利用风化砂改良膨胀土路基的探讨

杨 俊，黎新春，张国栋，唐云伟，谢支钢

(1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002;2.宜昌市交通运输局，湖北 宜昌 443002;3.小鸦一级公路改建工程项目部，湖北 宜昌443002)

0 引 言

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性黏土。其黏粒成分主要由亲水黏土矿物(主要是蒙脱石和伊利石等)组成，具有超固结性、多裂隙性、遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形等特殊工程性质，由于这些工程特性复杂的共同作用，使得膨胀土的工程性质极差，而常常对路基稳定性产生较大影响，导致路面纵向开裂、松散脱落、路基沉陷、边坡溜塌、滑坡、翻浆冒泥等病害。因此膨胀土不能直接作为路基填料，必须经过改良处理，改变其工程性质，保证路基稳定性和耐久性。湖北省宜昌市小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24 +650 ～K31 +320 区间段内膨胀土分布广泛，厚度6.10 ～10.50 m，区域内膨胀土普遍具有中膨胀性，少数具有强膨胀性。本文经过长达1 a 的试验研究，综合考虑了膨胀土改良的技术指标和经济指标，最终决定采用风化砂混合料改良的膨胀土填筑路基，并取得了一系列的成果，为同类工程施工积累了丰富的经验。

1 风化砂改良膨胀土的工程性质

风化砂改良膨胀土属于物理改良，就是将风化砂按照一定的配合比例掺入膨胀土中，经过拌合之后形成改良土样。结合其他学者对膨胀土物理改良的研究，对小溪塔至鸦鹊岭一级公路沿线膨胀土掺不同比例的风化砂样进行了大量的试验。通过对不同比例掺砂膨胀土的膨胀指标和强度指标的对比试验结果可知，掺风化砂改良膨胀土的方法是可行的。经过风化砂改良的膨胀土的强度可以达到路基填料的要求。

试验将风化砂按照不同的比例掺入到膨胀土中进行对比研究。根据掺砂质量比例的不同，将混合试样分别进行编号，掺砂的质量比例分别为0，10 %，20 %，30 %，40 %，50 %，对应的试样编号依次为1#、2#、3#、4#、5#、6#。

不同比例的风化砂对膨胀土膨胀特性指标、强度指标的影响见表1、表2。

表1 不同比例风化砂对膨胀指标影响

表2 不同比例风化砂对强度指标影响

从表1 可以看出，掺入风化砂之后，能够有效降低膨胀土的膨胀指标。研究表明，掺砂比例为10%时，自由膨胀率、膨胀力降低最为显著;掺砂比例为40%～50%时，25 kPa 有荷膨胀率变化的最为明显，掺砂比例为30% ～40%，50 kPa 有荷膨胀率变化的幅度最大;掺砂比例为40%时，荷载的增加对抑制膨胀性效果最明显;掺砂比例对无荷膨胀率影响很小。

掺砂可以改善膨胀土的强度性能，掺风化砂对于膨胀土的内摩擦角的影响较小，对膨胀土的黏聚力影响较大。掺砂之后，膨胀土的内摩擦角有所增加，但增大的幅度不大。黏聚力先增大后减小，当掺砂量小于10%，黏聚力随着掺砂比例的增大而增大;当掺砂比例大于10%，黏聚力随着掺砂比例的增加而减小;当掺砂比例大于40%，掺砂土样的黏聚力小于纯膨胀土的黏聚力。掺风化砂对膨胀土的无侧限抗压强度的影响随着掺砂比例的改变而改变。随着掺砂比例的增大，无侧限抗压强度先增大后减小，当掺砂比例为10%时，无侧限抗压强度最大;当掺砂比例大于10%，无侧限抗压强度随着掺砂比例的增大而减小;当掺砂比例大于30%，掺砂土样无侧限抗压强度低于纯膨胀土，且减小的趋势逐渐平缓。掺风化砂提高了膨胀土的CBR 值，并且掺砂对膨胀土的CBR 值影响较大。随着掺砂比例的增大，膨胀土的CBR 值逐渐增大，增长趋势先快后慢。

