探析市政道路不良路基填料改良施工控制技術(shù)

張志誠(chéng)

（太原市市政公共設(shè)施建設(shè)管理中心，太原 030002）

1 引言

在城市建設(shè)發(fā)展中，市政道路工程對(duì)交通通行、對(duì)外貿(mào)易具有重要意義，以往研究多傾向于道路施工技術(shù)優(yōu)化，忽視了不良路基填料對(duì)道路質(zhì)量、使用壽命的影響。本研究彌補(bǔ)了以往研究的缺陷，采用案例分析法，重點(diǎn)探究以高液限土為主的不良路基填料改良問(wèn)題，制訂切實(shí)可行的改良方案，提出將石灰粉摻入高液限土的方式，增強(qiáng)粗顆粒骨架作用，提高土質(zhì)級(jí)配，使路基更加穩(wěn)定牢固，預(yù)防開(kāi)裂、沉陷等質(zhì)量病害發(fā)生，延長(zhǎng)道路使用壽命。

2 工程概況

以某市政道路工程為例，其位于丘陵地區(qū)，地勢(shì)起伏較大，土石方量較大。該標(biāo)段內(nèi)土方以高液限土為主，不宜直接路基填筑，否則易產(chǎn)生路基滑移、開(kāi)裂及基面凹凸不平等質(zhì)量病害。如若將土方廢棄，不但會(huì)增加土方借調(diào)工程量，還會(huì)增加大量成本，周圍也沒(méi)有合適用作填料的土質(zhì)。綜合分析工期、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，決定采用土方改良方案，利用生石灰進(jìn)行不良路基填料改良后進(jìn)行填筑，使市政道路的施工質(zhì)量得到保障。

表1 不良路基特征與處理方案

3 不良路基填料改良的施工技術(shù)

3.1 改良目標(biāo)

針對(duì)原本不良路基填料進(jìn)行改良，采用摻入一定量石灰粉的方式，使改良后的填料能滿足填筑施工要求。高液限土內(nèi)部粗顆粒數(shù)量較少，分布不緊密，骨架作用較弱，工程性質(zhì)受土粒間相互作用影響，與結(jié)晶格架體特點(diǎn)緊密相關(guān)。摻入石粉改良后，高液限土的粗粒含量得以改變，土內(nèi)含水量下降，最大干密度提升，粗顆粒在土中產(chǎn)生強(qiáng)大的骨架作用，降低細(xì)顆粒對(duì)土體性質(zhì)的影響，達(dá)到改良目標(biāo)。因土內(nèi)細(xì)顆粒數(shù)量較多，少量粗顆粒懸浮在細(xì)顆粒內(nèi)，當(dāng)摻入石粉量不斷增加時(shí)，土內(nèi)粗顆粒的含量會(huì)隨之增加，土體級(jí)配得以改善，細(xì)石粉和土粒將粗顆粒間的縫隙充分填充，使骨架作用更為顯著，路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性隨之增強(qiáng)。同時(shí)，在干石粉作用下，高液限土內(nèi)的部分水分被吸收，土體含水量降低[1]。

3.2 填料力學(xué)特性控制

該項(xiàng)目路基結(jié)構(gòu)由基床、填土與地基土3 層構(gòu)成。填料放入基床下側(cè)與填土處，對(duì)人工填筑層的路基質(zhì)量進(jìn)行改良，在整體結(jié)構(gòu)中，該層受荷載影響最大，在長(zhǎng)期行車作用下很容易發(fā)生變形，應(yīng)注重填料力學(xué)特性控制，為回填提供材料質(zhì)量保障。初始填料的孔隙比a的計(jì)算公式為：

式中，a為孔隙比；p為改良填料的密度，kg/m3；p1為初始填料的密度，kg/m3；n為初始填料的含水率，%。然后，對(duì)填料荷載沉降量F進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中，F(xiàn)為荷載沉降量，mm；Δa1為荷載影響下路基填料的變形值，mm；b為填料的初始高度值，m。填料經(jīng)過(guò)改良后，沉降量的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)1為改良后路基填料的沉降量，mm；ω為沉降量改良系數(shù)，可用荷載沉降量、孔隙比等計(jì)算得出；F為荷載沉降量，mm。

