固化废弃细粒土在路基工程中的应用

解子良， 曹凯， 黄志义

（浙江大学交通工程研究所，杭州 310058）

0 引言

随着经济社会发展，杭州湾地区道路工程建设规模巨大，对路基填料需求仍十分旺盛。传统宕渣、塘渣路基填料资源日益不足，而杭州湾地区存在大量的疏浚淤泥、基坑弃土等废弃细粒土。研究和开发新型细粒土固化技术［1-4］，将这些废弃细粒土处理后用作路基填料，不仅可解决杭州湾地区路基填料不足的问题，又能变废为宝，保护环境，集约节约资源，具有十分显著的社会经济效益和环保意义［5-7］。张更生等［8］通过添加3%～12%的水泥来稳定疏浚吹填粉土，发现稳定过程中塑性指数、液塑限、密度和强度都呈上升趋势，当水泥掺量为12%时，14d的强度可达到28d强度的97%，可用作路基填料。李俊哲和方光秀［9］研究了硅粉—粉煤灰的掺量和龄期对水泥稳定土强度的影响，结果发现二者均可提升稳定土的抗压强度，且硅灰可以大幅度提升稳定土的早期强度。可比水泥土的强度提升15.3%～62.4%不等。Garzón等［10］使用石灰稳定粘土，发现使用3%的石灰稳定千枚岩粘土便可提高土壤的承载力，并会导致其塑性指数降低。使用千枚岩粘土-石灰混合物进行土方路基施工，可以有效减薄结构层厚度。为了进一步研究固化废弃细粒土的路用性能及验证室内试验的结论，于湖州市南浔区某农村公路工程项目铺筑了170m固化细粒土作为路基填料的试验路段。

1 工程概况

试验段依托工程为湖州市南浔区某农村公路工程，设计标准为三级公路，全长1.671km，路基设计宽度8.5m（2 车道×3.75m+2×0.75m 土路肩），路面宽度7m，无中央分隔带。工程沿线土质以淤泥质粉质黏土、粉质黏土为主。

试验段k1+150～k1+230 路段原地面为鱼塘，k1+230～k1+320 原地面属于稻田，两段土基含水率较高，属于软土地基，按照设计要求进行了翻晒、换填处理。该试验路段属于填方路段，路基填筑厚度普遍≥80cm。原设计路基填料为≥80cm宕渣，试验路道路结构设计方案为在保证其他结构层厚度不变情况下，用固化废弃细粒土路基填料代替宕渣。

图1 试验段道路结构示意图

路基设计要求：对原地面清表，清表厚度不小于20cm。挖方路段，反挖至路槽以下80cm。清表或反挖后的土基回弹模量不低于35MPa，压实度不低于85%，若不满足要求，翻晒补压、掺灰或换填碎石处理。对于试验段范围内的填塘路段，采用抛石和宕渣填筑处理。路基填料采用固化废弃细粒土路基填料，厚度≥80cm。

2 固化土废弃细粒土路基填料施工配合比设计

土来自南浔区附近疏浚土。天然状态下土体含水率较高，呈可塑状态，经晾晒后的土呈灰黄色，干硬度及韧性高。采用能谱仪对土样的元素进行半定量分析，结果见表1。按照JTGE 40-2007《公路土工试验规程》，取足够数量的代表性土样进行了基本物理指标分析，结果见表2，筛分试验结果表明小于0.075mm的颗粒质量为68%。pH 测试结果表明土体呈酸性。承载比试验表明未经固化的疏浚土不满足公路路基填筑要求，不能用作路基填料。

表1 疏浚土化学元素组成 %

表2 湖州疏浚土基本物理指标

依据JTGE 51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，考虑技术经济性和实际土质特性，试验段的固化材料组分使用课题组自行研发的ICSS 组分方案确定，主要材料为水泥、石灰、粉煤灰和添加剂等。ICSS 复合固化剂（微米级粉末状固化剂）掺量比分别选择3%、5%、7%和9%，在最佳含水量条件下进行压实试验（最佳含水量和最大干密度见表3），压实度均为96%。

表3 不同掺量固化土混合料的击实试验结果

依据各掺量水平下固化土混合料的最大干密度和最佳含水率制备试件，并测试其无侧限抗压强度和CBR 值，结果见表4。试验结果表明，经7%掺量主固化剂固化的疏浚土可以满足上路床要求，5%主固化剂固化后的疏浚土可以用作除上路床以外路基的其他结构。

表4 不同掺量固化土混合料的强度特性

3 试验段施工方案与成本分析

3.1 施工工艺流程和施工机械

试验段规模较小，采用路拌法施工。固化废弃细粒土路基填料施工工艺流程为：施工准备-测量放线-自卸车配合装载机备土和上料-挖机配合人工摊铺-铧犁和小宝马翻晒（人工清除土中大的块石和杂物）-含水率和粒径检测-挖机配合固化剂撒布-小宝马拌和固化土-压路机稳压配合平地机进行固化土整平-振动压路机初压、复压、三轮压路机碾压成型-含水率检测-洒水车洒水养生-质量检查验收合格后进行下一层施工。

