高速铁路水泥改良钻渣路用性能研究

王伟志 严赪强 徐永福 王 浩

(1.上海铁路枢纽工程建设指挥部，上海 200003；
2.上海交通大学土木工程学院，上海 200240；
3.皖江工学院，安徽马鞍山 243000)

目前，能直接用于高速铁路路基填筑的天然填料较少，且天然填料的路用性能很难满足工程要求，需要对其进行改良加固[1-2]。

在沪苏湖高速铁路桥梁桩基的钻孔灌注桩施工过程中，产生大量的钻渣，需要运送到指定的纳场所集中处理，处理费用高昂。根据《上海市建筑垃圾处理管理规定》(沪府令57号)规定，固体废渣的处理原则是：减量化、资源化、无害化和“谁产生、谁承担处理责任”。因此，钻渣最理想的处理方法就是改良利用[3]。

钻渣改良利用就是将钻渣与固化剂充分拌合，经压实、养护形成坚固稳定的路基，常采用的固化剂主要有石灰、水泥等[4-5]。水泥改良土用作高速铁路路基填料的可行性已得到广泛验证，傅代正采用水泥、石灰改良下蜀黏土用作京沪高速铁路徐沪段路基的填料[6]；
王素灵采用水泥改良湿陷性黄土，成功应用于郑西高速铁路路基填筑，形成了水泥改良土的施工方法、工艺流程和质量检测的成套技术[7]。

对材料进行改良时，水泥掺量是极其重要的指标。张保卫采用水泥改良粉细砂，分析了改良土耐久性的影响因素，提出水泥的最佳掺量为5%[8]；
史卫国等通过在黏性土中掺入3%～7%水泥，改善黏土的颗粒级配、塑液限和压缩性，提高强度和水稳性[9]；
朱江江等依托浩吉重载铁路工程，采用水泥改良全风化软质岩填料，并分析路基填筑施工关键控制参数和碾压工艺[10]；
颜胜才针对高铁路基填料的水泥改良问题，通过室内试验研究了水泥改良土的力学性能，发现水泥改良土具有良好的击实特性和水稳性，并且要求水泥掺量不宜低于3%[11]。

水泥改良土从搅拌、运输、摊铺整平到碾压成型需3～4 h，还应考虑延迟击实影响，并由此衍生出了对水泥改良土施工工艺的诸多成果。闫登峰和王兰根据室内试验结果指出，延迟击实对水泥改良细砂的最大干密度和7 d饱和无侧限抗压强度有一定影响，但只要选择的碾压工艺合适、压实含水率控制得当，延迟击实不影响水泥土路基整体性状[12]；
颜胜才等介绍了水泥改良土的作用机理，通过室内和现场试验，分析了水泥改良土击实性、水稳性、强度特性、刚度特性等物理力学特性[13-14]；
柳墩利等分析了郑西铁路高速铁路水泥改良土路基压实系数达不到设计要求的原因，建议检测时应考虑碾压延迟影响，采用击实延迟时间相同的最大干密度控制压实系数[15]。

相关学者对水泥改良土进行了大量的研究，但对改良土用于路基填筑的具体实际方案研究还相对较少。以下依托沪苏湖高速铁路上海段水泥改良土路基工程，提出采用水泥改良钻渣用于路基填筑的施工方案，为高速铁路路基的钻渣改良利用提供技术支撑。

沪苏湖铁路上海段线路长约66.85 km，沿线产生的渣土和泥浆干化后土方总计154.3万m3，具体路段产量见表1。

表1 各区渣土和干化泥浆数量 万m3

根据相关规定，渣土和泥浆必须运至指定的消纳场所进行处理，泥浆在进入消纳场所前还需要进行预处理。上海市重大工程渣土消纳场主要有：浦东机场2号围区：(总库容约400万m3，接收泥浆)、南汇东滩N1库区(容量3 900万m3配套设施完善，渣土和泥浆处置和消纳的费用约为1.3亿元)。因此，从高速铁路建设的可持续发展角度看，对渣土和泥浆的改良利用具有显著的经济效益和重要的社会意义。

沪苏湖铁路上海段施工Ⅵ标段路基填方设计276.88万m3，其中承台土改良利用62.81万m3，尚缺方200多万m3，需要外运远购。为了节省工程造价，解决路基填料难题，就近将施工Ⅶ标的钻孔灌注桩产生的钻渣泥浆干化后改良利用，选择石湖荡站货场改路DK67+700～DK67+865，开展水泥改良土路基填筑施工工艺试验，路基横断面设计横断面见图1。试验段土层岩性主要为淤泥质粉质黏土层、粉土粉砂层，具体土层如下。①(1)素填土(Q4m)：稍湿，松散；
②(2)黏土(Q4m+al)：软塑，σ0=120 kPa；
③(3)1淤泥质粉质黏土(Q4m)：流塑，σ0=50 kPa；
④(3)3粉质黏土(Q4m)：软塑，σ0=100 kPa。

