一种三趾马红土与粉煤灰分层交替填筑的原位缓释改良复合路基施工方法及结构

本发明属于道路工程路基填筑，尤其涉及尤其涉及一种适用于西北季冻区三趾马红土分布区，利用粉煤灰大宗固废与红层弃方分层交替填筑、借助自然干湿、冻融循环驱动离子迁移实现红层原位改良的复合路基结构及施工方法。

背景技术：

1、甘肃永登、庆阳等区域广泛分布三趾马红土，属于弱-中等膨胀性红黏土，具有黏粒含量高、裂隙发育、遇水软化崩解、冻融循环后强度劣化显著的工程特性。以傅苦高速公路为例，线路穿越红层出露段的换填方量超过2000万m³，大量红层弃方远运废弃不仅占用土地、破坏生态，还大幅推高工程成本。

2、现有红层路基处治技术主要分为两类：一是全部换填碎石、砂砾等优质填料，造价高昂且优质料源短缺；二是现场掺拌石灰、水泥进行改良，存在拌和不均匀、施工效率低、改良深度不足的问题，且无法实现红层弃方的规模化就地利用。

3、与此同时，甘肃省工业固废累计堆存量大，粉煤灰年排放量高，大量堆存占用土地、造成扬尘污染，亟须规模化资源化消纳路径。

4、目前尚无技术将红层弃方就地利用与粉煤灰固废消纳相结合，也未借助西北季冻区自然干湿、冻融循环的营力作用；且现有层状改良结构普遍存在隔水阻隔与离子迁移的逻辑矛盾，无法兼顾冻害防护与长效改良。

技术实现思路

1、（1）要解决的技术问题：本发明提供一种三趾马红土与粉煤灰分层交替填筑的原位缓释改良复合路基施工方法及结构，一方面实现路基开挖红层弃方的就地资源化利用，规模化消纳粉煤灰工业固废；另一方面通过压实度调控解决水分调控与离子迁移的逻辑矛盾，借助自然干湿、冻融循环驱动双向离子迁移，长效改良红层的膨胀性、水稳定性与抗冻性，降低路基施工成本，提升路基长期服役性能。

2、（2）本发明采用的技术方案如下：

3、一种三趾马红土与粉煤灰分层交替填筑的原位缓释改良复合路基的施工方法，包括以下步骤：

4、步骤1：原地面处理，

5、清除三趾马红土地表植被、腐殖土及表层风化裂隙层，清表深度30-50cm，整平地面并设置双向横坡，进行碾压，压实度≥93%，

6、步骤2：底层粉煤灰调控层施工，

7、在合格原地面上摊铺粉煤灰，控制松铺系数，整平后振动碾压，压实厚度为10-20cm，控制压实度为90%-93%，采用 ⅱ 级及以上 f 类粉煤灰填筑。兼具深部毛细水调控与底部离子源双重作用，

8、步骤3：红层填筑层施工，

9、取路基开挖的三趾马红土弃方，破碎筛分后测定最优含水率；将红层填料摊铺在粉煤灰层上，调整含水率至最优值±2%范围，整平后碾压，红层填筑层压实厚度25-30cm，

10、步骤4：粉煤灰缓释改良层施工，

11、在压实合格的红层填筑层上摊铺粉煤灰与红土混合土，拌合均匀后整平碾压，粉煤灰掺量为为20%-30%，控制压实度为90%-93%，粉煤灰缓释改良层压实厚度10-20cm，

12、步骤5：交替填筑循环，

13、重复步骤3-步骤4，形成多级交替填筑单元，直至达到路堤设计标高，

14、步骤6：预拌改良路床施工，

15、制备粉煤灰、红层混合料，分层摊铺碾压，粉煤灰掺量为10%-15%，分层压实，单层厚度≤20cm；上路床厚30cm，压实度≥96%，下路床厚50cm，压实度≥94%，

16、步骤7：边坡封闭与成品检测，

17、路基填筑完成后进行边坡封闭防护。开展全断面指标检测，合格后移交。

18、进一步的技术方案在于，所述红层填筑层采用路基开挖产生的三趾马红土弃方，破碎后最大粒径≤50mm，有机质含量≤5%，上路堤压实度≥94%，下路堤压实度≥92%。

19、进一步的技术方案在于，所述粉煤灰缓释改良层采用f类粉煤灰，烧失量≤20%，压实度控制为90%-93%；粉煤灰缓释改良层中掺加3%-5%生石灰作为碱激发剂。加速活性矿物溶蚀与火山灰反应进程。

