改良滨海盐渍土路基填料试验研究与工程应用

巩伟，焦淑贤，汪日灯

(1.中交机场勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司)

1 引言

罗伯茨国际机场路基主要为盐渍土，其工程特性受温度及湿度影响较大，主要表现为难于碾压、强度较低、水稳性差。当温度或湿度变化时，盐渍土易发生盐胀，使土体表层结构破坏和疏松，造成路面溶陷、盐胀、腐蚀等病害。对于机场这种具有特殊使用要求的工程，较小的盐胀或溶陷会导致机场道面形成错台、断板等危害，严重时影响飞机飞行安全，因此，对罗伯茨机场盐渍土地基进行改良具有重要工程意义。

盐渍土是一种具有环境敏感性的特殊土，其工程性质受到广大学者及工程人员的关注，主要集中在3个方面：① 对盐渍土工程性质的影响因素进行分析。钱晓明等通过正交试验研究了压实度、含水率、含盐量及冻融循环次数对硫酸盐渍土强度特性的影响，发现盐渍土的黏聚力受上述因素影响较大，而内摩擦角变化不明显；吴亚平等研究了颗粒级配对粗粒盐渍土溶陷特性的影响，表明级配类型中粗颗粒的占比增大时，粗颗粒的骨架作用会抑制溶陷的发生，溶陷量会随之减小；② 利用室内试验及理论分析等手段揭示盐渍土盐胀变形机理。张俊等发现和田地区道面出现鼓胀、错台及断板的主要原因为道面结构层中的某一层发生了盐胀；张沛然等发现盐渍土在自然气候条件下的水-热场变化特征与盐胀变形规律，表明盐渍土可分为起步发展期、稳步发展期、快速发展期及塌陷变形发展期4个阶段；吕擎峰等采用核磁共振技术对固化盐渍土的微观结构特征进行检测，表明颗粒间的胶结情况对固化效果的影响远大于孔隙特征；③ 基于盐渍土盐胀变形机理，提出改良盐渍土工程特性的措施。周琦等对滨海盐渍土进行改良试验研究发现滨海盐渍土经石灰、水泥和SH综合固化处理后，其强度和水稳性能达到规范要求；张莎莎等分析了火山灰对盐渍土路基填料的作用机理，发现石灰或石灰+火山灰改良剂可显著减少砾砂类硫酸盐渍土的盐胀量，并降低盐胀敏感温度区间。上述研究虽在完善盐渍土溶陷、盐胀机理、促进盐渍土路堤路基技术等方面均取得了较为丰硕的成果，但关于道面平整度要求严格的机场盐渍土路基方面的研究鲜见报导，且较少关于盐渍土地基改良的工程案例研究。

鉴于此，该文开展不同石灰、粉煤灰掺量下盐渍土的击实、CBR及无侧限抗压强度试验研究，对比分析滨海盐渍土机场路基的改良方案，基于效益-费用比优选最佳石灰、粉煤灰掺量，并对改良盐渍土路基含盐量、压实度等改良效果进行检测，以期为类似盐渍土路基改良提供理论及实践参考。

2 试验设计

2.1 试验方案

采用罗伯茨国际机场盐渍土作为试验的原材料，研究石灰、粉煤灰对盐渍土工程特性的改良效果，试验方案见表1。为降低试验误差，各组试验做3组平行试验，试验结果取3组试验的平均值。

表1 试验方案

注：石灰及粉煤灰含量为石灰及粉煤灰占盐渍土试样的质量百分比。

2.2 试验方法

(1)重型击实试验

试样采用干法制备，将风干土样放在橡皮板上碾散后过5 mm筛，按照试验方案拌和特定质量的石灰与粉煤灰，按预估最优含水率制备一组含水率相差约2%的试样，装入塑料袋中静置24 h以上，然后采用重型击实标准分3层进行击实，测定最大干密度和最优含水率，并为其他工程特性试验做准备。

(2)CBR试验

采用路面材料强度仪测试改良盐渍土的CBR值，采用击实试验制成最优含水率的试样。试样浸水24 h后测其膨胀量，再将泡水后的试样在特定荷载下进行贯入试验，转动手轮使贯入杆以1.25 mm/min的速度压样，测记百分表读数。

