1 概述
中國地域遼闊，火山分布廣泛。在火山地區(qū)存在大量的火山渣資源。將其應(yīng)用到公路路基中，對減少常規(guī)填料的開采，節(jié)約有限的國土資源，保護自然環(huán)境，降低工程造價等將具有十分可觀的經(jīng)濟及社會效益。為研究火山渣的路用性能，我們在國道208線二連浩特至白音察干段于2000年對烏蘭哈達火山的火山渣進行了應(yīng)用，并在2004年3月（通車2年零6個月）進行了路面橫向裂縫調(diào)查。
1.1 火山渣的物理性質(zhì)
火山渣（Scoria）是一種火山噴發(fā)中經(jīng)過高溫燃燒噴出后冷卻形成的礦渣狀多孔輕質(zhì)材料，由孔隙、火山玻璃和礦物組成。孔隙是由于泡沫破裂、氣體逃逸而形成。火山渣通常為黑色、深灰色、紅色和棕色。自然形態(tài)以粗粒狀火山堆積形式存在，主要靠顆粒間的嵌擠作用而形成不規(guī)則排列，開采較容易。烏蘭哈達火山渣的物理性質(zhì)試驗結(jié)果見表1-1。
表1-1烏蘭哈達火山渣物理性質(zhì)試驗結(jié)果
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試驗項目 |
干密度,g/cm3 |
比重,g/cm2 |
孔隙率,% |
燒失量,% |
壓碎值,% |
|
試驗結(jié)果 |
1.115 |
2.644 |
57.8 |
15 |
54.8 |
火山渣作為一種火山作用的殘余物，由于形成時高溫燃燒的作用，內(nèi)部可燃物質(zhì)充分燃燒，余下的火山殘渣具有很高的孔隙率，較小的干密度，較高的壓碎值。具有水滲透能力強、抗壓碎能力差的工程性質(zhì)，是一種典型的輕質(zhì)材料。
1.2 天然火山渣的粒度成分
天然火山渣主要以粗顆粒分布，粒徑較均勻，細顆粒含量很少，級配較差。在所使用的烏蘭哈達火山渣中，15mm～60mm的顆粒占70%以上，0.075mm以下的顆粒小于2%；其有效粒徑d10為1.5mm，粒徑d30為15.4mm（d30為通過量30%時的粒徑），限制粒徑d60=37.9mm；不均勻系數(shù)Cu=30.2，曲率系數(shù)Cs=4.8。
1.3 試驗路段及相鄰路段概況
208線二連浩特至白音察干段為平原區(qū)二級公路，于2001年10月建成通車，路基寬12米，路面寬9.0米。火山渣試驗段選擇在火山附近約0.8km的K144+320～144+720段。該路段地形較平坦，地下水位較高，在設(shè)計中為水文地質(zhì)不良路段。原設(shè)計中，路基采用濕地斷面形式，地面以上50cm及地面下擠淤20cm用遠運砂礫來填筑。試驗段路基用火山渣填筑及擠淤，采用石灰、火山灰穩(wěn)定級配碎石半剛性基層，其中火山灰由火山渣磨細而成。路面設(shè)計彎沉值40.8（0.01mm），試驗路段及相鄰路段路基、路面結(jié)構(gòu)見表1-2。
表1-2 試驗路段及相鄰路段的路基、路面結(jié)構(gòu)
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路段 |
相鄰路段（原設(shè)計） |
試驗路段 |
|
面層 |
中粒式瀝青混凝土4cm |
中粒式瀝青混凝土4cm |
|
基層 |
水泥穩(wěn)定級配碎石18cm |
石灰、火山灰穩(wěn)定級配碎石18cm |
|
底基層 |
石灰穩(wěn)定砂礫20cm |
石灰穩(wěn)定砂礫20cm |
|
土基 |
粘土，砂礫 |
天然火山渣 |
2 火山渣的擊實性能
