“石灰+ 固化剂”复合改良膨胀土边坡回填施工技术

张洋

（安徽省公路桥梁工程有限公司,安徽 合肥 230031）

1 背景介绍

膨胀土是一种遇水膨胀、失水收缩,并能反复胀缩变形的特殊黏性土,其主要由强亲水性黏土矿物成分如蒙脱石和伊利石等组成,具有较强的胀缩特性和裂隙性。膨胀土的反复胀缩变形特性会对公路工程造成严重的破坏,常常会使公路路基产生路基沉降开裂、唧浆冒泥、边坡滑塌等病害,甚至导致严重的工程质量事故。

针对膨胀土在工程应用中面临的问题,当前主要解决方法为对膨胀土进行外加剂改良,以此消除膨胀土的胀缩特性。外加剂种类多样,传统改性方案主要包括掺石灰、水泥、粉煤灰等改性方式,工程实际应用中较为普遍的是水泥及石灰两种改性方式。较为新型的改性方式中,国外研究以循环利用为原则,主要有有机物残渣,无机物废料（玻璃）,纤维等[8-10],国内主要有掺固化剂、环氧树脂、纤维以及复合掺料改性等方式。外加剂的改良机理主要分为物理改良、化学改良、生物改良等类型[1]。本文中采取“石灰+固化剂”复合改良方式,其中石灰改良主要通过石灰与土均匀拌合,石灰中有效物质与土中水,空气中CO2,发生了离子交换,凝胶反应等反应,使土体的膨胀土分散性、坍塌性、亲水性和膨胀性降低,黏聚力提高[2]。无机类固化剂与土壤中的水分发生反应,生成水化硅酸钙、水化硫酸钙和水化铝酸钙等凝胶成分,生成的胶凝成分一部分硬化形成骨架,一部分将土壤颗粒胶结并堵塞土壤的细微孔道结构,使得改良土的结构变得更加稳定密实[3]。

当前关于改良膨胀土施工技术的研究主要集中于石灰改良膨胀土的路基施工技术,主要包括施工工艺流程和质量控制措施两方面。石灰改良膨胀土路基施工工艺主要包括施工准备、膨胀土改良拌合、填筑与压实等环节,质量控制包括石灰消解、膨胀土沙化控制、压实度检测等[4]。对于改良膨胀土边坡的防护主要根据路基形式和高度,选取植草防护、骨架防护、支挡结构、宾格网以及以上方式结合防护等方式[5]。一种由锂渣、碱改性得到的改良膨胀土经工程应用验证了该种改良方式可有效减弱膨胀性,消除干湿循环带来的裂隙,提高水稳定性,并可满足工程所需强度要求[6]。

2 工程概况

本文以引江济淮工程新桥大道桥梁建设项目为例,该建设项目主桥两端土层中存在的一定厚度的膨胀土,其胀缩总率试验结果为4.89%,显示为中膨胀性,承台开挖后若直接利用原土料进行边坡回填利用会产生滑坡,坍塌等病害。

为使开挖出的膨胀土能够加以利用,成立课题对膨胀土改良开展了一系列试验研究。试验结果验证了“石灰+固化剂”复合改良方案对消除土样膨胀潜势的优越性,并得到了最佳掺量比。本文在课题试验研究成果基础之上,主要对“石灰+固化剂”改良膨胀土施工工艺和质量控制要点进行了阐述,见图1。

图1 边坡回填示意图

3 改良膨胀土施工技术

综合当前改良膨胀土施工技术相关研究,结合工程实际情况,本文对“石灰+固化剂”复合改良膨胀土的边坡回填技术进行了探究,并从原材料与室内试验、土料开挖运输及破碎、复合外加剂改性拌合、改性料摊铺及碾压及土工格栅施工五个方面进行了阐述,见图2。

图2 施工工艺流程图

3.1 原材料与室内试验

在使用生石灰与固化剂进行改良膨胀土施工之前,应先进行现场取样并开展室内试验。本文中选取的石灰为有效含量（GaO 和MgO）87%以上的Ⅰ级钙质生石灰,固化剂选用的是以二氧化硅和氧化钠为主要成分的无机类固化剂。

首先针对膨胀土素土开展一系列基本土工试验,得到土粒比重、液塑限、塑性指数、最大干密度、最优含水率、胀缩总率等参数。膨胀潜势的评价指标主要有自由膨胀率和胀缩总率[7]两种,由于自由膨胀率是表征土颗粒（粒径0.5mm 以下）的膨胀性,而胀缩总率是表征标准击实功状态下土样的膨胀潜势,更符合回填利用时土体实际受力状态,故本文采取胀缩总率作为评价指标。经50kPa 有荷膨胀试验和收缩试验,得到素土胀缩总率为4.89%,根据路基设计规范判定为中膨胀土,素土的试验数据如图3 和表1 所示。

