路基换填技术在公路工程中的应用

苗国军

（甘肃恒和交通工程科技开发有限公司， 甘肃 兰州 730070）

公路项目的路基决定着整个工程的质量。 甘肃地区存在湿陷性黄土地质， 此类土质通常被认为是不良路基填料， 难以在工程中直接使用[1]。 考虑到工程造价问题， 将现有黄土改良， 对路基进行换填具有实际可行性[2]。 本文研究湿陷性黄土的路基换填技术， 通过界限含水率试验、 无侧限抗压强度试验和抗剪强度试验， 对利用石灰和水泥进行改良的实际可行性进行论证和分析。 最后， 在实际工程项目中进行验证， 也为类似工程提供参考。

1 改良黄土路基填料研究

甘肃地区的黄土具有湿陷性， 湿陷性黄土通常被认为是不良路基填料。 但是， 考虑到填料成本问题， 项目使用基于黄土的改性填料（或称为改良黄土填料） 进行换填。 为了对基于黄土的改性填料的性能进行研究， 以湿陷性黄土作为样本， 通过不同配比的石灰和水泥为改良剂， 对湿陷性黄土进行改良， 改良用的石灰为Ⅱ级钙质生石灰， 改良用的水泥标号为P·O42.5。

1.1 界限含水率试验

将黄土样本碾碎烘干， 用0.5 mm 孔径的滤网筛选。 分别用器皿将黄土样本和石灰进行充分混合， 调成膏状， 放入保湿设备中， 24 h 后进行试验[3]；而对于水泥改良后的黄土样本， 则应在膏状样本保湿24 h 后， 并且在试验前0.5 h 添加预先设定配比的水泥， 充分搅拌， 混合均匀。 其中， 石灰改良后的黄土样本中的石灰配比为3%、 5%、 8%、 10%和12%； 水泥改良后的黄土样本中的水泥配比为2%、4%、 6%、 8%和10%。 界限含水率曲线分别见图1和图2。

图1 石灰改良后的黄土样本的界限含水率曲线

图2 水泥改良后的黄土样本的界限含水率曲线

石灰和水泥掺入黄土后， 其颗粒会与黄土颗粒产生离子作用， 改变黄土内部黏结颗粒的大小， 构造出更为稳固的颗粒结构[4-5]。 对于石灰改良后的黄土样本而言， 液限、 塑限和塑性指数均得到了较大的提升。 石灰配比在3%～8%时， 提升效果较为缓慢； 石灰配比在10%～12%时， 提升效果较为显著。对于水泥改良后的黄土样本而言， 塑限、 液限和塑性指数也均得到了稳定提升， 且其改善效果要优于石灰改良后的黄土样本的改善效果。 整体而言， 经过石灰改良或者水泥改良后的黄土， 其湿陷性得到了改善， 提高了作为路基填料的可能性。

1.2 无侧限抗压强度

石灰或者水泥与黄土的配比， 是影响无侧限抗压强度的关键因素。 湿陷性黄土中大量存在胶着状态的氧化铝和氧化硅， 加入石灰或者水泥后， 会产生灰结效应， 形成铝酸钙、 硅酸钙和碳酸钙等强度较高的物质， 可以加强黄土颗粒的强度[6]。 进行抗压强度试验的黄土样本， 用2 mm 孔径的滤网进行筛选即可。 仍然选择石灰配比为3%、 5%、 8%、10%和12%， 水泥配比为2%、 4%、 6%、 8%和10%，进行对比研究。 试验样本需要制作成直径为5 cm、高度为5 cm 的圆柱体， 用静力压实法将样本压实。样本的压实度应超过96%， 然后养护7 d， 进行无侧限抗压强度试验， 得到不同配比的石灰改良后的黄土样本或水泥改良后的黄土样本的应力与应变的关系曲线， 分别见图3 和图4。

