物化改良包芯法在膨胀土路基工程中的工艺技术研究

摘要：本文阐述了物化改良包芯法在膨胀土路基工程中的工艺技术研究，选取内外包边的工艺和化学改良材料共同作用于路基工程的工艺技术，物理包封技术主要以维持膨胀土内部水分稳定，化学改良材料主要采用疏水纳米二氧化硅改性材料作为改良膨胀土物理工程特性机理，在路基工程中通过以低渗性的改性土及碎石土对膨胀土填芯覆盖包裹，提高了膨胀土的强度，满足实际工程要求。

关键词：膨胀土  包芯法  疏水纳米二氧化硅  改性土

引言：近年来我国公路迅猛发展，直至2013年年底，公路通车里程已达到400多万公里，其中高速公路里程突破10万公里，居世界第一。随着西部大开发，广西的公路发展处于井喷状态，近两年来建成通车的高速公路就多达7条，市政道路工程更是不计其数，但是随着公路建设的高速发展，在建设中出现的工程问题也越来越多，在广西地区以膨胀土造成的路基破坏最为典型。众所周知，广西是中国膨胀岩土分布最广泛地区之一，其胀缩性一般中等偏强，加上广西湿热多雨的气候特征影响，造成了膨胀岩土引起的地质灾害具有复杂性、频繁性、反复性，处理难度极大，造成了巨大社会经济损失。究其大量破坏的根本原因是广西地区广泛分布着古近系泥岩半成岩，其风化速度快、强度衰减迅速、水稳、热稳性差，当它作为路基填料或路基持力层、路堑坡体时，这些不稳定性很容易在降雨、暴晒等条件诱发下产生破坏，因此从膨胀岩土内部结构上对其进行改良，改善其不稳定性，是减少其破坏发生的根本。再次随着广西地区的开发建设，现阶段对膨胀土采用的超挖换填方式已面临到无土可借或借土运距太远，成本高昂的瓶颈。因此，在公路建设的具体工程实施中，膨胀土改良技术和膨胀土改良路基施工技术显得尤为重要。

1、处治方法对比

常见的路基的处理方法一般有以下几种：换填法、夯实法、物理改性法、生物改性法、化学改性法，他们的优缺点对比如下表：

为了解决化学改性法对环境的污染问题，我们选取物化改良处理的方法，在路基边坡中通过以低渗性的改性土及碎石土对膨胀土填芯覆盖包裹，以维持膨胀土内部水分稳定。与传统方法相比，物化改良法可以实现膨胀土就地利用，降低改性剂对环境的损害；钙基纳米二氧化硅作为改性剂显著降低了改性土的渗透性，提高了膨胀土的强度（14d的改性土满足一级路基强度要求），满足实际工程要求。

2、主要工艺原理

（1）物理包边法：利用浅层膨胀土的化学改性，对膨胀土填芯进行封闭包盖，阻止水分渗入，从而对边坡进行修复的方法。

（2）改性材料：包边采用改性材料为石灰以及疏水纳米二氧化硅与石灰按照一定比例复合而成的两组改性材料。

（3）改性材料对膨胀土的作用原理：钙基纳米二氧化硅是一种活性较高的纳米级材料，具有高反应活性及吸附填充作用。在用于膨胀土改良的石灰或水泥等添加剂中，加入适量的钙基纳米二氧化硅，后者遇水迅速生成的硅羟基加速火山灰反应，提高改良土的早期抗压与抗拉强度；同时，钙基纳米二氧化硅能够对聚粒内毛细孔、凝胶孔进行填充，将渗透填充后的小聚粒形成大聚粒，使结构更加致密，显著降低改良土的软化系数以及吸水率。

3、工艺流程及技术要点

垫层整平压实→填碎石土及排水→格栅布设→分类填土、分层压实→改性土制作及回填→监测设备布设→坡面处理→排水装置的布设→植被层

（1）垫层整平压实

施工前，先进行场地清理，清除施工范围内的表土、杂填土、淤泥、树根、草皮、垃圾、积水及地面上影响施工的构筑物。清表完成后，按照设计对基底进行处理。

（2）填碎石土及排水

碎石土或砾石土要求:碎石土或砾石土应满足大于38mm颗粒含量为30%-50%。

碎石土在压实前应埋设排水管，排水管的一侧埋设于填碎石土层，一侧出露坡面。排水管管径应不小于4cm，相邻排水管间距小于10m。表层路基层应当全选择改性膨胀土进行封闭压实，厚度不低于1m，并在压实后的合适位置开槽埋设监测装置。坡脚处设置排水沟，排水沟使用预制混凝土块拼接，连接处使用水泥等浆体填充密实。

（3）土工格栅

a.基底垫层回填至膨胀土芯底时，铺设一层土工膜，土工膜两侧保留足够反包长度（＞2m），土工膜上填土和压实顺序先在两端，后卷起土工膜幅端，再在中间继续填土。填土压实之后，将土工膜两侧回卷反包搭接2m，并用针线缝合结实。

b.应检验土工格栅出厂合格证，将成捆卷材截剪成5m一段备用，并要准备φ6“U”型钉、连接棒及格栅张紧钩具。土工格栅技术性能指标要求：标称伸长率≤10%，纵向极限抗拉强度≥50kN/m，横向极限抗拉强度≥30kN/m，2%伸长率时，纵向抗拉强度≥21kN/m，横向抗拉强度≥12kN/m，5%伸长率时，纵向抗拉强度≥35kN/m，横向抗拉强度≥20kN/m，幅宽不小于2.5米。

