无机结合料砂砾基层在高等级公路软土地基中的应用

【摘要】：益沅高等级公路地处洞庭湖冲积平原上，主要为软性土壤地基。地基的稳定性成为工程质量的关键，影响等级公路的使用寿命。本文介绍无机结合料砂砾基层在高等级公路软土地基中的施工应用技术。

【关键词】无机结合料；砂砾基层；软土地基；稳定性；承载力

Inorganic Binder Sand Gravel Base to the Application ofSoft Soil Foundation of High-grade Highway

Zheng Hengliang

(China railway bureau group twelve first engineering Co., LTD, ShanxiLinfen, 041000)

[Abstract] The Yiyang to Yuanjiang of High-grade Highway lies in the alluvial plain of the lake of Dongting, mainly soft soil foundation. The foundation stability is the Key Point in the Quality of Engineering Projects, and also influence the high-grade highway of the Service Life. The paper introduce inorganic Binder Sand Gravel Base to the Application of construction technology of Soft Soil Foundation of High-grade Highway

[Key words] inorganic binder；sand gravel base; soft soil foundation ;stability; carrying capacity

1 工程概况

益沅高等级公路是联系益阳市与沅江市的交通干道，也是湘北的一条交通要道。它的建成对于完善益阳市交通布局，改善洞庭湖区交通条件，提高湖区抗洪抢险能力，对加快区域经济的发展都具有十分重要的意义。益沅高等级公路地处洞庭湖冲积平原上，位于Ⅱ级阶地，地势比较平坦开阔，其上部一般为软可塑的淤泥质粘土、可塑状为主的粘土及细砂层，力学性质差，承载力较低，主要为软性土壤地基。路面高程为26~32m之间，设计标准为路 面宽度为2×（净11+2×0.5）m，设计荷载汽车―超20级，挂车―120，区域内地震动峰值加速度为0.05g。

2.无机结合料砂砾基层的特性

地基是路基路面的基础，要求具有一定的承载能力和水稳性。软土地基承载力低，强度增长缓慢，具有渗透性小、触变性及流变性大的特点。路基填筑后在附加荷载作用下易产生不均匀变形，且变形速率大，所需稳定时间长，因此软土地基处理的好坏对路基路面的稳定性具有根本性的影响。常用的地基处理方法有预压法、置换法、搅拌法，可归纳为深层处理和浅层处理两种。其中深层处理成本较大，同时会对原地基产生扰动，再若施工工艺不过关，则难以起到效果，比如长江下游某船闸闸底板下粉喷桩基础工程甚至出现了粉喷桩施工后地基承载力下降的现象〔1〕。本文旨在研究当软土具有一定的承载力，填土高度不高且路基填筑不高于极限高（可根据地层情况进行计算，一般不超过3m～6m时），采用无机结合料稳定砂砾基层在原地面处理后的高等级公路路面基层结构，属于半刚性基层，它的强度较高，强度发展得快，其刚度和分布荷载能力及水稳性和隔温性也比较好，使之形成一硬壳层的方法，从而使路基在全宽范围内以板体的形式承受和传递荷载，以达到简化施工和节约投资的目的。并能充分利用当地资源及其它较次材料和工业废渣，有利于机械化施工和工厂化生产，因此它在道路建设中有着很强的生命力。

3.无机结合料砂砾基层地表处治层的作用

对于一般的粉土、粘土路段，地表土含水量较高，不易达到压实度要求，在路基填筑前进行原地面碾压时易出现软弹现象。当路基填土高度不高时，路基设计一般根据土基承载力、 含水量、土质等情况进行处理。通常先采取晾晒回填、掺砂砾石、石灰、水泥等措施以降低土体含水量，增加地基承载力；再采用石灰土分层填筑和分层压实，从而形成硬壳层。土料掺石灰进行改良的机理为：掺入石灰后可以改变土的塑性性质，使土颗粒成团变粗，土的塑性范围变宽，塑限提高，从而改变土的状态，也使土的压实性质有较大改善。此外，石灰的碳化和氢氧化钙结晶作用把土层胶结成为整体，使之具有一定的强度，可以提高整体稳定性。

3.1无机结合料砂砾基层地表处治层呈半刚性，初期无板结，随着时间的增长和强度的形成，逐渐板结，形成硬壳层。由于石灰土硬结成板体后，在行车荷载作用下本身不会再产生固结压缩形变，路基的沉陷仅由地基在附加荷载作用下的固结沉降产生；同时，板结层具有一定的抗弯拉模量，能抵抗变形，使路基荷载均匀作用于地基。石灰土板体下的软基如不均匀，则会产生应力重分布现象，促使地基均匀，避免路基的不均匀沉降。

3.2无机结合料砂砾基层地表处治层形成一定强度后具有较好的支撑作用和扩散作用， 能使地基表面的弯沉值减少，大幅增加地面表层承受荷载的能力。这种作用的效应与附加荷载的大小、硬壳层的刚度以及硬壳层的刚度与软弱层刚度之比有关系。

