润扬北路粉质黏土路基石灰改良技术及施工工艺研究

连清泉

（扬州市城市规划设计研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002）

0 前言

近年扬州北区市郊的多条市政道路出现较严重的路基路面早期破坏，其主要特点是：路面损坏严重，出现凹槽、网裂、泛油、松散、纵横向裂缝及不均匀沉降等病害，尤其是挖方路段严重；路基路面病害出现较早，部分路段通车半年就出现较明显的病害。这些病害的出现与该地区广泛分布的粉质黏土密切相关。这类土具有水敏感性强、毛细水作用强等特殊性质，尤其在地下水位较高时易产生较严重的水损坏。鉴于此，扬州市市政建设处联合东南大学交通学院成立课题组，结合《润扬北路延伸（平山堂西路—西湖中心路）道路工程》设计，展开“扬州市北区市政道路建设关键技术研究与运用”，对路基中经济有效的毛细水隔离措施及长期效果，不良路基填料的石灰改良技术与施工工艺等进行深入研究，并将研究成果运用于该道路，取得良好效果。

1 工程概况

润扬路是扬州市西部城区的一条南北向主干路。现状润扬路南至沿江高等级公路（润扬大桥高速出入口），北至扬州市西北片区的平山堂西路，与扬州市东西向主干路沿江高等级公路、开发路、328国道、文昌路等连接。本期工程润扬北路延伸南起平山堂西路，北至西湖中心路，道路红线宽度50 m，全长2 316.862 m，按城市主干路Ⅱ级标准设计，设计计算行车速度50 km/h。项目所在区域地处长江北岸下游，位于宁镇扬丘陵岗地区，地势总体上是北高南低，地形起伏较大，地面标高为11.0～29.5 m。结合工程地质勘察报告，统计得到润扬北路地区粉质黏土的基本物理力学指标如表1所示。

2 毛细水隔离措施研究

根据《扬州润扬北路延伸道路路基路面优化设计咨询报告》（东南大学交通学院）分析现状已建道路路基病害的主要原因为水损坏：由于相关路段广泛分布粉质黏土，且地下水位埋深较浅（一般在天然地面以下0.5～2.0 m之间），因此这类土中毛细现象严重，毛细水上升高度大，毛细水对路基的强度影响比较大。地下水在毛细作用下逐渐向路基顶迁移，而致路基顶面当量回弹模量降低。对于既定的路基土，不同的地下水位对应于不同的路基顶面当量回弹模量。地下水位变化，导致路基土回弹模量变化，将使荷载作用下路面各结构层的应力、应变发生相应的变化。因毛细水的上升，使路基土干湿状态变化，导致路基的强度相应降低或失稳，增加路基的压缩量，进而影响路面结构的强度及稳定性，其病害表现形式为不均匀沉降、纵向不平整、车辙、唧浆等典型病害。挖方路段的损害破坏比填方路段更严重，其主要的原因就是挖方破坏了山体的水力平衡，使路基下方出现水压力，而向上涌水。若挖方路段没有良好的排水层，水无法排出，路基的软化、损坏将不可避免。

因此，对于该工程路基中应采取经济、长效的毛细水隔离措施。根据工程实践，对典型土类，分别采用30 cm 5%灰土垫层和30 cm碎石垫层隔离，观察毛细现象，对不同隔离措施的处理效果进行对比，为毛细水防治措施提供依据。润扬北路延伸工程地区浅层粉质黏土击实试验的最佳含水量和最大干密度分别为14.8%和1.88 g/cm3。对其不同掺灰量试验数据表明，掺灰5%的现场击实情况最优，掺灰5%处理后最佳含水量和最大干密度分别为18.3%和 1.79 g/cm3。

表1 基本物理力学指标

在进行毛细水处理措施试验时，利用埋设的TDR实时测试含水量变化，观察隔绝毛细水上升的效果。TDR(Time domain reflectometry)土壤水分速测仪由脉冲信号发生器、蓝牙数据传输器、掌上电脑终端及探头组成。如图1所示。

图1 TDR土壤水分测定仪

采用TDR测定土壤水分含量，依据的是土壤的介电常数随土壤含水量的变化而规律地发生变化原则。根据Topp（1980）等人的研究，土壤的介电常数K，与土壤的体积含水量θ之间的关系可以表达为：

式（1）中：θ为体积含水量；K为介电常数。

若能精确地测定土壤的介电常数K，就可由式（1）计算出土壤的体积含水量。Topp等人研究还表明，这一关系式受土壤类型、土壤密度、土壤温度及孔隙水传导的影响很小。

实际测定时，从脉冲信号发生器发出一高频脉冲，将其通过传输线传输到探头。当信号传输到传输线与探头的联结点，因两者阻抗不匹配，一部分电磁波反射回来，剩余的电磁波沿探头传输到探头的另一端，由于探头与土壤的阻抗也不匹配造成电磁波的再次反射。探头长度固定，就可以根据时间、距离关系，计算出电磁波在土壤中的传输速度：