图3 石灰改良后的黄土样本的应力与应变的关系曲线

图4 水泥改良后的黄土样本的应力与应变的关系曲线

由图3 可以看出， 石灰改良后的黄土表现出一定的应变硬化特性， 改良后的黄土的强度随着石灰配比的增大而逐步增大； 在达到峰值时， 强度不再变化， 此时表现出一定的脆性， 其试样的抗压破坏形态是典型的哑铃型破坏， 这种脆性随着石灰配比的增大呈现出逐渐增大的趋势。 因此， 对于改良黄土填料而言， 并非石灰配比越高越好， 在实际施工中， 推荐采用配比为8%的石灰改良黄土填料。

由图4 可知， 水泥改良后的黄土的强度在达到峰值后， 会有一个略微下降的阶段， 然后才逐渐保持稳定， 即存在着应变软化现象。 在试验侧压破坏后的断面， 可以看到明显的剪切带。 同样地， 随着水泥配比的增大， 改良黄土填料的脆性也呈显著增大的趋势， 综合成本因素考虑， 工程项目实际施工中适宜采用水泥配比为6%左右的改良黄土填料。

图5 为石灰、 水泥改良后的黄土样本的无侧限抗压强度与配比的关系。

图5 石灰、 水泥改良后的黄土样本的无侧限抗压强度与配比的关系曲线

随着石灰配比或水泥配比的逐步提高， 石灰、水泥改良后的黄土样本的无侧限抗压强度呈现逐渐增大的趋势。 石灰改良后的黄土样本的无侧限抗压强度明显低于水泥改良后的黄土样本的无侧限抗压强度。 石灰配比为3%时， 改良后的黄土的无侧限抗压强度为0.739 MPa， 大于0.5 MPa， 可以作为高速公路的路基填料使用。 石灰配比达到8%后， 改良后的黄土的强度提升变缓， 而且将变得不经济。因此石灰配比选为5%或8%比较合适。

相比较而言， 水泥改良后的黄土的无侧限抗压强度提高非常显著， 且与水泥配比呈近似线性关系。 水泥配比大于2%时， 水泥改良后的黄土的无侧限抗压强度均远大于0.5 MPa， 均可作为高速公路的路基填料使用。

2.3 抗剪强度

同样按照上述试样制备方法， 对改良后的黄土填料的抗剪强度进行试验， 抗剪强度以剪切应力表征。 剪切试验前， 采用击实仪设备， 将样本制作成直径为6.2 cm、 高度为2 cm 的切削样本， 养护7 d。剪切试验装置的竖直剪切应力设为200 kPa， 得到3%、 8%和12%石灰改良黄土填料的剪切应力与剪切位移的关系， 见图6。

图6 石灰改良后的黄土样本的剪切应力与剪切位移的关系曲线

石灰改良后的黄土填料， 其抗剪强度存在一个明显的峰值， 配比越高， 抗剪强度峰值越大。 在各自抗剪强度达到峰值前， 改良黄土的抗剪强度特性曲线近似为一条直线， 剪切应力与剪切位移近似线性关系， 此阶段的改良黄土填料在剪切应力的作用下， 剪切变形是塑性变形， 试样不会被破坏； 达到强度峰值后， 抗剪强度经过一个下降的过程， 然后才逐渐趋于稳定， 此时改良后的黄土填料具有一定的脆性[7]， 在此阶段， 继续增大剪切应力， 试样就会被剪断破坏。 同样地， 随着配比的增大， 前期的塑性强度呈现出逐渐增大的趋势， 而脆性也随着配比的提高而逐渐增大， 因此， 选择石灰配比8%左右的改良黄土填料， 综合性能最优。

2 黄土路基现场换填试验

经过对改良黄土填料的各项测试数据进行对比，选定石灰配比5%和8%的改良黄土填料以及水泥配比4%和8%的改良黄土填料， 用于现场换填试验。

在试验过程中， 先对路基的下层进行夯实处理。 处理完毕后， 按照测量和放样规划， 将施工面划分为网格单元。 在独立的施工段， 将改良黄土填料逐层摊铺， 严格控制填料的含水率[8]。 施工机械在逐层摊铺、 整平后， 配合振动压实机械进行压实， 及时跟进含水率、 压实度的检测。