图1 路基横断面(单位：m)

2.1 钻渣的基本性质

钻渣取自施工Ⅶ标钻孔灌注桩施工现场，钻渣试样呈淡黄色，机质含量为0.5%。钻渣颗粒分布曲线见图3，粒径大于0.075 mm的颗粒含量为28%，属于细粒土，钻渣在塑限图上的位置见图4。由图4可知，钻渣塑性指数一般为10～17，可以定名为低液限粉质黏土。

图2 施工现场钻渣试样

图3 钻渣颗分曲线

图4 钻渣在塑性图上所处位置

2.2 击实特性

钻渣掺5%水泥和6%石灰改良后，改良土的击实曲线见图5。钻渣及改良土的最大干密度(ρd)和最优含水率(wop)见表2。由表2可知，经过水泥和石灰改良后，钻渣具有较好的压实性能。水泥改良土和石灰改良土的击实曲线斜率较小且曲线平缓，表明石灰和水泥改良土的干密度随含水率的变化幅度比钻渣的变化幅度小，即石灰和水泥改良土的干密度随含水率变化迟缓，有利于路基填筑施工过程中石灰和水泥改良土含水率的控制。

图5 重型击实曲线

表2 钻渣及其改良土的最大干密度和最有含水率

2.3 无侧限抗压强度

改良土的无侧限抗压试验见图6，试样直径为10 cm、高10 cm，高径比为1∶1，采用P·O42.5水泥。7 d饱和无侧限抗压强度见表3。经过石灰水泥改良后，钻渣的7 d龄期的饱和无侧限抗压强度均满足高速铁路路基填料的强度要求，故石灰水泥改良钻渣可以用作高速铁路路基填料。

表3 钻渣改良土的7 d饱和无侧限抗压强度

图6 无侧限压缩试验

7 d龄期的无侧限抗压强度随水泥掺量的关系见图7(a)，随着水泥掺量增加，无侧限抗压强度增加。水泥掺量小于5%时，改良土的无侧限抗压强度随水泥掺量增加而增大；
水泥掺量大于5%，改良土的无侧限抗压强度随水泥掺量增加而增大，但幅度有所减小。7 d龄期的无侧限抗压强度随石灰掺量的关系见图7(b)，随着石灰掺量增加，无侧限抗压强度增加，4%～6%掺量改良效果较为明显，6%～8%掺量改良的效果减缓。

图7 无侧限抗压强度随掺量的关系曲线

2.4 延迟击实影响

延迟击实时间是指水泥掺入与钻渣拌合完成后到击实试验完成后这段时间。延迟击实对水泥改良土无侧限抗压强度的影响见图8。由图8(a)可知，随着延迟击实时间增加，水泥改良土无侧限抗压强度减小，延迟击实10 h后，水泥改良土无侧限抗压强度仅剩余40%左右。水稳系数定义为

(1)

如图8(b)所示，随着延迟击实时间增加，水泥的水稳系数减小，故从水泥改良土的水稳性角度出发，水泥改良土路基要及时压实养护，延迟碾压时间不宜过长。

图8 延迟击实对无侧限抗压强度的影响

2.5 小结

以上重点探究了使用石灰及水泥对钻渣这种低液限粉质黏土进行改良的效果，值得注意的是，对于初始为泥浆状的钻渣可以先掺加2%石灰，降低水分，方便成型，后续可以掺加4%的水泥提高强度，两种材料的综合使用一方面满足了强度要求，另一方面可将经济效益最大化。

3.1 施工参数

施工过程中，具体施工参数见表4。

表4 改良土施工过程中的参数要求

3.2 施工工艺

水泥改良钻渣用于高速铁路路基填筑时采用路拌法施工，钻渣在原地挤压排水后，运输到施工场地摊铺、翻晒至含水率为wop±2%(wop为最优含水率)，再采用机械摊铺、整平，按照施工配合比撒布水泥，经过路拌机拌和、压路机碾压后形成一定强度的固结体。水泥改良土路基填筑施工的工艺流程见图9。

