摘要：通过对火山渣力学指标和级配的分析，得出火山渣在具有透水性强、水稳定性好等一系列良好工程特性的同时还存在不易碾压密实、不易板结、压实后表面松散、抗冲刷能力弱等缺陷。为了利用其良好工程特性，消除不良工程特点的影响，提出两种解决方案：1.掺配火山渣：火山渣掺拌细粒土；2.破碎火山渣：将级配较差的天然火山渣破碎、分档合成密级配火山渣。通过对改善火山渣抗压强度、加州承载比、水稳定性、压实性能等力学指标的试验研究分析，得出两种方案各自的优越性和局限性，据此提出每种方案在施工过程成中的适用领域。通过在AA高速公路施工中的应用和现场检测，检验了两种方案的施工可行性和实际效果。
关键词：掺拌；级配；台背回填；底基层；路基回填
1 天然火山渣的工程特性
1.1 天然火山渣的物理力学指标
由图(1/2)可得出：①天然火山渣主要是以粗颗粒分布为主,细颗粒少,属于级配良好砾。②随击实功的增大，整体变细，不均匀系数增加，曲率系数降低，由级配良好砾先是转变为级配不良砾，再转变为细粒土砾，最后转变为砂类土③击实后的火山渣0.5~2.0mm变化幅度最大，火山渣粒径变得比较均匀、单一，级配较差。
2 改善火山渣工程特性技术方案的研究及分析
针对火山渣不良工程特性的内在原因，提出两种技术方案对其进行改善：
第一种方案：掺配火山渣。利用细粒土粘结性好、细料含量多的特点达到提高其细料含量、增加颗粒间粘结力进而解决火山渣不良工程特点。
第二种方案：破碎火山渣。通过机械破碎、分档、合成密级配火山渣，增大颗粒之间的摩擦阻力、改善级配降低其空隙率进而改善其工程特性。
3 掺配火山渣方案的实验结果及分析
3.1 掺配火山渣混合料结构分析
第一种形式为骨架空隙结构，见图 a)，当细粒土掺量很少时，火山渣颗粒相互接触，骨架完整，颗粒间空隙很大；材料强度依靠颗粒间的摩擦力和嵌挤获得。该结构透水性、水稳定性好。但颗粒间缺乏粘结性、施工压实困难、整体板结性差且压实后表面松散。
第二种形式为骨架密实结构,见图 b)，随着细料土掺量的增加，细料逐渐填充于火山渣颗粒之间形成的空隙，但并未破坏火山渣原有的骨架结构，材料依然能够从颗粒接触获得强度，其塑性指数、粘结力、密实度明显提高，但水稳定性略有下降，透水性变差，施工时较第一种结构容易压实，表面松散和整体板结性差的特点得到了明显改善。
第三种形式为悬浮密实结构,见图 c)，随着细料土掺配比例的增多,火山渣颗粒之间的接触逐渐被破坏,原有的颗粒骨架结构已不再完整，骨料之间的摩擦力也大大减低。此结构的材料强度、水稳定性比第二种结构大大降低，但在施工时最容易压实。
第四种形式为悬浮结构，见图 d)，混合料以细料为主，火山渣颗粒之间没有接触，就像悬浮在细料之中,未起到骨架作用。此时火山渣的良好工程特性不能显现，混合料的整体性能以细粒土工程特性为主。这类混合料密实度较低、透水性和水稳定性差。
3.2 最佳细粒土掺配率的试验过程及确定
从火山渣-细粒土结构分析可知，掺配细粒土能有效改善混合料的工程特性。但掺量过低起不到填充密实和增加粘结性的作用；掺量过大势必影响其使用性能，造成工程隐患。因此通过混合料压实性能、水稳定性能、整体板结性、透水性等各性能的试验研究，参考不同施工部位的技术要求，提出不同施工部位的最佳掺拌比例和范围。(火山渣、细粒土来源于K29+500借土场，细粒土掺量按10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%和50%进行试验)