表1 原膨胀土基本性质

图3 素土击实试验

在进行复合改良时,控制石灰掺量为4%,设置固化剂掺量分别为0.15%、0.2%、0.25%和0.3%。按照相关试验规程,进行石灰与固化剂复掺改性试验后,以压样法进行制样,开展50kPa 有荷膨胀试验及收缩试验。试验数据如图3 所示,当掺量为4%石灰+0.15%固化剂时,胀缩总率为0.69%,属于非膨胀土。选取4%石灰+0.15%固化剂复合改良土进行施工,对改良土进行击实试验,确定其最佳含水率和最大干密度,复合改良土相关试验数据见图4、图5、图6、图7 以及表2。

表2 改良土相关性质

图4 改良土击实试验

图5 有荷膨胀试验

图6 收缩试验

图7 胀缩总率

3.2 土料开挖运输及破碎

膨胀土在开挖、运输及堆放过程中需注意和其他非膨胀土进行区分,避免膨胀土与其他土混杂。开挖后的膨胀土堆放时,提前清理整平场地,划分单元网格进行放置。由于该项目膨胀土初始含水率较高,故在改性前,需经一次初步破碎、翻晒工序,该工序实现方法为在堆土场卸土后,用挖机将土体初步破碎并均匀堆放。这样一能尽快降低含水率以便后续进一步破碎,为改性拌合做准备；二能将膨胀土的大块土体在含水率较高时进行破碎,便于二次破碎时提高效率,且晾晒后土料含水率分布更均匀,有利于提升改良效果。

3.3“石灰+固化剂”改性拌合

本文所采取的石灰为有效含量（GaO 和MgO）87%以上的Ⅰ级钙质生石灰,固化剂选取的是以二氧化硅和氧化钠为主要成分的无机类固化剂。当膨胀土晾晒后含水率下降到一定程度时,开始进行改性拌合。石灰+固化剂改性土的拌合过程主要分为两个步骤。一是现将生石灰和膨胀土在不加水的条件下进行初步拌合,使膨胀土破碎更彻底且石灰分布均匀。二是将计算好量的固化剂与水混合均匀,将混合溶液用专用的喷洒设备均匀的喷洒在石灰膨胀土表面,一边喷洒混合液,一边通过路拌机械进行拌合。

3.4 改性土料摊铺及碾压

摊铺碾压前应建立试验段获得松铺厚度、施工含水率、压实度、压实机械参数等施工指标。通常控制松铺厚度25～30cm,压实度不小于95%,含水率为最佳含水率±2%。摊铺前应对路基边坡进行挖台阶以保证填料与老路基之间的衔接效果,台阶宽度1～2m,压实机械主要采用振动压路机,碾压前应对含水量和松铺厚度进行检查,满足要求后方可进行碾压。碾压过程中直线段按照由两边向中间,曲线段按照由内侧向外侧的顺序进行纵向进退式碾压。每一层碾压完成后必须进行压实度检测,合格后方可进行下一轮的摊铺和碾压。

3.5 土工格栅施工

土工格栅材料进场前应经检测机构质检合格后方可投入使用。土工格栅铺设前应对下层填料进行平整,碾压,并使压实度和平整度满足设计要求。土工格栅按每隔30～40cm 厚度向上铺设一层,纵向搭接长度不宜小于30cm,横向搭接长度控制在50～70cm,边坡处宜内缩10cm。铺设时应张拉平顺令格栅紧贴下承层,铺设方向与道路中线相垂直,且格栅不得裸露于坡面外。

4 施工质量控制

原膨胀土经一次初步破碎及翻晒后,当含水率降到10%以下时进行二次破碎。二次破碎需采取专用液压碎土机进行破碎,并对破碎土粒进行筛分和级配检测,合格后方可投入下一步使用。破碎后的土颗粒最大粒径不超过50mm,且粒径为5～50mm 的颗粒含量应小于50%[8]。施工拌合前对膨胀土的初始含水率进行测定,考虑第一步拌合中石灰掺量,控制施工含水率为实验室最优含水率±2%进行计算加水量。碾压完毕后,根据相关质量控制标准对边坡的压实度进行取样检测,取样数为每200 米取4 个点。土工格栅的搭接距离等指标进行2%取样率进行检测。直到上述各项指标满足设计要求后,才可进行下一层的摊铺碾压施工。

5 结论

本文介绍了当前膨胀土改良的主要方法、石灰与固化剂对膨胀土的改性机理以及当前改良膨胀土的相关施工技术。通过试验得到了素土及改良土的相关性能,并给出了“石灰+固化剂”改良的最佳复合掺量。基于复合改性方案,提出了“石灰+固化剂”改良膨胀土的边坡回填施工工艺和质量控制要点。目前,本文所依托项目的改良膨胀土边坡施工已经顺利完成。通过检查边坡位移及路基其他各项技术指标,发现均满足施工技术要求,成功表明该施工技术合理可行性,可为类型工程案例提供一定的参考价值。