根據(jù)該項(xiàng)目中填料物理性質(zhì)，對(duì)初始填料物理參數(shù)進(jìn)行確定，如表2 所示。

表2 初始填料物理特性參數(shù)

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可知，填料荷載量為60 kPa，塑限為16.58/%，超過(guò)規(guī)定的最低值。可見(jiàn)，初始路基填料無(wú)法滿足路基持力層要求，需要改良處理，使其物理性能得以提升[2]。

3.3 填料改良

3.3.1 原材料試驗(yàn)

選取具有代表性的土樣開(kāi)展土工試驗(yàn)和摻配試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中。石粉摻入比取20%，30%和35%三種。根據(jù)土工試驗(yàn)可知，土質(zhì)主要特征為CBR 符合要求，標(biāo)準(zhǔn)范圍為1.70～1.83，液限超過(guò)60%，塑性指數(shù)超過(guò)40，屬于高液限土，經(jīng)過(guò)填筑后路基外表開(kāi)裂，與水接觸后軟化，難以達(dá)到填筑要求。

將總量占比分別為25%，30%和35%的石粉摻入高液限土中，開(kāi)展重型擊實(shí)試驗(yàn)，得出最大干密度和最佳含水量，經(jīng)過(guò)擊實(shí)后進(jìn)行顆粒分析，繪制不同含粉量、最大干密度、最佳含水量的關(guān)系曲線。為促進(jìn)填料綜合承載性能提升，使路基承載性、質(zhì)量得以穩(wěn)定，該項(xiàng)目選用Ⅱ級(jí)生石灰，對(duì)填料的物理性能進(jìn)行改善。將生石灰磨成粉末后摻入初始填料內(nèi)，拌和均勻，摻配比計(jì)算公式如下：

式中，R為生石灰的摻配比；M1為摻合料的干質(zhì)量，kg；M2為初始填料的干質(zhì)量，kg。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出水泥與石灰的摻配比為4：5。待石粉摻入初始填料后，通過(guò)離子交換、碳酸化、結(jié)晶等多種化學(xué)反應(yīng)，可促進(jìn)填料物理力學(xué)性能提升[3]。

3.3.2 機(jī)械設(shè)備

經(jīng)過(guò)原材料試驗(yàn)后，正式進(jìn)入施工環(huán)節(jié)，提前準(zhǔn)備所需的機(jī)械設(shè)備，為后續(xù)施工順利開(kāi)展打好基礎(chǔ)，該項(xiàng)目所用機(jī)械如表3 所示。

3.3.3 施工工藝

1）填料試驗(yàn)檢測(cè)。根據(jù)運(yùn)土車的運(yùn)輸能力計(jì)算方格網(wǎng)大小，按照網(wǎng)格控制進(jìn)土量，使松鋪厚度小于30 cm，將填料中超尺寸顆粒剔除。填土后用推土機(jī)初步整平，計(jì)算摻石粉量，人工布格，按照各格用量摻加石粉，以鏟車攤鋪為主，人工攤鋪為輔，設(shè)置專門實(shí)驗(yàn)員，隨時(shí)檢查攤鋪質(zhì)量，對(duì)凹凸不平之處進(jìn)行調(diào)整，確保石粉和土均勻平整。同時(shí)，檢驗(yàn)混合料的含水量、含石量，最佳含水量為4%～7%，如若超過(guò)這一范圍，需要現(xiàn)場(chǎng)翻曬處理；如若低于4%，則要及時(shí)灑水濕潤(rùn)。