20、进一步的技术方案在于，所述粉煤灰缓释改良层填筑材料为粉煤灰、红土混合改良层，粉煤灰掺量20%-30%，压实厚度15-20cm，压实度≥93%。

21、进一步的技术方案在于，路基边坡采用3%石灰改良红土进行封闭防护，厚度不小于30cm

22、进一步的技术方案在于，步骤1中采用18t及以上振动压路机进行碾压，按静压、弱振、强振、静压工艺碾压。

23、进一步的技术方案在于，步骤2中粉煤灰松铺系数取1.2-1.3，层厚偏差控制在±10mm以内。

24、进一步的技术方案在于，步骤3中红层填料松铺厚度为30-35cm，碾压前检测含水率，超限时采用翻晒或洒水调整。

25、进一步的技术方案在于，步骤6中粉煤灰掺量为10%-15%，单层压实厚度≤20cm，路床cbr值≥8%。

26、作为优选方案，所述底层粉煤灰调控层和粉煤灰缓释改良层可替换为粉煤灰、红土混合改良层：粉煤灰掺量 20%-30%，与红土厂拌均匀后摊铺压实，压实厚度 15-20cm，压实度≥93%；该方案层内直接发生火山灰反应，改良均匀性更优，无界面效应，水分运移与离子扩散更顺畅，最终形成全断面动态平衡的改良体系。

27、一种三趾马红土与粉煤灰分层交替填筑的原位缓释改良复合路基结构，从下至上依次包括原地面处理层、底层粉煤灰调控层、多级交替填筑单元、预拌改良路床层；所述多级交替填筑单元由红层填筑层与粉煤灰缓释改良层交替堆叠而成。

28、本发明的技术原理是：双向水分运移驱动的离子扩散、渐进式胶凝原位改良，通过压实度调控实现离子缓释、水分调控、长效改良的统一：

29、离子交换作用：在干湿循环与冻融循环驱动下，路基内部发生双向水分运移：地下毛细水自下而上缓慢上升，大气降雨入渗自上而下渗透。粉煤灰缓释改良层中的可溶性ca²+、mg²+等高价阳离子随水分扩散进入相邻红层填筑层，与红层中蒙脱石、伊利石等黏土矿物表面吸附的na+、k+发生离子交换，压缩黏土颗粒双电层厚度，减薄结合水膜，快速降低红层的塑性指数与膨胀潜势。该作用在填筑后1年内即可显现，红层自由膨胀率可下降30%-40%。

30、火山灰胶凝作用：该过程分为溶解、迁移、反应三个阶段，实现红层全厚度原位改良：溶解：在弱碱性环境下（由生石灰激发剂或红层自身弱碱性提供），粉煤灰颗粒表面的活性sio2、al2o3逐步发生溶蚀，以硅酸根、铝酸根等离子形态进入孔隙水溶液；迁移：上述可溶性阴离子随双向水分运移扩散，进入上下相邻的红层填筑层内部；季冻区冻胀吸力会进一步驱动水分与离子向冻结锋面迁移，加速离子在红层中的扩散深度；反应：迁移至红层中的硅酸根、铝酸根离子与红层孔隙中的ca²+、黏土矿物边缘的活性位点发生火山灰反应，在红层土颗粒表面与孔隙中生成水化硅酸钙（c-s-h）、水化铝酸钙（c-a-h）等胶凝物质，逐步胶结土颗粒、填充孔隙。该反应由粉煤灰-红层交界面向红层内部渐进推进，3-5年达到改良峰值，可使红层填筑层全厚度范围内强度提升2-3倍，水稳定性显著增强。

31、毛细水调控与冻胀缓冲作用：通过控制粉煤灰层压实度为90%-93%（略低于红土层），使其保留适度的孔隙率与渗透性，既允许离子随水分缓慢扩散运移，保障原位改良的物质通道；又可显著降低毛细水上升高度与速率，减少冻融循环的水分补给，避免红层长期处于饱和软化状态；同时粉煤灰质轻、孔隙弹性好，可缓冲冻胀变形，降低季冻区路基冻胀融沉风险。该设计彻底解决了隔水阻隔与离子迁移的矛盾。

32、（3）由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

33、1、红层弃方就地资源化，降本增效，将路基开挖产生的三趾马红土弃方直接作为填筑填料，无需远运废弃，以傅苦高速2000万方换填量计算，可减少弃土占地约1500亩，降低弃方运输与处置成本40%以上。

34、2、大宗固废规模化消纳，绿色低碳，每立方米复合路基可消纳粉煤灰约0.25吨，百公里高速路基可消纳粉煤灰超百万吨，大幅缓解粉煤灰堆存压力，减少固废污染，符合双碳发展理念。

35、3、机理逻辑自洽，改良长效稳定，通过压实度调控平衡离子迁移与水分调控，解决传统层状结构的逻辑矛盾；借助自然干湿-冻融循环实现双向离子扩散，全厚度渐进式改良红层填料，运营5年后红层填cbr值可提升2～3倍，膨胀率降至3%以下。

36、4、施工简便，工艺成熟，无需大型拌合设备，仅需常规摊铺碾压设备即可完成施工，分层填筑工艺符合现有路基施工规范，施工效率较路拌法提升30%以上，综合造价较石灰改良降低20%以上。

37、5、适配西北季冻环境，耐久性强，粉煤灰调控层削弱毛细水补给，复合结构缓冲冻胀，适配甘肃等季冻区气候特征，路基长期服役性能优于纯红层路基与单一改良路基。