式（2）中：V为电磁波在土壤中的传输速度；L为探头长度；T为两次反射之间的时间。

根据电力学原理，电磁波在土壤中的传输速度可表达为：

式（3）中：V为电磁波在土壤中的传输速度；C为光在真空中的传播速度；K为土壤介电常数。

由式（2）、（3）可以计算出介电常数K值：

将式（4）计算出的介电常数K值代入式（1）就可以计算出土壤的体积含水量。

两种隔离措施的毛细水观测结果见图2。

图2 两种隔离措施的含水量变化规律

根据试验结果，可以得到以下结论：

（1）30 cm碎石垫层的方案，测点处含水量基本不变，因碎石垫层孔隙较大，毛细水无法透过碎石上升，所以30 cm碎石垫层是一种理想毛细水防治措施。

（2）前15 d内，素土中毛细水上升快，所以测点处含水量迅速增加；15 d以后测点处含水量基本稳定，略有增加。

（3）30 cm 5%灰土垫层方案，测点处含水量略有上升，基本能有效隔离毛细水上升，处置效果良好。

鉴于现场施工条件，道路附件不生产碎石材料，该项目路基处理采用灰土垫层的处理措施阻隔毛细水上升，同时对于路基土也以掺灰来改变土的含水量，根据实际情况，拟定路基处理方案如图3。

3 石灰土施工工艺研究

在石灰改良土路堤填筑施工中，石灰、土料和石灰土材料的质量和性质对路堤填筑质量有很大影响，需要严格按照规定实施。对于该区内近年所建已损坏道路路基调查，发现灰、土拌合不均的情况较多。路基施工设计中，根据工艺简单原则，石灰改良土工艺以1次掺灰为首选，但该工程所处区域粉质黏土含水量过高，鉴于以往工程实践中1次掺灰现场拌合时黏土块粉碎困难，易造成灰、土拌合不匀，为了保证施工周期和掺灰拌合质量，拟采用二次掺灰拌合工艺。首次掺少量石灰进行闷灰，使过湿的黏土砂化，便于施工拌合；再进行第二次掺灰，对土质改良，改变土的微观特性，形成密实的结构。对“第一次掺灰的量”，“第一次掺灰后需要多久进行第二次掺灰”深入研究，相关数据统计见图4～图6。

通过以上分析：掺灰后黏土颗粒砂化现象明显，黏粒含量减少，而粉粒和砂粒含量增加；随着掺灰时间增长，黏粒含量逐渐减少，粉粒和砂粒含量逐渐增加；从工程的可操作性与实际应用效果来看，砂化石灰用量以2%～3%为宜，砂化时间以2 d以上为宜。

图3 一般路基处理设计图（单位：cm）

图4 粉质黏土掺灰24h的颗粒分布

图5 粉质黏土掺灰2%不同时间的颗粒分布

图6 粉质黏土不同掺灰比例的无侧限抗压

4 结语

考虑城市交通的特殊，停车、刹车、启动频繁，故容易产生车辙现象。为了提高路面结构抵抗车辙的能力，路面施工时运用改性沥青，同时沥青中、下面层采用江苏省的研究成果“S型级配沥青混凝土”。道路竣工后经过两年多运行，车行道沥青路面情况良好，未发现车辙现象，尤其在此前易出现车辙的交叉口部位也未发现明显车辙现象。

针对扬州市润扬北路延伸工程路基土质的深入分析，结合以往工程经验，对过湿粉质黏土填料采用二次掺灰的工艺研究，得出以下结论：

（1）30 cm 5%的灰土垫层上和30 cm碎石垫层两种处理方法基本能有效阻隔毛细水上升，处置效果较好，其中碎石垫层方案效果更好。在碎石材料匮乏的黏土地区，宜采用灰土垫层，与灰土路基处理结合，以简化施工工艺、节约成本。

（2）粉质黏土过湿路堤填料掺灰难以拌均，黏土成块不易粉碎等施工过程中常出现的实际问题宜通过采用二次掺灰，即首次掺少量的石灰进行闷灰，使过湿黏土砂化，便于施工，再进行二次掺灰对土质改良，以保证灰土拌合质量。

（3）对于沥青路面，尽管改性沥青和SMA结构对于防治裂缝等病害有明显效果，但是优化路面层集料级配和控制油石比才是提高路面材料性能和减少施工变异性的根本措施。

[1]JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

[2]JTG F10—2006，公路路基施工技术规范[S].

[3]扬州市市政建设处，东南大学交通学院.扬州润扬北路延伸道路路基路面优化设计咨询报告[R].杨州，南京：扬州市市政建设处，东南大学交通学院，2010.