2 风化砂改良膨胀土的作用机理

许多学者对影响膨胀土膨胀率的因素进行了大量的试验。研究表明，影响膨胀土膨胀量的因数主要有黏粒成分、黏粒的含量、含水率、干容重以及外部约束等等。通过对风化砂改良的土样试验发现，掺入风化砂之后，能够改变土样的含水率和击实特性，同时还能改变膨胀土的颗粒分布曲线，这些都直接或者间接或影响到膨胀土的膨胀性，因此能够达到改良的效果。通过对试验结果的总结，掺砂改良膨胀土的作用机理如下:

(1)减小黏粒含量。掺砂之后，改变了膨胀土的颗粒分布曲线，增大了膨胀土中粗颗粒含量，减小了黏粒的含量。通过改变膨胀土中黏粒含量达到减小膨胀量的效果。

(2)减小干容重。掺砂之后，改变了改良土样的密实特性，增大了膨胀土中空隙率，减小了膨胀土的干容重，使得膨胀势最小，从而减小膨胀土的膨胀量。

(3)增大摩擦力。掺砂之后，当膨胀土吸水膨胀时，风化砂和膨胀土的接触界面上产生切应力，掺砂改变了膨胀土中颗粒的分布情况，增大了膨胀土颗粒与颗粒之间的摩擦力，利用颗粒与颗粒之间的摩擦力抵消一部分的膨胀力，达到降低膨胀量的效果。

(4)增大初始含水率。研究表明，膨胀土的初始含水率越低，吸水量越大，膨胀量越大。风化砂和膨胀土拌合之后，虽然可以降低最佳含水率，但是降低的幅度不大，由于风化砂的吸水量较小，一般在3%左右，拌合过程中，多余的水基本上都被膨胀土吸收，相当于在拌合时对膨胀土进行了预湿，使膨胀土在施工时处于一个高含水率状态，从而达到降低膨胀量的效果。

3 常用改良方法的工程性质对比

目前膨胀土的改良方法有物理改良、化学改良和生物改良，物理改良的方法常用的改良材料是土工织物或土工格栅等;化学改良方法常用的材料有石灰、水泥和粉煤灰;生物改良的方法常用的材料有各种固化剂以及改性剂等。在公路路基施工中，最常用的就是石灰改良、水泥改良和粉煤灰改良膨胀土。但是实践证明，采用上述三种方法改良的膨胀土，存在着一些不足之处:

(1)掺石灰改良膨胀土能明显地减小膨胀土的塑性，改变膨胀土的含水特性和胀缩特性，但是经过石灰改良后的膨胀土早期强度很低，经过很长时期的养生之后强度才会提高;并且石灰改良膨胀土的水稳定性较低;在改良土养生期间内，对养生的条件要求较高，不利于现场施工控制，同时延长了施工周期，增大了施工成本;为了使石灰和膨胀土充分发生物理化学反映，需要将石灰和膨胀土拌合均匀，拌合前先要将膨胀土充分碾碎，使膨胀土的最大粒径达到施工技术规定的粒径要求，施工的工序比较复杂，同时在施工时对环境污染比较大，对施工工作人员的健康也存在着威胁［1］。

(2)掺水泥改良膨胀土能够改变膨胀土的胀缩特性和含水特性，在一定程度上降低膨胀量，但是改良膨胀土凝结硬化快，施工时间紧迫，不利于现场施工控制，同时改良土的干缩裂缝现象明显，固化效果不好，使得路基的整体性不好;在强度方面，掺水泥改良膨胀土能够明显地提高改良膨胀土的强度，但是改良土的强度变化表现为软化型，存在着应力峰值，在荷载的长期作用下，强度降低，使得路基承载力达不到规范的要求，缩短了路基的使用寿命。

