石灰土路基填筑分析与施工质量控制

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  摘要:本文重点分析了石灰对路基用土塑性指数的影响,并提出适合石灰土施工的最佳掺灰剂量,同时分析了石灰土灰剂量随时间衰减对石灰土工程性质产生的影响,指出石灰土施工前期处理及施工检测的注意事项,为石灰土施工质量控制具有一定的参考价值。
  关键词:石灰土;路基填筑;施工质量控制
  前言
  路基、路面和桥涵构造物是公路工程的三个主要组成部分,而路基是公路的基础,是保证公路质量的关键,路面的变形、开裂、沉陷、滑塌等病害的根源都取决于路基的工程质量。因此,路基的选材、施工工艺和施工质量控制越来越受到工程技术人员的重视。
  土是路基填筑的主要材料。《公路工程路基施工技术规范》对路基用土明确要求,对塑性指数大于26的土,不能直接用于路基填筑。由于我省属于海相沉积地质,土的含水量高,塑性指数大,要想选择IP<26的取土坑相对困难,若采用远运土,成本将成倍增加。因此,对于此类土质需采用技术处理:降低土的塑性指数,使其满足规范要求后用于路基填筑。如在S243省道句容段(机场路)改造建设工程中,路基设计一般为:①矮路堤:原地面碾压后,填40cm5%的石灰土做底基层处理。②软土路基:原地面换填40cm5%的石灰土。③路槽顶面以下0-30cm采用7%的石灰土,30-80cm采用5%的灰土。④路基中部按总填方量的70%进行石灰土处理。⑤鱼塘回填在填筑1米碎石土后,用6%的灰土进行填筑。这种大剂量掺灰的目的是为了降低土的塑性指数和施工难度,有效提高路基承载力及整体稳定性,同时也可缩短工期,提高经济效益。
  1.工程概况
  S243省道句容段(机场路)改建工程,位于秦淮河沉积区,区内地势平坦,河塘较多,水网化程度较高,地面标高一般为2~4米。区域地从上表可知:
  ①高塑性粘土掺拌石灰,可以显著降低土的塑性指数;②土的塑性指数随
  砂化时间的增长而降低,一个月内的效果较明显,以后效果降低,并趋于稳定;③对于同类土在一定的灰剂量范围内,灰剂量增加,塑性指数降低,且灰剂量与塑性指数间的内在关系接近线性。
  机场路要求,路基施工前的塑性指数控制在18左右,经综合考虑工程质量、进度和工程费用等因素,确定:闷灰时间为一周,对于塑指是20、26、30的土分别掺灰3%、6%、7%。
  从以上结果可以看出,石灰的活性成分随时间增长而逐步衰减,早期衰减速度较快。初步分析,在松散状态下,一周内衰减30%左右,在压实状态下,十天内约衰减20-25%,一个月后的衰减速度较小,趋于稳定。
  3.施工组织差异对施工质量的影响
  该路基现场施工情况为:拌和方法采用先在取土场掺加2-3%的石灰对土进行沙化处理,因连续阴雨,灰土已在取土场存放半个月左右,然后运至施工现场,再掺灰2-3%后拌和,用18-21吨的压路机碾压6-8遍。
  质为冲击相为主的陆相堆积和秦淮河古泻相淤积物,第四系覆盖层较厚。沿线土质为高液限粘土,天然含水量在22~36之间,空隙率接近1。液限>50,塑性指数在22~35之间,粘粒含量(<0.002mm)大于30%。土体的内摩擦角小,粘结力大,保水性好,可塑性高。通过室内击实试验,土的最佳含水量为15~18%,最大湿容重在2.1g/cm3左右,空隙比为0.5。土在击实状态下,结构较紧密。反映在工程上,天然土体含水量高,不易蒸发,仅靠晾晒,难以达到最佳含水量,往往上干下潮,碾压时易产生“弹簧”,干燥时出现较大收缩裂缝。含水量较低时,土块强度较高,土体难以粉碎。土质适合施工的含水量控制幅度较小。
  2.石灰对土工程性质的影响
  2.1石灰对粘土塑性指数的影响
  在公路工程施工中,用石灰改善土质的工程缺陷已被广泛采用。根据不同用途,所起的作用也不同,如原地面掺灰是降低土的含水量,隔离地下水,路床和底基层采用石灰土是为了提高路基的整体性强度,而对于高塑性粘土掺拌石灰可较大地改善土的工程性质,降低土的塑性指数。但在工程实际中,对灰剂量及其中活性有效钙随时间变化,没有定性数据,为此,我们对塑性指数为20、26、30的土掺不同剂量的生石灰进行闷灰。为降低室内试验与工程露天条件的差异,将拌和好的灰土放在室外,经不同龄期,测定土的塑性指数及灰剂量。其结果如下:
