1 概述
中國地域遼闊，火山分布廣泛。在火山地區存在大量的火山渣資源。將其應用到公路路基中，對減少常規填料的開采，節約有限的國土資源，保護自然環境，降低工程造價等將具有十分可觀的經濟及社會效益。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查。
1.1 火山渣的物理性質
火山渣（Scoria）是一種火山噴發中經過高溫燃燒噴出后冷卻形成的礦渣狀多孔輕質材料，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則排列，開采較容易。烏蘭哈達火山渣的物理性質試驗結果見表1-1。
表1-1烏蘭哈達火山渣物理性質試驗結果
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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，內部可燃物質充分燃燒，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，是一種典型的輕質材料。
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Cu=30.2，曲率系數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，在設計中為水文地質不良路段。原設計中，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。路面設計彎沉值40.8（0.01mm），試驗路段及相鄰路段路基、路面結構見表1-2。
表1-2 試驗路段及相鄰路段的路基、路面結構
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路段 |
相鄰路段（原設計） |
試驗路段 |
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面層 |
中粒式瀝青混凝土4cm |
中粒式瀝青混凝土4cm |
|
基層 |
水泥穩定級配碎石18cm |
石灰、火山灰穩定級配碎石18cm |
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底基層 |
石灰穩定砂礫20cm |
石灰穩定砂礫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。根據擊實試驗結果及擊實中發現的現象，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生的主要現象之一。
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生一定變化。
表2-1天然火山渣振動擊實前后篩分結果
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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Cu |
44 |
23.33 |
14.71 |
55.8 |
49.50 |
57.09 |
|
曲率系數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）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）值統計分析結果
|
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CV,% |
回彈模量設計值 | ||
|
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。其統計分析結果見表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, 回彈模量設計值為65.5～72.7MPa。
上述結果說明,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要大，與碎石土、天然砂礫差不多。根據計算結果，在路面設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，施工中應盡量選擇級配良好、粒徑較小的火山渣，必要時應破碎。
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。從經濟造價等方面考慮，在缺水的地區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，檢測結果有一定的離散性。對于工地現場控制，可用灌水法作為輔助試驗手段，以碾壓遍數控制，當壓實層頂面穩定，不再下沉(無輪跡)時，可判定為密實狀態。
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定，邊坡應采取適當的封閉措施。施工時，為便于路基的碾壓一般與路堤同步進行。根據火山渣路基的施工經驗，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用效益
按原設計，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，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，可節約經費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，用天然火山渣填筑路基，其經濟效益顯著。
表5-1 試驗段路基使用火山渣后原材料的價格對比
|
材料 |
壓實方，m3 |
壓實系數 |
工程數量，m3 |
運距，km |
預算單價(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構來看，試驗段水泥穩定碎石較石灰火山灰穩定級配碎石便宜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2004年3月對K143+820～K144+980段路面裂縫的調查，試驗路經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生。調查結果表明，試驗段比原設計段較好，火山渣路基工作狀況良好，完全可以滿足行車要求。