3.2 施工方法

3.2.1 施工放样

（1） 施工前放样。设定标高基准点，按照路基填筑常规要求进行路基边线和标高测量放样，每20m为一个测量断面，设立中线桩和路基两侧的边线桩。

（2） 松铺后测量。根据试验段测得松铺厚度系数，需要根据现场情况确定松铺厚度。

（3） 施工后测量。确定与设计标高的误差，误差超过允许值的时候进行调整。

3.2.2 现场备料对进场的土和稳定剂原材料进行自检或抽检

根据填筑厚度和松铺系数，采用挖掘机配合自卸车将填料土运输至指定位置。袋装的稳定剂按照不同部位的需要掺量进场，并放置在指定位置，需要防雨防潮，雨天用防雨布盖上，晴天打开防雨布避免稳定剂受潮。运输过程中注意混合料的覆盖，进出现场时的车身轮胎应清理，避免滴漏抛洒，影响市区环境。

3.2.3 拌和与摊铺

上土时测量人员打好石灰线方格，格子尺寸为1.8×2.2m（横向×纵向），每个格子里放一包稳定剂。土和稳定剂摊铺结束后，开始用旋耕机进行拌和。旋耕机从两边向中间依次翻拌，每次拌和重叠翻拌1/3，拌和遍数3遍以上，拌和深度应打入下承层5～10mm，以利于下层粘结。

3.2.4 碾压与成型

振动压路机初压，复压，终压—压实度检测—洒水车洒水养生—质量检查验收合格后进行下一层施工。碾压的具体要求如下：

（1） 路拌完成后，先用振动压路机静压一遍，再开振动模式碾压两遍。路基填筑采用水平分层填筑法施工，分层厚度一般宜不大于20cm，检测每层压实厚度、压实度、纵断高程、横坡、边坡、平整度、中线偏位、宽度，符合要求后才可再填上一层，最后一层填筑需要检测弯沉值，并需满足其他相关设计要求。

（2） 施工时应当经常观察天气，若有下雨迹象，应将土（不掺稳定剂）静压，并留2%横坡排水。

（3） 最佳含水率控制。应控制在最佳含水率或高于最佳含水率2～3个百分点范围时碾压。

（5） 养生。稳定土路基碾压成型后，养护期不宜少于7d，洒水并始终保湿以土工布、塑料薄膜或其他覆盖物覆盖，养生期间及未达到强度要求之前，除洒水车外，不得通行其他车辆。稳定土路基施工时，下层碾压完后应保持湿润状态再施工上层。

3.3 成本分析

应用成果对建筑弃土进行处理并应用于道路路基填筑，与采购宕渣和天然土石相比，可节省大量费用。具体测算：按照无机复合固化剂的推荐掺量平均约为5%计算，每立方淤泥和建筑弃土的稳定处理平均成本约为180 元（含稳定材料、人工机械费、摊铺施工费）。目前湖州采用宕渣路基，宕渣市场采购单价约132元/立方，摊铺施工费20元/立方，合计152元/立方，废方单价为80元/立方。每立方建筑弃土、疏浚淤泥或桩基孔渣采用复合稳定处理，并利用于路基填筑，可以节省费用52元/立方。

4 路面结构优化作用的数值分析

由于我国道路在进行设计时，要求道路的各个结构层在车辆荷载作用下处于弹性工作阶段，即当车辆荷载卸去后路基路面发生的变形可以恢复，因此计算路基路面各结构层均假设为理想线弹性体。路基工作区深度一般为1.5m，故土基厚度取70cm。施工结束后，对固化废弃细粒土路基的顶面回弹模量进行了测定，路基顶面回弹模量代表值为58.5MPa。各个结构层的厚度和弹性参数见表5。

表5 各个结构层的厚度和弹性参数

计算模型的车辆轮胎荷载按照BZZ-100 标准轴载，轮胎接地压力为0.7MPa，当量圆直径D 为30cm。计算模型为二维模型，模型尺寸为宽×高=1.6m×1.9m，如图3（a）所示。网格划分如图3（b）所示。

图3 计算模型和网格

图4为路基回弹模量分别为40MPa（普通路基）和58.5MPa（固化废弃土路基）时，各个结构层的顶面的弯沉值。图5为路基模量对各结构层层底弯拉应力的影响。

图4 路基模量对道路结构层弯沉值的影响

图5 路基模量对层底弯拉应力的影响

对比两种路基的各个结构层的力学响应可以发现，当采用固化废弃细粒土作为路基时，由于路基回弹模量较高，致使路面各个结构层的竖向变形和层底弯拉应力都减小，因此，在之后的设计时可以考虑减薄基层等路面结构层的厚度。

5 结语

文中将固化废弃细粒土路基填料应用于湖州市南浔区某农村公路工程，经工后对路基压实度、回弹模量和弯沉等指标的检测，表明固化废弃细粒土路基填料完全满足路基设计要求，可用于路基工程中；并总结固化废弃细粒土路基填料的配合比设计过程、施工工艺和施工机械设备；同时通过数值计算简要分析了固化土废弃土路基填料对道路结构的优化作用，结果表明固化废弃细粒土路基填料可以有效降低路表面的弯沉值和路面各结构层的层底弯拉应力，在之后的设计过程中可以适度地减薄路面结构。