  2.2闷灰过程中灰剂量变化
  在实际施工过程中,发现利用闷灰砂化后的土填筑路基,碾压成型后的实测灰剂量损失较大,甚至影响路基压实度的鉴定,为此,根据施工实际,进行了两项试验:第一,模拟取土场闷灰时的松散状态,直接取土坑取土,掺灰3%,露天闷灰20天,每两天采样测其有效活性钙镁成分含量;第二,模拟路基压实状态,取土掺6%石灰,晾晒到最佳含水量,压实度达到90%以上,放在露天30天,每三天采样测石灰含量。其测定结果如下:
  目前,我省境内高等级公路路基在石灰土施工中,普遍采用取土场闷2-3%的石灰土进行处理,运至施工现场摊铺后二次掺灰3-4%,拌合均匀后碾压成型。在施工初期,曾多次发现石灰土的压实度和灰剂量不足,下面是其中一路段压实度和灰剂量的检测结果:
  碾压符合规范要求,从现场看:表面情况较好,均无明显的轮迹。上表中结果为碾压成型后进行压实度、灰剂量的检测结果。对此产生上述差异的原因我们从以下几个方面进行了分析:
  3.1现场施工工艺与现行《规范》规定的施工工艺、试验方法的比较
  3.1.1现场施工与《规范》中规定的施工工艺存在的差异
  (1)《规范》的要求
  参照《公路路面基层施工技术规范》施工方法,路基石灰土可采用“路拌法”、“中心站集中厂拌法”和“人工沿路拌和法”施工。
  “路拌法”规定:“用于石灰稳定土塑性指数较大的粘土时,应采用两次拌和。第一次加70-100%预定剂量的石灰进行拌和,闷放一夜,此后不足需用的石灰,再进行第二次拌和”。   “人工沿路拌和法”规定:“为使混合料充分拌和均匀,可在当天拌和后堆放闷料,第二天再摊铺”。
  “石灰稳定土宜在当天碾压完成”。
  因此,按照《规范》规定:路基石灰土的施工,无论采用何种方法,宜“充分拌和均匀,尽快碾压成型”。
  (2)现场操作
  在石灰土施工中,高液限粘土普遍采用取土场闷灰2-3%的石灰土进行砂化处理,然后运至施工现场摊铺后,二次掺灰3-4%,拌合均匀后碾压成型。似乎与《规范》相符,但首次掺灰闷置时间存在差异:《规范》规定在首次掺灰与摊铺碾压的时间间隔为一昼夜,而实际操作中,因多种因素(施工组织、天气阴雨等)影响很难做到,基本上首次掺灰放置时间在3-5天或更长。
  3.1.2实际施工与《规范》、《规程》中规定的试验方法存在差异
  《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》规定,室内进行石灰土标准试验时,“如为石灰稳定土和水泥、石灰综合稳定土,可将石灰和试料一起拌和”;“浸润时间:粘性土12-24小时”和灰剂量检测时间一般在12-24小时左右。
  而现场石灰土施工的闷置时间至少在2-3天,若施工组织不合理或连续天气阴雨,可能在5-10天,甚至更长,并且石灰分两次掺入。
  《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的试验方法与《公路路面基层施工技术规范》中规定的施工工艺相一致,而现场施工工艺与《规范》差异较大。
  3.2现行试验方法与现场施工工艺差异导致的结果
  3.2.1闷灰时间对最大干密度的影响
  石灰与土从拌和、碾压到成型后的很长一段时间均存在着一系列的化学反应和物理化学反应。结果是使石灰在土中的分布和状态发生变化,并随着时间的延续而加剧。因此,随着石灰土拌和后放置时间的延长,结构重组加剧,经碾压使石灰土密实,通过标准击实测得的最大干密度也将变小。也就是说,按《规程》规定的试验方法所得的最大干密度比现场要大。这也是《规范》规定拌和好的灰土一般在当天碾压结束的原因,也是《规程》规定做标准击实试验对粘土要闷12-24小时,两者相一致的原因。我们曾做过相关试验,一般闷灰时间增加一天,最大干密度将降低0.01g/cm3。导致现场实测压时度比实际压时度低。
