稳定粉土底基层稳定方案研究

稳定粉土底基层稳定方案研究

王金生1徐寅善2

1杭州都市高速公路有限公司浙江杭州310024；2浙江省交通运输科学研究院浙江杭州311305

摘要：在公路工程中稳定粉土常作为公路路面的底基层，但是已有研究在粉土稳定方案比选时所考虑的因素还不够全面。为确定稳定粉土底基层更合理的稳定方案，本文通过对10种不同稳定粉土方案（石灰稳定、水泥稳定、石灰粉煤灰稳定、水泥粉煤灰稳定、水泥石灰稳定、水泥石灰粉煤灰稳定、石粉稳定、水泥石粉稳定、固化剂稳定、固化剂石粉稳定）不同掺量配合比的粉土试样的7d无侧限抗压强度、收缩性能、疲劳寿命以及各方案的工程造价进行综合分析，根据试验的得到的相应评价参数对各方案进行比选。结果表明：对于重、中交通等级的高速公路、一级公路、二级及二级以下公路宜采用石灰粉煤灰稳定粉土（12：24：64）、水泥粉煤灰稳定粉土（8：24：68、8：32：60）、固化剂稳定粉土（10：100）；而对于轻交通等级的二级及二级以下公路建议宜采用石灰粉煤灰稳定粉土（12：24：64）、水泥粉煤灰稳定粉土（6：24：70）、固化剂稳定粉土（10：100）。

关键词：粉土；底基层；稳定方案；强度；收缩性能；造价

Researchonstabilizationschemeofstabilizedsiltsub-base

WANGJinsheng1，2，ZHANGHongliang1

（1.Chang’anUniversity，Xi’an，Shanxi710064，China；

2.ZhejiangCommunicationsInvestmentGroupCO.，LTD.Hangzhouplate，Hangzhou，Zhejiang310024，China）

Abstract：Inhighwayengineering，stabilizedsiltoftenactsassub-baseofhighwaypavement.However，inthecurrentstudy，theconsiderationfactorisnotcomprehensivewhenchoosingstabilizationscheme.Inordertodetermineamorereasonableschemeofthestabilizedsiltsub-base，unconfinedcompressivestrength，shrinkageproperties，10differentkindsofstabilizationschemes（thefatiguelifeandprojectcostofcementstabilizedsilt，limestabilizedsilt，hardenerstabilizedsilt，cementandlimestabilizedsilt，cementlimeandflyashstabilizedsilt，limeandflyashstabilizedsilt，cementandflyashstabilizedsilt，powderstabilizedsilt，cementandpowderstabilizedsilt，hardenerandpowderstabilizedsilt）areanalyzedbasedonthe7dunconfinedcompressivestrength，shrinkageproperties，fatiguelifeofthespecimenandthecostofthescheme.Accordingtothecorrespondingevaluationparametersfromthetests，thesesschemesarecomparedandselected.Theresultsshowthatitrecommendslimeandflyashstabilizedsilt（12：24：64），cementandflyashstabilizedsilt（8：24：68，8：32：60），hardenerstabilizedsilt（10：100）forhighway，first-classhighway，secondaryroadsandfollowingroadofheavy，mediumtrafficlevel，anditrecommendslimeandflyashstabilizedsilt（12：24：64），cementandflyashstabilizedsilt（6：24：70），hardenerstabilizedsilt（10：100）forsecondaryroadsandfollowingroadoflighttrafficlevel.

Keyword：silt；sub-base；stabilizationprogram；strength；shrinkageproperty；cost

在路基工程当中，路面底基层的稳定对公路施工以及运行过程的安全性有着重要意义。山东菏泽地区位处于在黄河下游的冲击平原内，当地土大部分为黄河流域的冲积粉土，因此在该地区内，稳定粉土常被来充当路面底基层的主要材料。但由于粉土颗粒级配极差，公路工程性质不良，在该类地区的路面底基层设计和施工存在诸多问题亟待解决。