由表(5)、图(6)可得:①随着细粒土掺量的增加，其承载力增加，在掺量10%~15%达到峰值；②随着细粒土掺量的增加，掺量达到15%时，粘聚力与骨架作用为最佳组合，此时饱水单轴抗压最大，而后虽然粘聚力增强，但由于火山渣骨架作用形成强度的损失比粘聚力的增加大，整体饱水单轴抗压能力下降③随着细粒土掺量的增大，其结构形式发生变化，最大干密度升高、孔隙率降低、压实性能逐渐改善，掺量25%时为最密实状态，25%~30%时达到最佳压实状态；④随着掺量的增大，其液塑限、塑性指数、CBR膨胀率逐渐升高，由于击实前后各比例混合料级配都有不同程度的改变，导致击实后液限、塑性指数有所下降。⑤封水层：OACmin=30%，OACmax=45%，OAC=37.5%；普通路基：OACmin=20%， OACmax=35%，OAC=27.5%；开平层：OACmin=15%， OACmax=25%，OAC=20%；
4 破碎火山渣方案的实验结果及分析
参照埃塞俄比亚-亚的斯Section 300规范,并考虑K29料场火山渣级配的实际状况，初选C级配做为级配控制范围。将天然火山渣室内经人工重新破碎分档形成0~0.5mm、0.5~9.5mm 9.5~25.0三档火山渣，然后按照不同的比例将其组合形成粗中细三种级配，分别对这三种级配进行级配、密实性、压实性能、水稳定性能、整体板结性能、透水性能的试验研究。（由于人工破碎产生的粉量较少，因此室内试验为方便将其分成三档进行合成；实际应用中，可根据轧石机的性能将其分为二档或者一档）
由表(7)、图(7)可知：①随着击实功的增加，破碎火山渣逐渐变细；细料含量增多，火山渣颗粒之间的接触面积变大，火山渣颗粒被击碎的比例逐渐下降②击实后的火山渣0.425mm~2.0mm之间的颗粒增加明显，被压碎的颗粒主要集中在9.5~25mm。
2).破碎火山渣的技术指标
由表(8)、图(8)可得如下结论:①在一定的级配范围内，火山渣随着级配由粗变细，其最大干密度逐渐升高，孔隙率逐步降低，级配火山渣逐渐填充密实。②随着级配火山渣的级配逐渐由粗到细，材料的结构形式发生变化，压实性逐渐改善，在相同的击实功下得到的压实度逐渐提高。③随着火山渣级配由粗到细，材料的水稳定性（CBR）和整体板结性能（单轴抗压）有了明显改善但材料的透水性能也有了明显的下降。
5 火山渣改良方案在工程使用中的效果
根据两种改良方案的优越性和局限性分析，考虑到项目的总体施工计划和安排（主线路基成型之后，基本都要经过一个雨季的冲刷和半年时间过往施工运输车辆的冲击考验），主要将掺配火山渣方案应用于主线路基施工，破碎火山渣方案应用于结构物台背回填和K19连接线。现取有代表性路段弯沉数据汇总如下：
有表(10)可知：两种方案应用于路基回填之后检测弯沉值均到达了设计要求。经过一个雨季的冲涮和5~8个月的施工运输车辆的冲击之后，从现场路表情况来看，路面平整，未有沉陷、碎裂、搓板、松散、严重冲刷等路基直观病害的发生。
结语
综上所述，两种火山渣改良方案应用于公路工程施工是完全可行的。两种方案在保留火山渣原有透水性强、承载力大、耐磨性强良好工程特性的基础上，均彻底改善了其不易碾压密实、不易板结、抗冲刷能力差的不良工程特点。同时通过对两种火山渣改良法案的试验研究分析和现场施工效果来看，掺配火山渣方案适用于普通路基回填和开平层施工；破碎火山渣方案适用于结构物台背回填、底基层、路基开平层的施工。
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论文作者:陈新颖
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/2
标签：火山论文; 细粒论文; 颗粒论文; 密实论文; 路基论文; 方案论文; 结构论文; 《工程管理前沿》2019年第07期论文;