(3)掺粉煤灰改良膨胀土能够提高膨胀土的抗剪强度，对无侧限抗压强度的影响较小，在一定程度上降低液限，但是对胀缩性改良效果不明显，掺粉煤灰改良膨胀土施工对于现场养生条件，拌合条件，以及施工控制要求较高，成本相对较高［2-5］。

4 风化砂改良膨胀土路基施工工艺

风化砂综合改良膨胀上的施工过程比一般路基施工增加了风化砂掺入的工序。即将一定含水率的风化砂按照施工配合比例掺入到膨胀土中，通过拌合，使膨胀土和风化砂混合均匀，改变膨胀土中粒径的分布曲线，增大摩擦力等达到降低或消除膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的强度、水稳性以及耐久性，达到路基填料的标准。根据现场实际情况，采用路拌法施工工艺，具体为“三阶段、六区段、十流程”的施工工艺。三阶段:准备阶段、施工阶段、整修验收阶段;六区段:填土区段、拌和区段、拌合质量检测区段、平整区段、碾压区段、压实质量检测区段;十流程:施工准备、基底处理、分层填筑、初压整平、铺砂拌和、洒水晾晒、填料精平、碾压夯实、检测签证、整修养护。具体施工流程图见图1。

4.1 施工准备

施工准备是保证路基施工的基本工作顺利完成的前提条件。风化砂和膨胀土质量必须按照规范要求进行控制，根据规范对风化砂进行取样检测。风化砂要求洁净无杂质并具有一定的级配，含泥量不大于5%，砂当量不小于50%，强度必须满足公路路基施工技术规范中要求。

图1 风化砂改良膨胀土路基施工工艺流程图

在施工准备阶段，除了对材料的质量严格把关外，还要做好场地的平整，材料进场，存放等常规的准备工作，确保施工时候有足够的作业面。

4.2 基底处理

为限制路基工后沉降量及其沉降速率，确保路基的稳定性，对于地下水位较高和承载力不足的地段，要进行基底强化处理。风化砂改良膨胀土路基基底处理，包括基底表面清理，基底有关力学指标的检测，基底处理方案选择和基底处理工艺等几项。

基底表面清理前进行施工测量，埋在设计路基的地基范围内全面清除地表植物和其他杂物，清除底面积水并挖出淤泥。在清理彻底的基础上，对地表进行整平。横坡设计应符合要求。结合永久排水系统做好临时排水工程，确保全过程的排水通畅，避免基地土水浸泡。采用碾压后检测和原状土地基承载力检测的方法对基底有关的力学性质进行检测。根据基底检测的结果选择适当的处理方案。根据现场实际检测的结果，采用抛填碎石的方案进行基底强化处理。从路基边线两侧同时向路基中线抛填碎石至1 m 以上，接着进行测量放线，确定夯点位置和控制点，然后进行夯实。

4.3 分层填筑

根据横断面全宽纵向水平进行分层填筑，采用自卸车卸土，在用自卸汽车取土料前，应将树根等杂质清除干净，并根据车容量和松铺厚度计算堆上间距，以便平整时保证松铺厚度的均匀。为保证路基边坡的压实质量，填筑时在路基两侧各加宽50 cm 左右。土料卸到指定地点后，立即进行摊铺作业，沿着线路纵向，顺序进行。要求摊铺均匀，摊铺厚度为20 cm。

4.4 初压整平

摊铺作业完成之后，对膨胀土摊铺层含水率进行检测，确认是否符合最佳含水率控制的范围。若不符合，进行调整，直至含水率符合要求。然后用压路机快速静压并进行精确整平，对于个别不平整的地方采用人工配合找平，松铺厚度允许误差应控制在±3 cm 以内，避免出现土体厚度不均匀的现象，为下一步准确铺砂奠定基础。

