，鉸刀下放25cm時(shí)，拌合局部有0.5-1cm夾層，含水率達(dá)15.3%-16.1%，灰劑量檢測(cè)為4%-4.6%，含水率及灰劑量滿足擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，但存在夾層，碾壓后不利于相鄰?fù)翆咏Y(jié)合;鉸刀下放30cm時(shí)，可翻拌至下層路基3-4cm，含水率達(dá)13.9%-14.5%，灰劑量檢測(cè)為3.5%-3.8%，結(jié)合考慮試驗(yàn)段下層路基為素土，本次灰劑量檢查雖低于設(shè)計(jì)，但如下層路基同樣為水泥土，則灰劑量將滿足要求，另含水率控制時(shí)，要充分考慮拌合至下層路基深度及其含水率。所以在虛鋪厚度不變情況下，采用冷再生拌合機(jī)進(jìn)行拌合及補(bǔ)水，鉸刀下放深度需在虛鋪厚度基礎(chǔ)上增加4-5cm，補(bǔ)水參數(shù)要充分考慮拌合至下層路基深度及其含水率后再進(jìn)行設(shè)定，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

3.1.7 碾壓

（1）時(shí)間選擇

為保證設(shè)備安全，冷再生拌合機(jī)拌和2道，寬度達(dá)5米后，壓實(shí)設(shè)備開始工作。

（2）設(shè)備選擇

項(xiàng)目自有26噸光輪壓路機(jī)4臺(tái)，經(jīng)試驗(yàn)，控制虛鋪厚度25cm，含水率15.2%-15.8%，振動(dòng)碾壓6遍，平均壓實(shí)度達(dá)到92.4%，而后續(xù)碾壓，壓實(shí)度增長(zhǎng)極為緩慢。經(jīng)項(xiàng)目技術(shù)組商討，充分考慮經(jīng)濟(jì)性及水泥土?xí)r效性后，斷然否決采用26噸光輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓作業(yè)的方案，同時(shí)提出可采用兩種方法解決壓實(shí)問題，一為改用大噸位壓路機(jī)，二為改裝現(xiàn)有壓實(shí)設(shè)備，給光輪壓路機(jī)安裝凸塊板。

改用大噸位壓路機(jī)，需另調(diào)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，且當(dāng)?shù)?6噸以上壓路機(jī)資源較少，租金較高，經(jīng)濟(jì)性差。

光輪壓路機(jī)安裝凸塊板后變?yōu)橥箟K壓路機(jī)，凸塊與土體接觸端面面積相較光輪變小，壓路機(jī)噸位不變情況下，壓強(qiáng)變大，直接作用在凸塊端面下的水泥土所受壓力變大，同時(shí)凸塊插入或拔出土體過程中會(huì)向水泥土施加側(cè)向壓力，達(dá)到壓實(shí)效果。

經(jīng)分析，決定采用改裝現(xiàn)有壓實(shí)設(shè)備，給光輪壓路機(jī)安裝凸塊板，用凸塊壓路機(jī)進(jìn)行土方壓實(shí)作業(yè)。

（3）碾壓順序

碾壓順序：根據(jù)規(guī)范要求，曲線段由內(nèi)向外碾壓，直線段從兩邊向中間碾壓，也就從低側(cè)往高側(cè)碾壓。碾壓過程中嚴(yán)格按照搭接1/3輪跡的要求進(jìn)行壓實(shí)，壓完全寬為一遍。

（4）碾壓組合

為了及時(shí)鎖住土體水分，采用凸塊壓路機(jī)緊跟冷再生拌合機(jī)無(wú)振動(dòng)、無(wú)搭接快速碾壓一遍。然后開啟振動(dòng)，進(jìn)行強(qiáng)振碾壓。碾壓過程中壓路機(jī)行駛速度控制在3.4～3.6km/h，輪跡重疊1/3輪寬。凸輪壓路機(jī)強(qiáng)振第三遍碾壓完成后開始按照要求頻率檢查壓實(shí)度，每碾壓一遍檢測(cè)一次直至壓實(shí)度合格后終止碾壓及檢測(cè)。壓實(shí)度檢測(cè)合格采用平地機(jī)刮除表層松散土，再用26t光輪壓路機(jī)按照重疊不小于1/2輪寬進(jìn)行震動(dòng)壓實(shí)收面，碾壓速度4.0km/h，直至表面無(wú)輪跡停止碾壓，最后再靜壓一遍。碾壓過程中，采用進(jìn)退式進(jìn)行碾壓，嚴(yán)禁壓路機(jī)在已完成的或正在碾壓的路段上調(diào)頭、急剎車、急速行駛。

3.2數(shù)據(jù)采集及分析

每10m布置一個(gè)斷面，左右幅交叉設(shè)置壓實(shí)度檢測(cè)點(diǎn)，采用灌砂法進(jìn)行檢測(cè);同時(shí)每20m布置一個(gè)斷面，在左、右幅行車道及中間布置松鋪厚度檢測(cè)點(diǎn)，采用挖驗(yàn)、鋼尺量測(cè)的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。