為了解試驗方法對擊實標準的影響和擊實對火山渣級配的影響，分別采用了表面振動壓實儀法和重型標準擊實法進行對比試驗；同時，在表面振動壓實儀法中對火山渣進行了篩分試驗。根據(jù)擊實試驗結(jié)果及擊實中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，可得出以下認識：
2.3.2.52.1 火山渣的最大干密度比一般土質(zhì)小，擊實后仍有很大的孔隙率。
重型標準擊實和表面振動擊實，試驗結(jié)果類似，火山渣的最大干密度分別為1.255g/cm3和1.200g/cm3；最大干密度時的孔隙率仍分別高達52.5和54.6%；具有最大干密度小、孔隙率大的特點。最大干密度小的原因主要有兩方面：⑴火山渣顆粒內(nèi)部的孔隙大。雖然擊實中，一部分空隙被細顆粒填充，一些顆粒被擠碎，但擊實后的顆粒內(nèi)仍然有很大孔隙；⑵火山渣的級配較差。級配直接影響到最大干密度的大小。根據(jù)顆粒相互填充、擠密的原理，若級配不良，細顆粒含量較少時，大顆粒間空隙較大，無法達到空隙率最小的效果。
2.3.2.12.2 火山渣級配的變化是火山渣擊實中產(chǎn)生的主要現(xiàn)象之一。
天然火山渣振動擊實前后級配的變化見表2-1和表2-2。從表2-1中可以看出，擊實前火山渣顆粒的粒徑比較單一，顆粒較粗，級配較差。振動擊實后火山渣粒徑總體上減小，不均勻系數(shù)明顯提高，并且有效粒徑在0.5～0.6mm之間。這說明，振動擊實后顆粒的粒徑及顆粒之間的空隙總體上減小，粒徑的分布范圍加大，級配趨向密實。
從表2-2中可以看出，火山渣在振動擊實過程中，顆粒受振動沖擊作用，部分顆粒被壓碎，被壓碎顆粒主要為40mm以上的粒徑。這是因為，火山渣在被壓碎的過程中，由于粗顆粒之間的接觸面積較小，接觸應(yīng)力較大，故粗顆粒將首先被壓碎而使其粒徑變小。同時，振動后4.75～9.5mm的顆粒增加較多，顆粒大小和形狀也發(fā)生一定變化。
表2-1天然火山渣振動擊實前后篩分結(jié)果
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級配情況 |
振動前 |
振動后 | ||||
|
土樣2 |
土樣3 |
土樣5 |
土樣2 |
土樣3 |
土樣5 | |
|
有效粒徑d10,mm |
1.0 |
1.8 |
2.8 |
0.50 |
0.60 |
0.55 |
|
粒徑d30,mm |
15.0 |
18.0 |
19.5 |
7.70 |
10.60 |
11.10 |
|
限制粒徑d60,mm |
44.0 |
42.0 |
41.2 |
27.90 |
29.70 |
31.40 |
|
不均勻系數(shù)Cu |
44 |
23.33 |
14.71 |
55.8 |
49.50 |
57.09 |
|
曲率系數(shù)Cs |
5.11 |
4.29 |
3.3 |
4.25 |
6.31 |
7.13 |
表2-2 火山渣振動擊實后分計篩余的增加值,%
|
孔徑，mm |
土樣編號 |
孔徑，mm |
土樣編號 | ||||
|
2 |
3 |
5 |
2 |
3 |
5 | ||
|
60 |
-9.17 |
-7.34 |
-0.71 |
2 |
2.43 |
1.65 |
1.44 |
|
40 |
-7.27 |
-7.87 |
-10.39 |
0.5 |
2.23 |
1.70 |
2.11 |
|
16 |
2.16 |
2.59 |
0.76 |
0.25 |
0.65 |
0.64 |
0.80 |
|
9.5 |
4.41 |
3.38 |
-0.27 |
0.075 |
1.29 |
1.47 |
2.76 |
|
4.75 |
2.79 |
2.39 |
2.70 |
||||
2.3 含水量對擊實效果的影響