c.放线修坡：每层土填筑前先应进行测量放线，同时，用石灰粉标出边坡线和土工格栅边线，其宽为1.5m；再修坡（包括边坡线，包边土边线），并且做好坡面临时排水设施。

d.铺设土工格栅：铺设前，先人工将已填筑压好的2层土层的边坡面按坡比修好拍实；将前一层预留的反包格栅段沿修好的边坡向上反包并初张，将裁好的土工格栅沿横断面方向自包边线处往路基边缘展开；将下层格栅的端部与上层格栅的适当位置用连接棒连接（以上层格栅张紧后其端部在包边线附近为宜），为保证格栅沿路中线方向的整体性，两幅格栅间需搭接约10cm左右；用一把5齿耙拉往上层格栅端部，沿横断面方向人工拉紧格栅使之产生 1％～2％的伸长率，立即用2根Φ6钢筋制成的“U”型钉将格栅在端部固定在包边线附近的密实土层上。为防治格栅因倒土产生变形或褶皱，需在搭接处加钉4根5cm长的铁钉。土工格栅摊铺后要及时填筑土料，以避免了阳光直接暴晒，一般情况下间隔时间不应超过24小时。机械设备不得直接在土工格栅上行走。

（4）分类填土、分层压实

将线路内合格的中、弱膨胀土作为填芯材料进行分层回填，分层压实，压实度≥92%，分层回填松铺厚度不超过30cm，压实厚度应控制在25cm左右，填至路槽底面以下1.5m。

（5）改性土制作及回填

改性土采用路拌工艺进行施作，用白石灰在虚铺路基上打成方格，按照试验设计确定的钙基纳米二氧化硅与石灰参量计算出每个方格用量。工人按照每方格用量进行均匀撒灰。撒灰完成后，启动25马力以上的旋耕机进行旋耕4~6遍(具体遍数由铺筑试验段总结而定)，拌合过程中机械要求匀速、平稳，机械拌合完毕后，人工进行检查复拌，力求土料与石灰、钙基纳米二氧化硅拌和均匀，均匀拌合后通过喷水或晾晒处理控制含水率为最优含水率。然后进行碾压，分层回填松铺厚度不超过30cm，压实厚度应控制在25cm左右，重复上述施作步骤进行后续施作，直至填至路槽顶面,回填厚度1.5m。

（6）坡面处理

施工完成后，坡面应当进行适当削坡。按照对应的坡率，对坡面加以平整。

（8）坡脚排水

坡脚处设置纵向排水沟，采用混凝土预制块，均匀布设于坡脚处。相邻预制块连接处采用水泥浆体填充，防止水分的渗入。

（9）植草

坡面平整后，在耕植土层均匀播撒合适的草种，草种的选取应符合当地环境以及美观要求。

工艺技术要点

（1）土料卸成小堆后，用平地机摊铺翻晒，必要时采用路拌机或人工将大土块打碎，在其稠度达到了可压实稠度之前，不得进行松土压实。土料摊铺后的松铺厚度不超过30cm，压实厚度应控制在25cm左右。自重18t的震动压路机静压2遍，弱震1～2遍，再用激震力为40t～50t的凸块式震动压路机或震动羊足碾震动压实，震动碾压遍数为 6～8 遍，压实过程中需防止形成波浪或软弹现象。压路机的碾压行驶速度开始宜用慢速，速度为2.5km/h；碾压时直线段由两边向中间，小半径曲线段由内侧向外侧，纵向进退式行进；横向接头对振动压路机一般重叠0.4m～0.5m。前后相临地段也要重叠1m～1.5m，压实边缘部位时，压路机要与线路方向成45°角碾压，以保证全区段碾压密实。由于膨胀土为高液限粘土，填土压实后若不及时上土覆盖极易开裂，因此，每层填土完成碾压后，应在4h内完成量检测，在6h～8h内完成上土覆盖。压实后振动羊足碾留下的碾印可不作处理，但如遇雨天时，必须先处理好碾印以防止表面积水。膨胀土经摊铺、晾晒达到可压实稠度后，若不能及时实施全部碾压工序，必须先完成静压工艺，以防止水分变化。

（2）压实度及CBR：路基压实度采用重型击实标准，按照主干路标准执行，路基填方要求分层压实。即填方路段路槽底面以下0～80厘米深度范围内压实度≥95%，80～150厘米深度范围内压实度≥93%，150厘米以下深度范围内压实度≥92%；填方路基路槽底下0～80厘米深度范围内填料粒径不得大于10厘米，80厘米深度以下填料粒径不得大于15厘米，坡面压实度不低于92%。膨胀路段路基填筑应及时碾压密实，不得雨季施工。

（3）采用路拌法将石灰、钙基纳米二氧化硅、弱膨胀土进行拌合时，要注意施工当天天气情况，不得雨季及大风天气施工，且将各种材料按照比例进行掺配，先后顺序为石灰、纳米二氧化硅、弱膨胀土，通过拌合次数控制拌合均匀程度，也能避免因拌合而造成材料的损失。

4、总结

在本次研究中，膨胀土处理问题是工程技术研究中不断突破新问题，以解决膨胀土区资源利用的问题。膨胀土作为特殊性土填料，在现场施工中，通过加强现场勘察，完善方案设计，把握技术要点并严格按要求施工，不仅能通过膨胀土改良技术对当地膨胀土进行利用，在一定程度上满足路基强度要求，还能降低施工成本，提高施工效率，进而为整体工程施工效益的提升奠定坚实的基础。

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