(3)无侧限抗压强度试验

采用应变控制式无侧限抗压强度仪开展改良盐渍土的无侧限抗压强度试验，通过数显式压力试验机分3层制作直径40 mm，高100 mm的无侧限抗压强度试样。试验过程中，以轴向应变0.1 mm/min的转速转动手轮，记录百分表读数，当百分表达到峰值或读数稳定时，继续试验一直到5%应变值后停止试验，控制试验时间在20 min内。

3 试验结果与分析

3.1 最佳含水率与最大干密度

表2为石灰、粉煤灰改良盐渍土的最佳含水率与最大干密度。

表2 改良盐渍土击实结果

由表2可知：不同石灰、粉煤灰掺量下，改良盐渍土的最佳含水率变化范围为17.1%～19.6%，最大干密度变化范围为1.53～1.75 g/cm3；石灰掺量一定时，改良盐渍土的最佳含水率随粉煤灰掺量的增加而升高，最大干密度随粉煤灰掺量的增加而减小；粉煤灰掺量一定时，石灰掺量越高，改良盐渍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，是衡量路基填料强度的重要指标。经石灰及粉煤灰改良后的盐渍土CBR值见表3。

表3 改良盐渍土CBR试验结果

由表3可知：各组方案盐渍土无龄期下CBR值均在31%以上，7 d龄期下CBR值均高于45%；石灰掺量一定时，无龄期及7 d龄期的土体CBR值均与粉煤灰掺量呈负相关关系，粉煤灰掺量越高，CBR值越小；不同方案下改良盐渍土7 d龄期CBR值均比无龄期CBR值高出10%，其中石灰掺量与粉煤灰掺量均为6%的方案下，7 d龄期CBR值达到最大，无龄期CBR值为42.16%，7 d龄期下CBR值为62.26%；石灰掺量由3%增加至6%时，盐渍土的7 d龄期CBR值增长幅度大于15%，而石灰掺量再增加时，盐渍土的CBR值不升反降。

3.3 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度指土在无侧限条件下抵抗轴向压力的极限强度，可作为评价改良盐渍土强度特性的指标，能够快速地反映其抵抗破坏的能力和特性。经过7、28、90及180 d的养护后分别对其进行无侧限抗压强度试验，结果见表4。

由表4可知：盐渍土的无侧限抗压强度随龄期不断增长；石灰掺量越高，盐渍土的无侧限抗压强度越大；石灰掺量一定时，早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低，最终的强度随粉煤灰掺量的增加而升高，表明粉煤灰可抑制盐渍土的早期强度，而提升盐渍土的最终强度。其原因为粉煤灰虽具有活性，但本身并不具水硬性，与水拌和后亦无法产生一定的强度，但随着养护龄期的增加，随着粉煤灰的增加，盐渍土强度明显增大。

表4 改良盐渍土无侧限抗压强度试验结果

4 工程应用

4.1 工程概况

罗伯茨国际机场是利比里亚共和国最主要的国际机场，位于该国首都，是西非最大机场之一。但在内战期间，机场受到严重破坏。目前设施陈旧，规划混乱，跑道、滑行道破损严重，严重影响飞机的起降安全，亟需对机场进行升级改造。利比里亚罗伯茨国际机场改扩建项目的实施将会大大改善机场安全通航条件。

罗伯茨国际机场现有04/22号沥青跑道长3 353 m、宽45 m，两侧设有7.5 m宽的道肩，飞行区等级为4E。连接跑道和机坪的滑行道系统包括4条联络滑行道。此次机场修复工程主要包括原有跑道道面修复，新建联络道及跑道04端掉头坪工程，道面均采用沥青混凝土结构。经过现场勘察，项目所处场地土大部分为盐渍土。

4.2 盐渍土地基改良方案分析

关于盐渍土地基处理的方法有很多种，例如换土法、化学处理法、强夯法、土工聚合物加筋法、碎石桩法等，归纳各方法的适用性和局限性见表5。

根据现场场地情况及对原有道面利用程度，该工程拟采用换土法和固化剂法两种方案。为保证工程质量，同时降低成本，经过技术经济比选后确定，对于机场跑道滑行道出现严重损毁的部分进行路面全部挖除，挖除部分回填碎石基础，然后对路面重新铺装。对于新建跑道滑行道部分基础，由于面积较大，统一采用石灰粉煤灰对盐渍土地基进行改良。