由于不同地域条件下的粉土之间差异性很大，国内一些学者针对不同地区的不同粉土类型（河北邯郸地区的低液限粉土[1]、含砂粉土[2]以及陕西榆林地区的低液限粉土[3]），对其底基层的稳定性问题做了一系列研究，通过大量室内强度及伸缩性试验，提出了对于特定地区及类型粉土的最优稳定加固方案。另外，在实际路基工程当中，粉土底基层稳定材料的选择多种多样，龚智辉[4]通过一系列室内试验比较了水泥粉煤灰稳定和水泥石灰粉煤灰综合稳定两种方法的稳定效果，并通过对不同配合比试件的测试探讨了两种方法不同配比条件下的加固效果。除了传统的运用粉煤灰稳定底基层的方法以外，龙永新[5]在厂区道路施工中发现应用DHT土壤凝合素拌合黏土、砂土可以很好的代替原设计的灰土底基层，并通过试验得到当DHT土壤凝合素的拌合掺量达到8%时最为经济合理同时能够满足路基设计的强度要求。除此之外一些学者[6]考虑不同施工地段的水文地质条件，分别对石灰、水泥稳定粉土进行了常规的强度试验以及水稳定性试验，研究结果表明当石灰掺量达到8%或水泥掺量达到5%时的稳定粉土可以满足二级及二级以下公路的基层要求，但8%的石灰稳定粉土的谁稳定性较差，不适合用于水文地质条件较差的特殊路段。综上所述，尽管已经有众多学者就粉土底基层的稳定方案比选上做了大量工作，但现有的研究中仍存在一些缺陷，如选择稳定材料时的比选过于简单不够全面，评价稳定效果的指标未能综合考虑稳定土的耐久性和经济性等，这些因素都会导致通过比选得到的最优稳定方案不够可靠。因此考虑粉土性质的区域差异性、稳定材料的多样性以及稳定评价指标的复杂性，提出针对特定区域系统完整的稳定方案研究仍然十分重要。

本文以菏泽地区粉土为研究对象，考虑稳定粉土的多个稳定评价指标（7d无侧限抗压强度、收缩系数、疲劳寿命、工程造价），对石灰稳定、水泥稳定、石灰粉煤灰稳定、水泥粉煤灰稳定、水泥石灰稳定、水泥石灰粉煤灰稳定、石粉稳定、水泥石粉稳定、固化剂稳定、固化剂石粉稳定等10种方案进行对比，确定出合适的剂量，并以轻交通等级的二级及二级以下公路底基层稳定方案选取为例进行详细分析，推荐出适合菏泽地区稳定粉土底基层稳定方案。

1原材料性质

（1）粉土

山东S262东兰线段的土质经室内试验，为砂质低液限粉土，其物理力学性能如表1所示。

表1粉土物理力学性能

（2）石灰

石灰为I级钙质石灰。稳定用消石灰由生石灰消解而得，过1mm筛。

（3）水泥

水泥为32.5级普通硅酸盐水泥，水泥各项指标实验结果如表2所示。

表2水泥各项指标

（4）粉煤灰

粉煤灰主要技术品质如表3所示。

表3粉煤灰组成

（5）固化剂

固化剂为菏泽某公司生产的DHT土壤凝合素，是以粉煤灰等多种无机结合料复合而成的干粉系列土壤固化水硬性胶凝材料。其主要成分为Fe2O3、Al2O3、MgO、SiO2、CaO。其组成如表4所示。

表4DHT土壤凝合素组成

（6）石粉

石粉产地是山东省菏泽市巨野县核桃园。

2稳定方案

在菏泽地区的路基工程中DHT土壤凝合素常作为粉土底基层的稳定材料被广泛使用，但对于其稳定粉土的抗压强度和收缩性能的研究却十分缺乏。另外由于粉土颗粒级配组成不合理，故采用石粉改善其级配组成。同时根据规范要求兼顾工地实际材料供应情况，拟定了水泥稳定粉土、石灰稳定粉土、固化剂稳定粉土、水泥石灰稳定粉土、水泥石灰粉煤灰稳定粉土、石灰粉煤灰稳定粉土、水泥粉煤灰稳定粉土、石粉稳定粉土、水泥稳定石粉粉土混合土和固化剂稳定石粉粉土混合土共计10种稳定方案。

3各类稳定粉土的物理力学性能和经济性分析

3.1各类稳定粉土力学性能分析

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）[7]，对各类稳定粉土进行7d无侧限抗压强度、设计龄期抗压强度（不同稳定方案的设计龄期各有不同）及养生7d后的收缩性能进行分析。依据《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）[8]和《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）[9]，分析得出满足轻交通等级的二级及二级以下公路的7d无侧限抗压强度的稳定方案，其收缩性能、7d无侧限抗压强度及设计龄期抗压强度如表5所示。

表5稳定方案的最大干密度、最佳含水量、7d无侧限抗压强度及设计龄期抗压强度

3.2稳定粉土疲劳寿命系数分析

根据《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）[9]，有

（1）

式中：—路面结构材料的容许拉应力（MPa）；

—沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度（MPa）；

—抗拉强度结构系数。

其中，对于水泥稳定类材料系指龄期为90d的极限劈裂强度；对于二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度；对于水泥粉煤灰稳定类材料系指龄期为120d的极限劈裂强度；而对于固化剂稳定类材料根据强度增长速度，取龄期为180d的极限劈裂强度。