3.3无机结合料砂砾基层地表处治层形成的硬壳层对地基沉降有一定的滞后作用。 路基附加应力从上到下逐渐减小，地基的瞬时沉降主要发生在软弱层中，而表层的软土与深层的软土瞬时沉降是不一样的。当硬壳层越厚时， 其应力扩散作用越明显，从而使地基土承受的附加应力减小，沉降系数也减小。对于厚硬壳层的低路堤， 其沉降系数甚至小于〔2〕。这种作用的理论分析可考虑为瞬时荷载作用下的双层地基固结问题，根据Gray求解双层地基固结问题的结果以及谢康和的研究成果， 当kv1＞kv2且mv2＞mv1时,即下层为软土且上层土较不透水时,空隙压力的消散将显著减慢〔3〕,所以地基的沉降也有所滞后〔1〕。

4.无机结合料砂砾基层的应用

4.1无机结合料砂砾基层的设计

4. 1.1稳定材料选择，无机结合料稳定砂砾层，根据结合料的种类分为；水泥、水泥石灰、水泥煤灰等类稳定材料。由于稳定材料种类不同，其物理、力学性能与稳定砂砾基层稳定砂砾基层效果也不尽相同，对施工方法和施工工艺的要求也不同。因此在选择各种稳定材料时，首先要根据其工程性质、公路等级、交通量的大小及各种原材料的来源与物理、力学性能等方面作技术和经济上的可行性研究，然后再确定选择何种稳定材料；另外还应考虑施工与设计的差异，并提出行之有效的措施来确保工程质量。湖南省范围内砂砾石开采比较容易，水泥产量较高，部分地区尚有大量的矿渣、粉煤灰等可以利用，因此用水泥、矿渣、粉煤灰等作为稳定砂砾基层既经济，又适应。如长永高速公路曾用水泥天然砂砾土作稳定基层，长常高速公路选用水泥粉煤灰稳定砂砾基层，京珠湘耒段用水泥稳定砂砾基层、京珠耒宜段高速公路用水泥稳定碎石基层均取得很好的效果。

4. 1.2 混合料的组成设计，设计过程中在混合料的7d无侧限抗压强度试验过程中，对试件的压实度不少人采用100%，即按最大干容量、试模体积、混合料的含水量来计算混合料的用量，其结果会使稳定砂砾基层的抗压强度过大，与施工质量控制的压实度要求产生矛盾，这一点在设计过程中或施工检验中很容易被忽视。正确的室内制件应按下式配料：

m=p*ρd*v(1+ω)（1）

式中：m：混合料数量，g；P：所要求的压实度；ρd：混合料的最大干容重，g/cm3；ω：混合料的含水量，%；v：试模的体积

由于原材料的来源不同已及同一材料也存在着差异。因此，施工前必须对原材料的各种物理、力学性能进行测定，并通过科学实验确定优选方案进行该混合料的组成设计。表1为益沅高等级公路K12--K14用水泥稳定砂砾基层的组成设计对比。已建的长常高速公路益阳段利用附近工厂的粉煤灰，在水泥稳定砂砾基层掺入适当的粉煤灰，通过实验和应用收到了满意的效果，既为工厂废物提供了销路，又可节约水泥，降低成本，提高基层强度。

表17d无侧限抗压强度实验结果

砂：砾石% 水剂掺量%（内掺法） 7d无侧限抗压强度mpa

0.4:0.6 5% 2.3

5.5% 2.56

0.5:0.55% 2.07

5.5%2.44

0.6:0.4 5% 试件无法立即成型

5.5%

4.2无机结合料砂砾基层的施工

无机结合料稳定砂砾基层一般分厂拌法和路拌法施工，考虑到我省气候环境的影响以及高等级公路的高质量要求，施工时普遍采用集中厂拌法，其施工工艺较简单：包括施工放样，机械拌和、运料、摊铺、碾压成型及洒水养生等。根据我省高等级公路施工特点，充分发挥生产效益，加快施工进度，应考虑以先进，大型机械为主体的综合机械化作业，同时应注意协调好以下施工工序：

4.2.1机械化作用前的准备工作。及时清理底层浮土、石块等杂物或积水工作并搞好现场施工放样工作。

4.2.2混合料的拌制和运输。加强对大型拌和机设备的管理和维修,使其产生稳定性能，满足工地需要。拌和厂随时进行原材料的含水量测定,考虑到运距、气温变化及铺筑方法和水泥初终凝时间、结合料的性质等综合因素，控制拌和物的含水量应略大于其最佳含水量的1%~2%。在现场施工中应根据实际运距进行协调安排自卸车的运输,保证拌和料能源源不断地以最快的速度运至施工地点。

4.2.3 混合料的摊铺。混合料运至摊铺现场后,由摊铺机根据调整好的标高和宽度进行铺料、振捣、刮平、成型。摊铺机摊铺速度宜控制在0.5~3.0m/min范围。现场技术人员要随时检查摊铺情况，发现问题及时处理，要严格控制松铺系数，确定松铺厚度，准确控制摊铺标高及横坡度，及时进行填补“漏铺”。