4.5 铺砂拌和

当整平完整后，用石灰画出5 m 见方的纵横向方格网，根据掺砂比例，确定每个方格内风化砂的用量，并以风化砂的干密度折合成体积的高度为标准确定挂线高度，摊铺的顺序为先摊铺风化砂，风化砂摊铺完成后，进行摊铺厚度检测，铺砂厚度误差控制在±2 cm左右。

风化砂摊铺好后，用路拌机进行拌和，拌和深度应侵入下承层1 ～2 cm，路拌机轮迹搭接宽度不小于50 cm，设专人跟随拌和机，随时检查拌和深度及幅与幅之间的搭接情况。发现与规定不符时，及时配合路拌机操作员进行调整，拌合完毕后，及时进行拌合质量检测，要求色泽均匀，无土团和素土块。

4.6 洒水晾晒

路基的压实度与填料的含水率有密切的关系，在拌合的过程中，膨胀土的含水率会发生改变，为保证压实质量，在拌合之后，应立即对改良土样的含水率进行检测，检测改良土的含水率是否在施工允许含水量范围内。当填料含水量较低时，应及时采用喷洒补水措施;当填料含水量过高时，可采用晾晒和增减拌和遍数的办法降低含水率，达到规范要求的含水率。

4.7 填料精平

拌合完成后，对检测合格的改良土样成品要进行全断面摊铺整平，整平有初平、整形、终平3 个阶段，初平作业根据作业机械铲刀宽度及路基面的宽度，包括两侧各0.5 m 边坡路基加宽，沿着路基纵向按照一定松铺厚度进行全断面摊铺初平;初平之后，按照设计的临时路拱高度及其横向坡度，对同一层改良土路基松铺层进行表面整形。整形完成之后，用压路机快速静压一遍，在静压的过程中，对于不平整处采取仍配合整平，最后用平地机最终整平，为碾压工序奠定基础。

4.8 碾压夯实

当改良土样的含水率处于最佳含水量以上1% ～2%，颗粒粒径大于60 mm 的不超过10%，掺砂率及其均匀度均满足设计要求时，即可进行碾压夯实工序。碾压的顺序应沿着线路纵向，自路基施工作业面两次到中间逐幅延展，先快后慢，先轻压、静压后重压的要求相邻两幅间压路机轮迹搭接宽度不小于40 cm，相邻两施工段纵向搭接长度不小于2 m。对于路基施工作业面近边坡部位压路机正常碾压困难时，采用斜向进退法进行碾压，以保证压实质量。

4.9 检验签证

路基填土的压实质量检验应随分层填筑碾压施工分层检验。压实度采用灌砂法进行检测，地基系数采用承载板试验进行检测，铺砂率采用总量控制法进行检测，颗粒的均匀度采用筛分进行检测。

4.10 修整验收

路基成形后，达到规范的要求，在下层完成经检验收质量合格后，由于外部原因若不能立即铺筑上层的或暴露于表层的改良土必须进行保湿养生，养生可采用洒水后草袋或塑料布覆盖的方法。若遇到雨天，对于路基要采取覆盖的措施，防止雨水下渗到路基里，影响路基的强度和稳定性。当路基施工进行到一定阶段时，应对边坡进行刷坡整形。每一施工区段改良膨胀土路基施工完毕后，应对其外观进行全面修整，然后组织工程验收［6］。

5 风化砂改良膨胀土施工控制要点

5.1 材料进场

严格控制材料质量，对于不合格的材料严禁进场，对风化砂要求洁净无杂质并具有一定的级配，含泥量不大于5%，砂当量不小于50%，强度必须满足公路路基施工技术规范中要求。