无机结合料稳定细粒土类的抗拉强度结构系数，可按下式计算：

（2）

式中：—设计年限内一个车道累计当量轴次（次/车道）；

—公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三级、四级公路为1.2。

另外，无机结合料稳定细粒土的同龄期抗压强度与劈裂强度间存在如下比例关系：

（3）

式中：为与相对应龄期的抗压强度；k为比例系数。

将式（1）（2）（3）联立可得：

（4）

对同一条公路路段、为定值，所以为定值，设为A

则式（4）可表示为

（5）

从上式可以看出，设计年限内一个车道累计当量轴次只和抗压强度有关。抗压强度取表5中与极限劈裂强度相对应龄期的强度，由此计算出疲劳寿命如表6所示。

表6各类稳定粉土的收缩性能、疲劳寿命、

单位标准轴载作用次数所对应的造价

3.3稳定粉土工程造价分析

依据菏泽公路局提供的资料，人工、原材料、机械的单价如表7所示，石灰稳定粉土、水泥稳定粉土、石灰粉煤灰稳定粉土等稳定方案的人工、原材料、机械的定额如表8所示。

结合工程造价计算出建筑安装工程费。总的建筑安装工程费用除以疲劳寿命（即设计年限内一个车道累计当量轴次）得到单位标准轴载作用次数所对应的造价（如表6所示），该值可以用来评价在公路寿命周期内各类稳定方案所需工程费用的高低。

表7人工、原材料、机械的单价

表8三种稳定粉土的人工、原材料、机械的定额

4稳定方案结果的分析

依据规范中对稳定粉土试样7d无侧限抗压强度的相关规定，并结合表5、表6的分析结果，综合考虑收缩性能、疲劳寿命、单位标准轴载作用次数所对应的造价等因素，得到针对每种稳定方案的1~2个推荐配合比，再对比各稳定方案推荐配合比所对应的评价参数得到适合菏泽地区粉土底基层的3~4种最优稳定方案当采用水泥作为粉土稳定材料时，只有水泥掺量为10%的粉土的7d无侧限抗压强度满足规范中对强度的规定，故水泥稳定粉土方案的推荐配合比为10%。

对于石灰粉煤灰稳定粉土而言，对比其配合比的性能和造价可以得出，由配合比12：24：64的二灰土的疲劳寿命远大于另外两种二灰土的疲劳寿命，其单位标准轴载作用次数所对应的造价和干缩系数小于另外两种二灰土的造价和干缩系数，其温缩系数略大于另外两种二灰土的温缩系数。综合以上分析，石灰粉煤灰稳定类土的推荐配合比为石灰：粉煤灰：粉土=12：24：64。

同理可分析其他几种稳定方案，并给出推荐配合比如表9所示。

对比上表中各稳定方案推荐配合比的评价参数并经过综合分析，进一步筛选出三种推荐的稳定方案，如表10所示。另外四种稳定方案被淘汰，其原因如下：固化剂石粉稳定粉土的单位标准轴载作用次数所对应的造价远高于其他稳定土的造价，且其在疲劳寿命以及收缩性能上对比其他稳定土没有优势；虽然水泥稳定粉土和水泥石灰稳定粉土的温缩系数和干缩系数最高，但其单位标准轴载作用次数所对应的造价远高于除固化剂石粉稳定粉土以外的稳定土的造价，并且其疲劳寿命远低于除固化剂石粉稳定粉土以外的稳定土的疲劳寿命；而对于水泥石灰粉煤灰稳定粉土，虽然其单位标准轴载作用次数所对应的造价很低，疲劳寿命很大，干缩系数和温缩系数也很小，但结合料过多，施工工艺过于繁琐。

表9各稳定方案推荐的配合比

表10稳定土进一步推荐的配合比

表11重、中交通等级的高速公路、一级公路、二级及二级以下公路推荐配合比

依照以上分析流程，同样可以得到针对重、中交通等级的高速公路、一级公路、二级及二级以下公路的推荐稳定方案以其配合比，如表11所示。

5推荐稳定方案的力学性质

另外本文通过测试以上推荐稳定方案所对应试样的回弹模量和劈裂强度，从而确定了加固后稳定土的力学性质，其试验结果如表12所示。

表12推荐稳定方案的力学性质

6结论

本文针对10种不同的粉土底基层稳定方案，在其7d无侧限抗压强度满足规范要求的基础上，系统考虑了稳定土的收缩性，耐久性以及稳定方案的经济性，综合评价推荐出适合菏泽地区粉土特性的最优稳定方案。其中对于轻交通等级的二级及二级以下公路推荐出3种稳定方案：

（1）石灰粉煤灰稳定粉土：石灰：粉煤灰：粉土=12：24：64；

（2）水泥粉煤灰稳定粉土：水泥：粉煤灰：粉土=6：24：70；

（3）固化剂稳定粉土：固化剂：粉土=10：100。

而对于重、中交通等级的高速公路、一级公路、二级及二级以下公路推荐出4种稳定方案：

（1）石灰粉煤灰稳定粉土=12：24：64；

（2）水泥粉煤灰稳定粉土=8：24：68、8：32：60；

（3）固化剂稳定粉土=10：100。

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[8]公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000）[S].北京：人民交通出版社.2000

[9]公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）[S].北京：人民交通出版社.2006