2.2.4混合料的压实与养生。选用振动压路机和重型轮胎压路机，从路肩一侧向分隔带一侧二分之一错轮碾压，一般需用振动压路机碾压6~8遍，头两遍采用1档为宜，以后用2档，最后用胶轮压路机碾压以消除轮迹和表面松散处，保证平整度。在碾压过程中，严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上“调头”和急刹车，如有“弹簧”、“松散”、“起皮”等现象，应及时翻开重新拌和或换填新料，使其达到质量要求。无机结合料稳定砂砾基层修筑完毕后，须马上封闭交通并进行不少于7d的养生。施工是在炎热的夏天，基层水分蒸发得比较快，如不加强养生，对基层的整体强度形成有一定的困难。采用了两种养生的方法，一是采用洒水的方法使基层表面经常保持潮湿；二是及早对基层表面喷洒一层透层油。这样稳定基层强度能在一个良好的环境里增长，达到了理想的效果。

4.2.5施工中应注意的问题。第一，在施工中一定要施工机械化高效施工，其中混合料的拌和与运输、运输与摊铺、摊铺与压实等各个环节对生产率有一定的要求，为了使各道工序能协调施工，充分发挥主导机械的作用，加快施工进度，必须满足运输生产率略大于拌料生产率，而拌料生产率略大于摊铺生产率。即Q运输>Q拌料>Q摊铺。第二，严格控制作业时间，无机结合料稳定砂砾基层的作业时间对其强度的形成具有举足轻重的作用，尤其是用水泥作为结合料的基层，试验标明该基层在2 h、3h、4h内成型的强度均有较明显的差异，如果超过水泥的终凝时间（4h），其强度则会大大降低。因此，各道工序必须紧密衔接，尽量缩短基层成型时间。第三，施工时严格控制最低温度。当无机结合料稳定砂砾基层施工时，因施工工期或其它原因，如果对其施工最低温度不太重视，往往产生一些路面病害，即修筑完毕的路面经过冻融之后产生破坏，当挖出基层料进行观测时，混合料呈松散状态。这种现象的产生主要由于混合料中稳定剂要求施工最低温度控制在5℃以上，因此施工时应对施工工期加以控制。第四，施工时的质量检验。在无机结合料稳定砂砾基层的质量检验中压实度检验是相当重要的一环，往往会存在一些问题，基本上有两点：（a）当采用灌砂法测定压实度时，由于稳定基层材料密实使挖试验坑时产生一定的难度。为此，试验人员一般挖坑的深度过浅，正确的试验深度应与室内灌砂标定的筒深相似，这样可减少所测数据的误差；（b）由于混合料中主骨料比较大，一般在20~40mm左右，有的达50mm。主骨料的变化对混合料的最大干容重大小有着直接影响，即使砂砾料的级配在标准级配曲线之内也是如此。虽然施工中对混合料的级配已经加以控制，但不能使稳定砂砾料绝对均匀。因此，在工地测定压实度时，容易造成所测数据失真的现象。例如测定值大于100%或有的数据远小于控制标准。解决上述问题有三种方法：一是必须按有关技术规范去检测。二是在确定无机结合料稳定砂砾材料的最大干容重与最佳含水量时，以5mm筛孔以上粒料含量标准（可称含砾率），并在标准级配曲线之选择不同的含砾率人为的加几组击实试验，以确定其最大干容重与最佳含水量。三是在工地测压实度时，可由混合料湿容重来预估压实度的大小。当发现压实度过大或过小时，应用5mm筛将挖出的混合料过筛来计算混合料的含砾率，然后根据含砾率的大小，选择其最大干容重，并根据含水量来计算压实度。

因此，在无机结合料稳定砂砾基层的施工时，管理和技术人员素质是影响质量的关键因素，为此培养一批高素质人才，提高技术水平，建立健全工序交接制度、质量管理制度，不断采用先进设备，紧跟先进技术前沿。

5. 结束语

随着经济的发展，交通日渐拥挤，高等级公路逐渐替代了原有的公路，高等级公路的设计与施工也越来越合理与完善。无机结合料稳定砂砾基层做的基层结构的高等级公路路面，经多年来使用的实践证明其具有良好的性能。软土地基路基填筑中采用无机结合料地表处治层是一种比较经济可行的方法。处治所形成的硬壳层具有对路基的支撑和应力扩散作用，同时对路基的沉降有一定的滞后作用。在一般软土地基路基处理中应予以优先考虑。该方法适用于具有一定的承载力，且填土高度不高时， 路基填筑不高于极限高度的软土地基。

参考文献

[1].朱兴龙， 陆林祥.软土地基路基填筑中无机结合料地表处治层的应用研究〔J〕.交通标准化 ,2006,(9):46～47.

[2]．张留俊等.高速公路软土地基处理技术〔M〕.北京: 人民交通出版社,2002.

[3]．沈珠江. 理论土力学〔M〕.北京: 中国水利水电出版社,1995.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。