經(jīng)檢測(cè)，凸輪強(qiáng)振碾壓三遍，檢測(cè)10點(diǎn)，平均壓實(shí)度91.6%;凸輪強(qiáng)振碾壓四遍，檢測(cè)10點(diǎn)，平均壓實(shí)度93.7%;凸輪強(qiáng)振碾壓五遍，檢測(cè)10點(diǎn)，平均壓實(shí)度95.5%;凸輪強(qiáng)振碾壓六遍，檢測(cè)10點(diǎn)，平均壓實(shí)度96.3%;凸輪強(qiáng)振碾壓六遍時(shí)壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。

凸輪強(qiáng)振碾壓六遍時(shí)，對(duì)應(yīng)15個(gè)挖驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)，松鋪平均厚度25.2cm，壓實(shí)平均厚度20.5cm，松鋪系數(shù)確定為1.23。

4、總結(jié)

4.1試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

取代表性土樣，是完成土工試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，如果送到試驗(yàn)室的土樣不符合要求，或代表性不強(qiáng)，則試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到很大的影響。這是重點(diǎn)，必須加以重視。每2萬(wàn)方土取樣做一次標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，檢測(cè)土質(zhì)是發(fā)生變化，當(dāng)土質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，必須重新取樣做標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。

4.2含水率控制措施

碾壓前混合料含水量的大小嚴(yán)重影響混合料的壓實(shí)效果。從室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果得出經(jīng)驗(yàn)，隨時(shí)間延長(zhǎng)，水化反應(yīng)的深入進(jìn)行，要達(dá)到土體最大干密度下的密實(shí)效果，需水量在增高，同時(shí)結(jié)合夏季現(xiàn)場(chǎng)施工氣溫，水分蒸發(fā)量大，故而對(duì)于水泥土混合料的保水、補(bǔ)水嚴(yán)加管控，同時(shí)施工工序的緊密銜接也很重要。在西北及濕陷性黃土地區(qū)，水資源較為匱乏，采用具備自動(dòng)補(bǔ)水功能的冷再生拌合機(jī)施工是最佳選擇。

確定補(bǔ)水參數(shù)時(shí)，檢測(cè)待碾壓層含水率的同時(shí)，要考慮下承層表層3cm-4cm內(nèi)土體含水率，綜合計(jì)算，確定參數(shù)。施工中增加對(duì)拌合后水泥土含水率的檢測(cè)頻率，指導(dǎo)拌合施工，當(dāng)偏離最佳含水率時(shí)，及時(shí)通知修正冷再生拌合機(jī)電腦補(bǔ)水參數(shù)。同時(shí)建議，現(xiàn)場(chǎng)施工水泥土混合料的含水率保持在最佳含水率的+2%～+3%，確保水泥土碾壓密實(shí)。

4.3時(shí)間控制

水泥土一遇到水就開始水化反應(yīng)，隨時(shí)間延長(zhǎng)，最大干密度和最佳含水率都將受到影響，嚴(yán)重影響水泥土施工質(zhì)量。要做到快速拌和，及時(shí)整平，及時(shí)碾壓，將時(shí)間控制在4h以內(nèi)，在水泥的初凝時(shí)間內(nèi)完成碾壓作業(yè)，這對(duì)組織施工，安排工序，優(yōu)化配置設(shè)備提出更高要求。冷再生拌和機(jī)在本項(xiàng)目施工中，顯露出其優(yōu)勢(shì)。

4.4最佳鋪設(shè)距離

依現(xiàn)有的1臺(tái)冷再生拌合機(jī)、3臺(tái)凸輪壓路機(jī)、1臺(tái)光輪壓路機(jī)、1臺(tái)推土機(jī)、1臺(tái)平地機(jī)、3臺(tái)灑水車組成的一套設(shè)備情況以及考慮水泥的初凝時(shí)間、冷再生拌合機(jī)拌合速度、壓路機(jī)碾壓速度、安全距離，確定為全幅100米，若增加設(shè)備配置（主要為凸輪、冷再生拌合機(jī)），可適當(dāng)增大鋪設(shè)距離。

參考文獻(xiàn)：

[1]省級(jí)高速公路澄商線澄城至韋莊公路《兩階段施工圖設(shè)計(jì)文件》.

[2]公路路基施工技術(shù)規(guī)范.JTG/T3610-2019.人民交通出版社出版.

[3]公路土工試驗(yàn)規(guī)程.JTG3430-2020.中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.

[4]甘肅省濕陷性黃土地區(qū)路基施工技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）.

[5]程文斌.鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土填料水泥改良及填筑壓實(shí)工藝研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2007（12）：44-47.

[6]周碧強(qiáng).高速公路濕陷性黃土路基填筑的施工技術(shù).中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，2018.