表5 盐渍土地基改良方法比较

4.3 效益-费用比分析

改良盐渍土的强度反映的是土体抵抗外荷载的能力，而无侧限抗压强度可准确地反映强度特性，故可采用无侧限抗压强度作为盐渍土路基改良效益的评价指标。此外，改良盐渍土是一个过程，不宜采用初期强度，而龄期比较长的强度又和现代交通建设采用的更快的开放交通相违背。综合考虑，采用改良盐渍土28 d的无侧限抗压强度作为评价指标，见表6。

表6 不同方案下改良盐渍土28 d无侧限抗压强度

由表6可知：石灰掺量为3%、粉煤灰掺量为9%时，改良盐渍土28 d的无侧限抗压强度最低(1 MPa)；石灰掺量为10%、粉煤灰掺量为30%时，改良盐渍土28 d的无侧限抗压强度最高(2.37 MPa)。

为了简化计算，仅考虑材料费用。根据调查，石灰价格约60元/t，粉煤灰25元/t。现计算10 000 t土方的费用。以石灰掺量3%，粉煤灰掺量3%为例，10 000 t土方需要石灰300 t，粉煤灰300 t，费用为2.55万元。按照此方法依次计算费用见表7。由表7可知：不同方案的费用随石灰及粉煤灰掺量的增加逐渐提高，石灰掺量3%，粉煤灰掺量3%时，费用最低为2.55万元；石灰掺量10%，粉煤灰掺量30%时，费用最高为13.50万元。

为综合考虑效益及费用要求，定义效益-费用比(η)作为综合评价指标。效益-费用比按式(1)计算：

η=σ/C

(1)

式中：η为效益-费用比；σ为28 d的无侧限抗压强度；C为材料费用。

表7 不同方案费用

效益-费用比计算结果见表8。由表8可知：方案A1、A2、B1的效益费用比为0.3以上，其余均小于0.3。综合考虑改良盐渍土无侧限抗压强度、CBR值及经济性，同时利用盐渍土改良后填筑地基，可以很大程度地减少淤泥弃运及土方运输过程中对道路环境的影响，以及取土及弃土对生态环境的影响，具有一定的社会环境效益。综上所述该项目最终选择方案B1(石灰掺量为6%、粉煤灰掺量为6%)作为改良盐渍土的最佳方案。

表8 不同方案效益-费用比

4.4 效果评价

(1)含盐量检测

在项目施工过程中，加强对盐渍土及固化剂均匀性的检测，对于道床以下的盐渍土，采取每1 000 m3随机抽查1组；对于道床以上的每500 m3随机抽查1组，每组采用3个土样进行分析。对于检测过程中发现改良未达标或者改良不均匀的盐渍土，须进行重新处理，以保证道床部分盐渍土分布均匀。

(2)压实度检查

盐渍土改良地基的压实情况是施工过程中非常重要的一个环节。影响压实度的主要因素包括：填料的粒径、含水率、每层的压实厚度、压实机具、压实遍数等。在施工过程中，碾压采用20 t龙工QX520振动碾，激振力为351/200 kN,振动碾的行驶速度控制在1.5～2.0 km/h，碾压遍数为4、6、8遍。经过现场检测，压实度均大于98%，满足规范要求。

(3)改良效果检验

经过对已经完工部位的跑道、滑行道道肩及场区道路的连续观测，在飞机或者车辆的频繁作用下，道面基础没有出现鼓胀开裂，塌陷变形；道肩道面未出现松散剥蚀；飞行场区未出现翻浆等病害。

5 结论

为改良滨海盐渍土机场路基填料工程特性，进行不同石灰、粉煤灰掺量下盐渍土的击实、CBR值及无侧限抗压强度试验，并分析滨海盐渍土机场路基的改良效果，得到以下结论：

(1)石灰掺量一定时，改良盐渍土的最佳含水率随粉煤灰掺量的增加而升高，最大干密度随粉煤灰掺量的增加而减小。

(2)改良盐渍土无龄期下CBR值均在31%以上，7 d龄期下CBR值均高于45%，石灰掺量大于6%时，盐渍土的CBR值不升反降。

(3)盐渍土的无侧限抗压强度随龄期不断增长，粉煤灰会抑制盐渍土的早期强度，而提升盐渍土的最终强度。

(4)综合考虑社会环境、地质情况、施工难易性及经济要求等因素，确定采用固化剂法对盐渍土进行改良。通过CBR试验、无侧限抗压强度试验及经济效益分析，确定石灰、粉煤灰最优配比。经工程应用验证，采用石灰、粉煤灰改良盐渍土路基切实可行，研究成果可为滨海盐渍土路基改良提供理论指导。