表2-3 擊實曲線中 時含水量的變化范圍（%）
|
壓實系數(shù)K |
重型標準擊實 |
表面振動擊實 | ||||
|
最小值 |
最大值 |
變化范圍 |
最小值 |
最大值 |
變化范圍 | |
|
0.98 |
8.1 |
11.1 |
3.0 |
12.5 |
14.6 |
2.1 |
|
0.95 |
5.9 |
13.0 |
7.1 |
11.3 |
15.2 |
3.9 |
|
0.93 |
— |
— |
— |
9.2 |
17.0 |
7.8 |
火山渣的擊實曲線見圖2-1和圖2-2。擊實曲線中 時（ 為干密度， 為最大干密度，K為壓實系數(shù)）含水量的變化范圍見表2-3。試驗表明⑴含水量對火山渣的干密度有一定的影響，但并不像粘性土那樣明顯；⑵壓實系數(shù)K=0.93～0.95時，含水量的變化范圍較大，即按一般路基壓實標準的要求，在不過多增加壓實功的情況下，火山渣在較小的含水量時也能壓實；⑶對于擊實曲線中達到同一壓實系數(shù)時含水量的變化范圍，振動擊實較小而標準擊實較大。這說明在振動中水對減小顆粒之間的抗剪強度影響較大。
3 火山渣路基的回彈模量
表3-1 火山渣路基回彈模量E0（MPa）值統(tǒng)計分析結(jié)果
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回彈模量的測定和計算方法 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
標準差S |
偏差系數(shù)CV,% |
回彈模量設(shè)計值 | ||
|
Zα | ||||||||
|
2 |
1.648 |
1.5 | ||||||
|
承載板,不修正坐標原點 |
99.4 |
66.3 |
84.6 |
11.23 |
13.28 |
62.1 |
66.0 |
67.7 |
|
承載板,修正坐標原點 |
113.8 |
91.9 |
106.9 |
7.18 |
6.72 |
92.5 |
95.1 |
96.1 |
|
彎沉儀 |
130.6 |
64.0 |
94.1 |
14.30 |
15.20 |
65.5 |
70.6 |
72.7 |
火山渣路基于2000年10月中旬完工，11月我們用彎沉儀對火山渣路基進行了回彈模量的測定工作，共選測點68個；2001年6月又用承載板對其進行了測定，共選測點8個。其統(tǒng)計分析結(jié)果見表3-1。用承載板測定的火山渣路基的回彈模量，不修正坐標原點時，單點值范圍為66.3～99.4MPa之間，平均值為84.6MPa,回彈模量設(shè)計值為62.1～66.7MPa；承載板法修正坐標原點時，其單點值范圍為91.9～113.8MPa之間，平均值為106.9MPa,回彈模量設(shè)計值為92.5～96.1MPa；用彎沉儀測定的回彈模量單點值范圍為64.0～130.6MPa之間，平均值為94.1MPa, 回彈模量設(shè)計值為65.5～72.7MPa。
上述結(jié)果說明,承載板法不修正坐標原點時的回彈模量與彎沉儀法相比較,二者的結(jié)果較為接近,而承載板法修正坐標原點時的回彈模量偏高。回彈模量較一般土質(zhì)要大，與碎石土、天然砂礫差不多。根據(jù)計算結(jié)果，在路面設(shè)計中火山渣路基的回彈模量可按公路等級選用60～70MPa。
4 火山渣路基的施工要點
4.1 鋪筑與碾壓方法
為保證火山渣路基的密實度與平整度，應(yīng)注意以下幾個方面：
⑴由于火山渣為粒狀材料，顆粒級配對壓實效果影響很大。因此，施工中應(yīng)盡量選擇級配良好、粒徑較小的火山渣，必要時應(yīng)破碎。