2）填筑階段。正式填筑前，選取長(zhǎng)約200 m 的路段作為試驗(yàn)路段。確定碾壓設(shè)備的最佳組合方式，合理設(shè)定相關(guān)參數(shù)，如碾壓速度、遍數(shù)等。經(jīng)過(guò)監(jiān)理人員審批后，正式開(kāi)展路基填筑。要求填筑過(guò)程嚴(yán)格遵循施工技術(shù)規(guī)范，采用分層填筑法，利用挖掘機(jī)、壓路機(jī)、自卸汽車等多種機(jī)械設(shè)備聯(lián)合運(yùn)送填料，準(zhǔn)確計(jì)算填料方量和運(yùn)輸距離，在專人指揮下，將填料卸在路基上，先用推土機(jī)初步平整，再用平地機(jī)壓平，要求松鋪厚度最大值小于30 cm，每碾壓一層都要由監(jiān)理人員檢查，待合格后才可填筑下一層。

3）施工管理要點(diǎn)。在施工開(kāi)展前應(yīng)做好交通管制工作，任意設(shè)備區(qū)碾壓完畢的路面都要設(shè)置禁止通行的交通標(biāo)志，直至路面強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)；待路面壓實(shí)后，確保養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)符合規(guī)定，在養(yǎng)護(hù)期間禁止行人、車輛通過(guò)；對(duì)于已經(jīng)攤鋪完畢的路段，如若遇到降雨天氣，應(yīng)使用雨布覆蓋路面，提高防水效果。待雨停后，針對(duì)局部滲水位置翻曬處理，嚴(yán)重時(shí)需要重新施工，確保道路質(zhì)量[4]。

3.4 施工質(zhì)量檢測(cè)

經(jīng)過(guò)路基填料改良處理后，為檢驗(yàn)改良施工質(zhì)量，開(kāi)展直剪試驗(yàn)、靜力荷載試驗(yàn)，分別對(duì)改良前后基料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，具體如下。

1）直剪試驗(yàn)。選用二速電動(dòng)直剪儀，以改良前后路基填料為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，將豎向剪力荷載設(shè)定為0～400 kPa，以填土的剪切變形量為指標(biāo)，分析抗剪強(qiáng)度，如圖1 所示。根據(jù)圖中曲線走向可知，在改良前后填料的豎向剪力荷載、剪切變形量均具有正比關(guān)系。在改良之前，當(dāng)豎向剪切荷載壓力為160 kPa時(shí)，填料破壞；在改良后，當(dāng)豎向剪切力為400 kPa 時(shí)，剪切變形量為5.12 mm，未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值10 mm，且填料沒(méi)有被破壞，這意味著改良后填料的抗剪強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，說(shuō)明此種改良方案科學(xué)可用。

圖1 基料改良前后剪切曲線對(duì)比圖

2）靜力荷載試驗(yàn)。在該工程施工范圍內(nèi)，每間隔200 m 路基處采樣一次，開(kāi)展靜荷載加載試驗(yàn)。在100～2 000 kN 平穩(wěn)施加靜載，在此期間，準(zhǔn)確記錄路基最大沉降量，隨機(jī)抽取10 處采樣點(diǎn)，匯總檢測(cè)結(jié)果，如圖2 所示。根據(jù)該圖可知，在10 處采樣點(diǎn)內(nèi)沉降量最高達(dá)到5.74 mm，與路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的15 mm相比較低?？梢?jiàn)，該項(xiàng)目中改良方案可行，可使道路運(yùn)行更穩(wěn)定可靠。

圖2 路基沉降量檢測(cè)圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前城市規(guī)模不斷向外拓展，市政道路工程數(shù)量隨之增加，并對(duì)道路質(zhì)量、通行安全提出嚴(yán)格要求。路基填料作為道路施工的重要內(nèi)容，不但會(huì)影響路基質(zhì)量，還與整個(gè)道路工程質(zhì)量息息相關(guān)，針對(duì)不良路基填料應(yīng)積極采取改良措施，結(jié)合實(shí)際情況，制訂改良方案。該項(xiàng)目立足實(shí)際，根據(jù)綜合物理特性，采用向高液限土中摻入石灰粉的方式，增強(qiáng)填料的力學(xué)性能，為不良路基施工提供高性能的填筑材料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，與改良前相比，改良后填料的抗剪強(qiáng)度提升，最大沉降量低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可使路基更穩(wěn)定牢固，道路運(yùn)營(yíng)安全得到保障。