唐劲云
合肥高新技术产业开发区建筑工程质量监督站 安徽 230088
摘要：由于城市道路普遍施工工期短、施工节奏快，路基对沉降要求严往往不容许由沉降现象发生，而由粘土填筑的路基在正常情况下后期会发生发生沉降，同时整体性和强度等级不高，所以城市路基设计经常不能采用粘土。按照技术可行，造价合理原则，那么是否存在某些材料既能保证路基避免沉降、提高强度，实践证明石灰改良土不仅能达到上述效果，与粘土路基比同时还具有更好的整体性和更小的透系数，完全能够作为高等级道路的路基。下面从石灰改良土路基的特性、强度机理、设计施工、检验等方面来探讨其质量的控制；并解析路基常见的三种主要病害的成因及其石灰土防治。
关键词：土路基的特性、强度机理、设计施工、检验
一、石灰改良土路基及其特性：
一）石灰改良土路基：将消石灰粉或生石灰粉掺入填筑路基的粘土中，经充分拌合与分层压实形成的路基。早期所说的石灰土，因用量小拌和后的土粒粒径受到严格控制需过筛；现阶段石灰土施工由于普遍采用灰土拌合机械作业，对拌和土粒粒径的要求降低，并不是严格意义上的石灰土，称作“石灰改良土”。
二）石灰改良土与粘土、砂土和级配碎石相比整体性好、承载力较大：交通部规范JTJ034-93二级及其以下道路石灰土基层浸水7天无侧限抗压强度需达到500～700KPa，高速（一级）道路不小于800KPa，联结力强。对应粘土相应石灰改良土填筑的路基在充分压实成型后，尤其是其后期弹性模量显著增加、整体性加强渗透系数变小。
实验可知，石灰土最佳含水量与拌和灰土用的粘土基本相同（一个百分点左右），最大干密度降低；塑性指数随着强度的产生而明显减小，15日可达10个百分点以上，塑性指数随时间增长而逐渐下降，前期快后期慢。
二、灰土的强度机理：
通过试验分析可知，无机结合料所形成的路基整体强度主要由三个方面构成，即内摩擦角、粘聚力、无机矿物间产生化学反应形成具有一定强度的连续结晶体骨架缠绕结合料，并对整体结合料产生纵横向约束。摩擦角、粘聚力很好理解，下面解析石灰土中的结晶体强度形成机理。
一）饱和固结粘土可以理解为粘土颗粒周边为毛细水所包裹处于稳定状态的胶体，之所以可以称作胶体是因为其承受一定的外荷载作用含水量不发生变化（土体体积不发生变化），呈稳定状态。
以合肥地区常见的饱和老粘土为例：含水量21%上下，土颗粒容重取2.74 g/cm3，通过计算可得土体的空隙率位于80%左右可见孔隙率大；通常粘土渗透系数位于10-5～10-7区间渗透性极低，因此可以认为饱和粘土中的水，除极少数以毛细水的形式存在土体中，余下的水均为土粒表面吸附的强、弱结合水。
石灰改良土充分拌和后，可以认为石灰均匀的分布于为结合水所包裹的土颗粒、毛细水表面。往粘土中加注消石灰可以判定是不可能加注到土体水中的，即使认为有可能，用理想的方法把一定剂量的消石灰均匀加注到水中去，按其在200C水中溶解度1.65g/L，通过换算可以得知用量为22mol/m3，施工含水量若以利于压实取21%、湿密度取极值2.1 g/cm3（限合肥地区）进行折算，土体内全部水的含量应为364Kg，土体中可溶解的氢氧化钙仅为8mol/m3，这完全是无法实现的。至于石灰土中的实际消石灰用量可以通过计算求得，以合肥地区常见的石灰土为例：6%最大干密度为1.73g/cm3、石灰土，石灰用量为98kg，钙镁含量按照一级石灰标准所限定范围取70%，忽略氢氧化镁含量全部以氢氧化钙计，可算得土体中氢氧化钙的用量为927mol/m3。通过计算和上面比较比较不难看出，石灰土拌和后只有很小的部分消石灰可能渗入自由水中，绝大多数消石灰均匀的分布于为结合水所包裹的粘土矿物颗粒表面。
2、石灰土强度机理本质同水泥的火山灰反应，氢氧化钙与粘土颗粒二氧化硅、三氧二化铝中和水发生化学反应生成具有一定强度的水化硅酸盐、水化铝酸钙结晶体缠绕着未发生反应的粘土矿物，减少了土体的含水量、增加了内摩擦角，土体强度增加；生成的结晶体部分占据了原毛细水空间，使得土体渗透性更差。随着科学技术的进步，通过扫描电镜观察龄期长的石灰稳定土，发现其内部产生和生长大量的纤维状结晶体物质，据此可以判定石灰改良土的强度增长是由此引起的。