2.1 石灰改良黄土填料用于路基换填

现场用于路基换填的5%石灰改良黄土填料，测得平均干密度为1.894 g/cm3， 最佳含水率为9.7%；8%石灰改良黄土填料， 测得平均干密度为1.926g/cm3，最佳含水率为11.5%。 在施工过程中， 每层摊铺厚度为30 cm， 经过3 次碾压后， 用灌砂法检测路基的压实度， 得到石灰改良后的改良黄土填料的压实度数据，见图7。

图7 石灰改良后的改良黄土填料的压实度

经过3 次碾压后， 路基的压实度均超过94%，所换填的改良黄土路基符合规范要求； 经过5 次碾压后， 路基的压实度已经超过96%； 经过6 次碾压后， 路基的压实度超过97%， 工程质量良好。 在工程质量方面， 8%石灰改良黄土填料优于5%石灰改良黄土填料。

2.2 水泥改良黄土填料用于路基换填

现场用于路基换填的4%水泥改良黄土填料，测得平均干密度为1.876 g/cm3， 最佳含水率为10.6%；8%水泥改良黄土填料， 测得平均干密度为1.945g/cm3，最佳含水率为12.3%。 在施工过程中， 每层摊铺厚度为30 cm， 经过3 次碾压后， 用灌砂法检测路基的压实度， 得到水泥改良后的石灰改良后的改良黄土填料的压实度数据， 见图8。

图8 水泥改良后的石灰改良后的改良黄土填料的压实度

经过3 次碾压后， 路基的压实度均达到94%以上， 所换填的水泥改良黄土路基符合规范要求； 经过4 次碾压后， 路基的压实度已经达到96%； 经过6 次碾压后， 4%水泥改良黄土填料路基的压实度超过97%， 6%水泥改良黄土填料路基的压实度超过98%， 施工效果良好。 与石灰改良后的黄土填料相比， 经水泥改良后的黄土填料的性能更优。

3 工程应用实例

甘肃省西和至宕昌高速公路项目， 路线起于陇南市西和县石峡镇， 以枢纽立交与G7011 十天高速公路（湖北十堰至甘肃天水） 相接， 经陇南市西和县大桥镇、 蒿林乡， 陇南市礼县雷坝镇、 滩坪镇、白河镇、 陇南市宕昌县韩院乡、 南阳镇， 止于陇南市宕昌县临江铺镇， 以枢纽立交与G75 兰海高速公路（甘肃兰州至海南海口） 相接， 线路全长100.494 km。设特大桥和大桥共64 座， 中桥共14 座， 涵洞55道；隧道16 座； 互通式立交7 处； 桥隧比为78%； 路基宽度25.5 m 的双向四车道高速公路标准， 项目概算总投资189.799 亿元， 建设工期4 年。 该高速公路经过部分湿陷性黄土地段， 路基需要进行换填处理。 其中， 西和县区域内路段的湿陷性黄土用配比为8%的石灰改良黄土进行换填； 宕昌县区域内由于黄土的湿陷性更严重， 采用配比为8%的水泥改良黄土进行换填。 经过建设单位、 设计单位和监理单位共同认可， 路基工程顺利通过验收， 质量达标。

4 结论

结合甘肃省西和至宕昌高速公路项目， 对路基换填技术进行研究， 得到如下结论。 一是对湿陷性黄土， 利用石灰和水泥进行改良， 效果良好， 改良后的黄土填料可以作为公路的路基填料。 二是改良后的黄土填料， 其抗压强度和抗剪强度均随着石灰或者水泥配比的提高而逐渐增大。 但是， 其抗压强度和抗剪强度， 在经过塑性增长阶段后， 都存在脆性。 选择适中的配比， 更能发挥出改良黄土填料的综合性能。 三是在现场路基换填试验中， 改良黄土填料经过3 次碾压后， 路基的压实度均超过94%；经过5 次碾压后， 路基的压实度均超过96%。 与石灰改良后的填料相比， 经水泥改良后的黄土填料，其综合性能更优。 四是实际工程应用了配比为8%的石灰改良黄土填料和配比为8%的水泥改良黄土填料对不同路段进行路基换填， 路基质量达标， 工程验收合格。