图9 改良土路基填筑施工工艺流程

(1)施工准备

原材料准备：泥浆状的钻渣掺加2%石灰，经压缩机压缩挤水30 min，压成钻渣泥饼，含水率控制在30%左右，施工过程见图10。

图10 钻渣压缩排水

施工准备：熟悉施工图纸，了解设计标准及要求；
对钻渣和掺料取样检测，满足要求方可使用；
根据钻渣的物性指标，初步确定改良土的水泥配合比，采用重型击实试验和无侧限抗压强度试验，确定水泥改良土路基的填筑参数，验证7 d饱和无侧限抗压强度是否满足填料要求。

(2)测量放线

按设计图纸放线，在路基两侧各加宽30 cm，对放好样的中桩、边桩做好保护。

(3)基底平整

基底表面基本平整，密实，无积水凹陷。根据路基填筑宽度在路基两侧开挖排水沟，排水沟与既有排水沟和河流连接。

(3)运输

钻渣填料由自卸车运输，车辆应加篷布覆盖。

(4)卸料

钻渣卸在备料区及时翻晒，四周挖排水沟。

(5)晾晒

钻渣备料区晾晒，每天用路拌机粉碎两遍，铧犁翻晒2～4遍，至钻渣含水率达到wop±2%，运至填筑路段上料，见图11(a)。

图11 水泥改良土路基填筑施工

(6)撒布方格网线

按照试验段确定松铺系数和自卸车运输数量，计算方格网尺寸，用滑石粉画出方格网，同时标注车辆行走路径和卸料顺序。

(7)上料

自卸车按照规划线路运输至指定方格网内，均匀卸料。

(8)摊铺、初平

摊铺和初平按照“横向全宽、纵向水平”方式施工，虚铺厚度按松铺系数设置。

每层填料卸料完成后，采用推土机摊铺初平，再由路拌机拌粉碎1次，最后采用人工填补和刮平。

(9)布灰

采用袋装水泥，水泥布灰面积的计算公式为：单袋水泥质量÷[(混合料最大干密度×理论压实系数/(1+水泥掺量)]/压实厚度。根据单袋水泥布灰面积画出布灰方格网尺寸，装载机将袋装水泥云至布灰方格网内，人工破袋均匀布灰，见图11(b)。

(10)拌和、补灰

采用路拌机从两侧向路基中线方向拌和3遍，拌和重叠宽度控制在50 cm以上，拌和时设专人跟随拌和机检查拌和深度。拌合后填料色泽均匀，没有灰条、灰团和花面，严禁底部留有“素土”夹层，见图11(c)。

(11)精平整型

先用推土机稳压1遍，再用平地机初平和整型。

(12)碾压成型

采用22t压路机由两侧路肩向中心碾压，后轮应重叠1/2轮宽，必须超过两段的接缝处，路基两侧应多压1～2遍。终凝前碾压到设计压实度，且没有明显轮迹，见图11(d)。

3.3 质量检测

水泥改良土路基填筑质量的控制指标主要有：压实系数、7 d饱和无侧限抗压强度、灰剂量和颗粒粒径，具体说明如下。

(1)压实系数：采用灌砂法检测，按每100 m每层检测6个点。实测值均大于0.92，满足设计要求(0.90)。

(2)7 d饱和无侧限抗压强度：现场取样，室内进行无侧限压缩试验，按100 m每层检测3个点。实测值均大于460 kPa，满足规范规定的填料强度要求的无侧限抗压强度大于200 kPa。

(3)灰剂量：按100 m每层3个点，根据EDTA滴定法，实测值均大于6.5%。

(4)颗粒粒径：现场目测和室内筛分法，大于40 mm的颗粒不到6%，大于20 mm的颗粒不足26%，满足设计要求。

钻渣改良利用是变废为宝的集约环保措施，经过水泥改良后，钻渣满足高速铁路路基填料要求，根据沪苏湖高速铁路上海段水泥改良钻渣路基填筑施工实践，得到以下主要结论。

(1)钻渣利用的难点在于收集和挤压排水。如果有足够场地建设沉淀池，沉淀后的钻渣可以直接运送至填筑场地风干、晾晒，同时解决了收集和挤压排水的难题；
若场地不足，可采用机械挤压排水，再压成钻渣泥饼。

(2)水泥改良钻渣的水稳定性好、强度大、路基整体性强，可满足高速铁路对路基填料的要求。苏湖高速铁路上海段钻渣掺加4%水泥改良后，7 d饱和无侧限抗压强度均大于460 kPa，满足规范规定的填料强度要求。

(3)水泥改良钻渣路基施工工艺简单、机械化程度高、质量易于控制、施工过程污染小，具有广泛的适应性。