粘土的主要矿物组成组成主要有三种分别为高岭土、伊利石和蒙脱石。组成粘土主要为两种，硅氧四面体（其连续基本组成为SiO4+n×SiO2）和氢氧化铝八面体组成。单个硅氧四面体和氢氧化铝八面体由于正负电荷数不平衡，表面都带有大量的负电荷，单个无法平衡出于稳定需求必然就需要形成新的结构对负电荷进行稀释分散。以高岭土为例，通过对粘土组成的分析可以看出，硅氧四面体以共用氧原子在平面连续增加SiO2、竖向（层间）连续增加Al（OH）3来实现的。这种联系如果以硅氧四面为中心，应该是离硅氧四面体中心越近联系越强结构越稳定，越远联系就越弱结构稳定性变差。
通过业界学者大量的实验研究成果可以判断，在一定温度的条件下氢氧化钙将矿物结组成单元中的硅氧四面体、氢氧化铝八面体反应生成新物质增强土体整体强度，反应分两步进行，第一步先生成胶体水化物（水化硅酸盐），第二步结晶硬化，水化、硬化结晶过程具体反映过程根据目前可查阅的有关资料，主要分为以下几种类型：
xCa（OH）2+Si02+（n-1）H20→xCaO·Si02·nH20（凝胶）
3Ca（OH）2 +Al203 +2Si02+mH20→3CaO·A12O3·2Si02·nH20（凝胶）
xCa（OH）2+Al203+mH20→xCaO·A12O3·nH20（晶体）
X≤3，上述反应可以明显得看出消耗了土体中大量的水。生成物（形成凝胶或结晶）互相啮合形成网状结构。反应应从薄片状粘土边界开始，随着Si02、Al（OH）3不断从粘土颗粒中的剥离，反应将逐步向内推进直至达到一种新的平衡。反应过程反应物和生成物间离子交换和吸附通过结合水传递过程得意实现。
新的平衡体系的建立不仅与粘土的性质，同时还与粘土的含水量、消石灰等因素有关。如果生成物胶粒水化膜的粘滞力小于胶粒间的范德华作用力，就有可能把微粒间夹层水排挤出去。
微粒直接接触后将形成化学键，缓慢地生成硅、铝等硅酸盐类复合物结晶，新生晶体会逐渐长大，发展，形成网络结构，并逐渐脱水干涸以稳定的结晶缩合结构成为结晶整体，而成为具有较高强度的水稳性材料。火山灰反应是一个缓慢，长期的过程，这是石灰土具有较高后期强度的根本原因。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆碳酸钙和氢氧化钙结晶体不是石灰改良土中强度的主要因素，本文不予分析。
三、石灰土设计有关主要技术要求
一）石灰改良土中的含灰设计
灰改良土后期强度正常与一定范围内的石灰用量成正比，含灰量越大石灰土的强度值就越高。实践证明当石灰含量小于3%时，由于消石灰与粘土反应生成的胶体和晶体数量小，改良后土体的强度不明显；受粘土颗粒中活性物质数量的限制，当含灰量达到10%时土体的强度提高已不明显。设计含灰量大于10%，若拌和的土颗粒粒径较大，由于消石灰不能与土粒充分反应，形成消石灰夹层势必降低土体强度。合肥地区粘土粘结力较强，含水量大，按施工技术规范对掺灰土拌和三遍粒径往往大于2厘米，按照技术可行经济合理的原则，粘土石灰用量一般控制在6% ～8%就可以完全可以满足所有等级路基设计对强度等级的要求。
二）路基边坡、高度与宽度设计
1、坡比：现阶段坡比通常按照“公路设计技术规范”的要求进行设计，缺少针对性有时存在填筑的路基坡面外有填土等情况，设计仍然按照标准形式设计，保守、经济不合理。
按照土质学与土力学理论，土坡稳定度是用稳定安全系数（K）表示，它是指土的抗剪强度（ιf）与土坡活动面中可能活动面上产生的剪应力（ι）间的比值及K=ιf/ι，石灰土路基坡比设计现大都数仍然按照粘土标准，有时要求达到1：2 明显偏大。石灰土后期内因摩擦角、粘结力增大，设计应根据实验取得的内摩擦角、粘结力等数据，通过计算合理确定坡度。
2、路基宽度、高度：按照现行各类技术规范、标准路基宽度富裕量不大，设计应执行相应规范标准要求。路基填筑形成路堤过高工程量大、占用大量土地，成本高。高路堤填筑一定要和修建桥梁全面综合比较，以实现社会效益最大化，大于5米的路堤宜修建桥梁。
四、石灰改良土密实度检测：
现场拌和灰土很由于难做到均匀一致，控制不严普遍存在实际石灰用量小于设计规定，土体含灰量的不足土粒成分增加，与标准击实曲线最大干容重比对增大，含灰量越少比对后压实度数值越高。要较好的反应土体的压实效果，应该在土体压实成型后及时取样，在取样位置测定分别测算土体含灰量和密实度，并与相应的标准击实曲线最大干密度比对，避免实验数据失真造成质量失控。
五、路基检验应以CBR法进行检验：