⑵為火山渣的大顆粒被壓碎而形成良好的級配，宜用噸位較大的壓路機碾壓，最好不小于20噸。火山渣路基在最后一層施工時，先穩(wěn)定壓幾遍，然后灑布一薄層細粒土再進行碾壓。
⑶由于壓實層上部顆粒較粗，細料偏少，火山渣路基分層碾壓間隔時宜短，避免施工及其它車輛影響而造成火山渣路基松散，從而影響路基平整度及穩(wěn)定性。
4.2 含水量的控制
施工中對含水量控制可以較寬一些，灑水不宜過多。從經(jīng)濟造價等方面考慮，在缺水的地區(qū)進行火山渣路基施工時，可不必灑水，而直接碾壓，但需增加碾壓遍數(shù)或壓路機噸位。
4.3 壓實度控制與檢測
由于火山渣為粒狀材料，松散、空隙大、易被壓碎及火山渣顆粒的不均勻性，火山渣路基的壓實度檢測與一般土基相比較為困難。試驗中所采用的灌水法，效果也并不理想，檢測結(jié)果有一定的離散性。對于工地現(xiàn)場控制，可用灌水法作為輔助試驗手段，以碾壓遍數(shù)控制，當壓實層頂面穩(wěn)定，不再下沉(無輪跡)時，可判定為密實狀態(tài)。
4.4 邊坡處理
由于火山渣為粒狀材料，顆粒之間的粘聚力極小，路堤邊坡易受到人為、牲畜及流水作用會造成邊坡松散，從而影響公路路基穩(wěn)定，邊坡應(yīng)采取適當?shù)姆忾]措施。施工時，為便于路基的碾壓一般與路堤同步進行。根據(jù)火山渣路基的施工經(jīng)驗，對火山渣路基邊坡表面進行30cm厚的粘土封閉，效果良好，能夠起到保護邊坡的作用。
5 火山渣在試驗路中的應(yīng)用效益
按原設(shè)計，試驗段路基的土石方量為6311 m3，其中遠運砂礫3217 m3，粘（砂）性土3094 m3。考慮運距、壓實系數(shù)，按當時的情況，試驗段路基使用火山渣后原材料的價格對比見表5-1。通過表5-1可以看出，試驗路段路基用天然火山渣填筑，可節(jié)約經(jīng)費10.2萬元。可見，在火山附近修筑公路，特別是砂礫料缺乏地區(qū)，用天然火山渣填筑路基，其經(jīng)濟效益顯著。
表5-1 試驗段路基使用火山渣后原材料的價格對比
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材料 |
壓實方，m3 |
壓實系數(shù) |
工程數(shù)量，m3 |
運距，km |
預(yù)算單價(元/m3) |
材料造價，元 |
|
火山渣 |
6311 |
1.35 |
8520 |
0.8 |
4.25 |
36210 |
|
天然砂礫 |
3217 |
1.30 |
4182 |
12.1 |
28.05 |
117305 |
|
粘（砂）性土 |
3094 |
1.25 |
3867 |
0.8 |
5.48 |
21191 |
從火山渣用于路面結(jié)構(gòu)來看，試驗段水泥穩(wěn)定碎石較石灰火山灰穩(wěn)定級配碎石便宜2508元，即二者造價相當，其效果并不理想。這主要是由于火山渣的加工費用造成的。
6 試驗路使用狀況
根據(jù)2004年3月對K143+820～K144+980段路面裂縫的調(diào)查，試驗路經(jīng)過了長達二年多的使用，路面無縱向裂縫。橫向裂縫也都細小，基本都是1～2mm以下的裂縫。原設(shè)計段的橫向裂縫間距在2.53～19.60之間，平均裂縫間距為9.27m，裂縫度為107.9m/1000m2；試驗段（K144+320～144+720）的裂縫間距在6.57～22.82之間，平均裂縫間距為13.97m，裂縫度為73.3m/1000m2；從現(xiàn)場路表情況來看，路面平整，未有沉陷，碎裂，搓板等路面直觀病害的發(fā)生。調(diào)查結(jié)果表明，試驗段比原設(shè)計段較好，火山渣路基工作狀況良好，完全可以滿足行車要求。