5.2 杂物清除

人工配合机械作业摊铺土样时，将原状土中超规格的树根、草根、淤泥等杂物清理干净，对于粒径较大的块料破碎，使其粒径达到要求。

5.3 含水率的控制

改良膨胀土在最后一次拌和和碾压夯实前，试验人员应及时检测含水量，确保含水率在规定的范围内。春季和夏季施工时，改良土样的含水量一般控制在比最佳含水量高1% ～2%范围之内;雨季施工时由于空气潮湿，含水率一般控制在低于最佳含水量1%之内。达不到最佳含水量要求的范围时，需及时洒水补充，然后翻拌;含水量过大则需晾晒，达到施工要求的含水量时再进行碾压作业［7-10］。

5.4 标高的控制

用网格法铺砂，利用取点测高程控制摊铺质量，保证松铺厚度，在初平的时候，一般比设计标高5 ～10 mm，精平时刮掉5 ～10 mm 补平。在压实的时候，通过表高控制路面横坡4%。

5.5 拌和质量控制

在改良土拌合时，为了达到好的拌合效果，首先是摊铺顺序，先是土，再是砂。其实在摊铺的时候，严格控制松铺厚度，保证松铺厚度不超过拌合机搅拌的有效深度。在拌合的时候控制搅拌速度，保证拌合的时候不出现夹层，无素土块。

5.6 压实质量控制

压实要在最短时间内达到规范要求的密实度，改良土的压实质量与含水率、压实方法和压实机具有关。改良土压实时含水率、压实方法和压实机具通过室内试验结合试验路段得到，在施工的时候严格按照要求控制，含水率一般控制在最佳含水率1%左右。对于含水率过大或者过小的土样，要经过处理之后再进行压实［11-15］。

6 工程实例分析

小溪塔至鸦鹊岭一级公路全长31.32 km，双向四车道，设计路基宽24.5 m，设计时速80 km，膨胀土主要分布在K24 +650 ～K31 +320 区间内。采用风化砂改良膨胀土，按上述方法进行施工。为了掌握改良土路基在竣工后的沉降量大小、固结速度以及沉降规律，为评价风化砂改良膨胀路基的可行性提供依据，对小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24 +700 ～K24 +900 段进行为期12 星期的工后沉降观测。观测采用精密电子水准仪，观测点布置为每隔50 m 取一个断面，总共5 个断面，每个断面取4 个观测点，距左、右路肩边线1 m处各1 点，左、右行车道中心各1 点。控制点和观测点用膨胀螺丝打入水泥混凝土中，并统一用红色油漆编号标记。

采用每星期观测一次的频率进行沉降观测，采用四等水准测量标准作为沉降观测的精度标准。每周测观测点高程一次，根据设计高程，计算每个星期观测点的累计沉降量。从为期3 个月的沉降观测结果可知:

(1)小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24 +700 ～K24 +900 段内累计最大沉降量为6.8 mm;最小累计沉降量为5.7 mm;平均累计沉降量为6.2 mm。满足规范要求的工后沉降指标要求。

(2)小溪塔至鸦鹊岭一级公路K24 +680 ～K24 +880 段内风化砂改良膨胀土路基的最大沉降速率0.077 mm/d，最小沉降速率为0.063 mm/d，平均沉降速率为0.070 mm/d。满足规范要求的工后沉降指标要求。

综上可知，采用本文的施工工艺进行风化砂改良膨胀土路基施工是可行的。

7 结 语

掺入风化砂能有效地抑制膨胀土的膨胀性，提高其强度，改善其工程特性，达到路基填料的标准。风化砂改良膨胀土路基施工相对一般路基施工工艺增加了掺入风化砂的过程，这个过程包含摊铺和拌合，对施工工艺提出更高的要求。

在拌合之前，土样应制成粉状或细小的颗粒状，不应含有大块土团或大颗粒，否则影响砂和土样的混合后级配重分布的情况，增大土样与砂之间的接触面积。所以施工中这一过程相当关键。同时，施工中还要控制含水率、松铺厚度、拌合深度以及拌合方法，以保证路基的压实质量。

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