一）路基回弹模量常规检测方法及其不足：回弹模量常规检测，至今直接检测路基回弹模量的方法还没有得到普遍的运用，大多通过弯沉的测定在换算出回弹模量来判断路基的回填质量。弯沉值测定在不利季节是一个模糊的概念，不能准确反应其土体是否处于最不利力学条件如受水浸泡饱和等情况，同时由于路基施工的连续性，弯沉基本在施工结束后及时测定，不可能等到最不利季节；同时石灰土后期强度增大，弯沉测定无法准确判定石灰土路基的质量情况，因此用弯沉作为设计、检测指标不合理。
二）路基设计强度应采用CBR检验，可以认为土体处于最不利力学状态，所测得承载力可靠。
六、路基常见病虫害的防治
城市路基主要为三大病害，分别为位于路基下回填深沟槽下沉、桥头路基下沉，以及检查井四周路基或检查井的下沉，下面来谈谈它们的成因及石灰土防治措施。
一）挖方深沟槽路基回填病害往往是设计、施工的重视不够、处理不当造成。深沟槽两侧原状由于充分固结，从底到顶部土体干密度及其地基承载力正常较大，若回填参照道路路基或排水沟槽的回填压实度标准势必会造成极大的差异变形。沟槽深度大于150厘米，按照路基压实度要求正常只需达到90%，通过上面分析可知压实度为90%的填土即使没有行车荷载作用都将下沉固结，若有车辆等外荷载的作用，毫无疑问将加速其下沉固结速度，且随着压实度的降低沉降量加大。沟槽底部往往由于工作面较窄，无法使用大型机械对填土进行碾压，人工回填往往压实不充分质量隐患大，对于重型机械难以压实部位设计要充分考虑，对选用的材料不仅要保证其回填后强度指标，同时还需要保证回填固结后无差异变形发生，优先选择易压实、回弹模量大、强度高的填料。
二）检查井与其四周路基差异变形最主要的两种成因。
其一是因为检查井与其周边区域路基受力状况不同导致井周下沉。井身周围回填材料以往各地一般采用砂砾土、素土等材料，这些材料与刚性特征的检查井在刚度、自重、强度，以及变形模量、压缩模量等存在很大的差异。井身和路基在结构上的差异决定了它们在受动荷载作用时，其竖向位移、塑性变形必然存在着明显的不同。在外力作用下，井周边回填范围往往是应力集中区域，但作为柔性路基和刚性井身的结合位，这部分在结构上又是塑性变形和刚度的突变体。动荷载作用柔性路基和刚性井身必然会产生不均匀变形，刚性井身产生较小的变形，而路基变形会较大，进而产生沉降差。
其二是由于行车荷载作用下检查井与道路结构受力不同导致检查井下沉。以前检查井通常由普通粘土砖砌筑，近年来由于各地纷纷禁黏，现在基本采用预制块砌筑、砼浇筑，检查井为刚性体。检查井位于车行道下，行车荷载经井盖-井座-井壁传递到检查井基础，车辆荷载应力传递路线与井口周围路面没有发生直接联系，检查井独立承担行车荷载，应力的扩散范围基本只在检查井基础底面积范围，略去井身自重，基底最大应力可用偏心受压公式计算。水泥混凝土路面的计算模型是弹性半空间体上的无限大板，沥青路面的计算模型是弹性层状体系，它们对行车荷载的应力扩散范围远大于检查井底。这样导致路面下与检查井同样深度处的路基应力远小于检查井基底，荷载长期便可能造成检查井井口沉降。
检查井及其周边路基差异变形病害的防治措施：路基内有检查井等构筑物时，刚柔区域衔接处是受力的薄弱环节，对此需作为质量控制的关键点，设计需细化回填所采用的材料、回填土体密度、强度等技术指标，最好能够做到检查井周边的“填土”和检查井粘结成整体受力，防治差异变形发生；保证检查井基础地基承载力，设计应不小于100kPa，对于软土地基不得采用原土回填，需进行换填，换土回填后的地基承载力须满足设计、规范要求。
桥头路基回填差异变形的控制，桥头回填差异变形主要是由于填土不密实原因造成的，由于桥台基础位于稳定的持力层，且台身不发生任何沉降，桥台基础下土体在受到外荷载作用下沉降量小、固结时间长，因此可以认为与路基相当厚度的台身部分的沉降量忽略不计（实际需经过试验和验算本文不做讨论）。桥头路基施工中常因因工作面不足，或担心轻型桥台单侧回填可能造成桥身倾斜，路基填土往往未能达到充分压实。为避桥头路基免差异变形发生，设计尽量采用石灰土、级配碎石等材料填土；施工中做到用大型机械对填土进行充分碾压确保保证其密度、强度指标符合设计要求。
石灰土属半刚性材料路基，后期强度高、整体性好，且渗透系数小、压缩系数极低，特别适合作为一般城市道路路基材料，包括上述三种主要路基病害的防治设计经常采用石灰土处理是完全合理可行的。
参考书籍：
《土质学土力学》洪毓康主编
论文作者:唐劲云
论文发表刊物:《建筑科技》2018年第1期
论文发表时间:2018/4/8
标签：路基论文; 石灰论文; 粘土论文; 强度论文; 消石灰论文; 荷载论文; 压实论文; 《建筑科技》2018年第1期论文;