  如某取土坑采用二次掺灰,首次掺灰剂量为3%的石灰土,分别进行闷灰1、2、3、4、5、6、7昼夜的标准击实,得到的最大干密度如下:
  3.2.2闷灰灰剂量对标准曲线的影响
  石灰土压实后7天内灰剂量的损失不考虑,因为密实状态下受外界环境影响较小。石灰和土拌和后,在松散状态下,外界气候、温度和天气等的影响对灰剂量的损失影响较大。如果灰剂量标准曲线仍按浸润一昼夜进行试验,灰剂量的实测值将比标准值低。以《规程》中的方法确定的标准曲线来作为标准,实测值偏低。实测灰剂量偏低,导致取用的最大干密度偏大,计算压实度偏低。
  综上可知:实际施工与《规范》、《规程》中规定的试验方法存在的差异,导致实测压实度偏低,是石灰土压实度不合格的因素之一。
  4.材料对施工质量的影响
  4.1在工程实践中,发现石灰土的压实度变化较大。下面是不同的两个路段同一天进行的压实度检测,其结果如下:
  从表中看出,本来基底处理87%的压实度的施工难度要大于路基90区的施工难度,而两段的标准干密度相差无几,但检测结果却相差较大:①A段要求压实度为90%,合格率为58.3%;B段要求压实度为87%,合格率为100%。②A段实测压实度均在95%以下,最小值为85.8%;B段实测压实度均在95%以上,最小值为96.1%。
  现场施工控制情况比较:
  ①两段的土源各项指标相差不大,其石灰土的最大干密度、最佳含水量分别为1.77g/cm3、17.2%;1.76 g/cm3、18.4%;②A段采用先在取土场掺加2-3%的石灰进行处理,然后运至施工现场再进行二次掺灰后拌和碾压;B段采用路拌法施工;③A段石灰消解后已放置约15天,对取土坑的土进行砂化处理后,因连续阴雨又放置了10天左右;B段石灰消解后使用前用彩条布覆盖,放置约5天左右,进行路拌均匀后即进行碾压。
  针对以上现象,经试验并对石灰土压实度影响因素进行了分析,工程中有针对性地进行了改进,使压实度得到了有效的控制。
  4.2不同石灰等级灰剂量的差异
  我们对不同等级的石灰拌和的石灰土进行了灰剂量标准曲线比较,有较显著地差异,详见下表:
  从表中可以看出,不同等级的石灰,其灰剂量标准曲线有明显的差异。消耗同样数量的EDTA以23ml为例,查曲线1时灰剂量为4.5%;查曲线2时灰剂量为5.4%;查曲线3时灰剂量为6.8%。可见,消耗同样的EDTA,查不同等级的石灰剂量标准曲线,其结果有很大的差异,灰剂量相差0.8-2.3%,最大干密度相差0.02-0.05g/cm3,按5%的石灰土最大干密度1.78g/cm3计算,压时度相差1-3%。可见,做石灰剂量标准曲线的石灰,必须要与现场使用的石灰相一致。否则,难以正确反映石灰的真实剂量,从而造成取用的标准干密度不合理。
  4.3放置时间对石灰中有效钙镁含量的影响
  我们分别对生石灰、消石灰放置在空气中不同龄期的有效钙镁含量进行测试,结果如下:
  由以上结果可知:无论是生石灰还是消石灰,露置在空气中,其有效成分都有不同程度的损失,并随着龄期的增长,损失的速度逐渐减缓。因此即使是同一批进场的石灰,不同的使用时间其等级也发生了变化。从而导致实测灰剂量偏小,取用的干密度偏大。
  4.4拌和后灰土放置时间对灰剂量的影响
  我们分别对自然陈放的5%、6%、8%的石灰土进行不同龄期的灰剂量测试,其结果如下:
  由此可知:石灰土中的灰剂量随放置时间延长,其实测灰剂量也将减少。并且石灰的剂量越高衰减的程度越大。
  5.施工质量控制经验小结
  5.1石灰对粘土塑性指数的影响
  采用掺灰闷灰处理,可以有效降低土的塑性指数,解决路基土方的施工困难。掺灰剂量的大小与土的塑性指数有关,塑性指数高,掺灰剂量大,塑性指数低,掺灰剂量小。建议灰剂量掺量为:1826,灰剂量在6-8%。
  5.2闷灰砂化的时间控制
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