簡介水泥處理土壤使用於市區管路回填之研究成效

房性中

摘要

本省路面工程因管路作業而必須配合之挖填工作相當頻繁,路面平坦度不合乎要求之現象幾乎到處可見並令人深深無奈與詬病,探究其因,不外乎回填材料和施工問題欠妥。

筆者基於水泥處理土壤使用於路面工程之成效與經驗,彙整曾經辦理水泥處理土壤之實務資料及分析成果,並擬針對市區管路回填提出施工上應注意之事項與建議對策,尚祈業界先進惠賜卓見、俾利路面品質能大幅提昇、保障用路人生命、財產之安全。


一、前言

台灣地區路面遍佈坑洞與平坦度欠佳,最令人苦惱與詬病,除交通量負荷及超載問題之外,管路回填作業過於頻繁和施工不確定,尤為主要致因。因此,筆者擬藉由辦理水泥處理土壤之機會,提出初步研究分析成果與說明,或許可供工程界辦理類似工程、選擇工法參酌之濫觴。

二、室內試驗工作規劃

1土壤材料一般性質試驗:詳表一。
2.水泥處理土壤材料試驗:詳表二。

表一 土壤材料一般性質試驗規劃表

項次

試驗項目

試驗樣品

試驗組數

試驗方法

備註

1.

篩分析

2

2

AASHTO T27

 

2.

阿太堡

2

2

AASHTOT89

AASHTO T90

 

3.

土壤分類

2

2

AASHTO M145

ASTM D2487

 

4.

視比重

2

2

AASHTO T100

 

表二 水泥處理土壤試驗規劃表

項次

試驗項目

試驗樣品

試驗組數

試驗方法

1.

夯壓試驗

2

8

AASHTO T180

樣品準備依據AASHTO T134

2.

CBR試驗

2

8

AASHTO T193

 

3.

單軸抗壓試驗

2

36

ASTM D1633B

 

三、試驗結果及分析

1.土壤材料一般性質試驗
本研究工作所採用之土壤材料可分為下列兩種:

(1)編號NO.1土壤:屬於沉泥質砂與礫石、卵石混合材料,礫石與卵石約佔40∼60%(直徑20公分以上者約佔10%)。其通過NO.4篩部份之細粒料土壤試驗結果列於表三內。
(2)編號NO.3土壤:屬於粘土質沉泥含多量細砂,惟未含礫石及卵石成份,其通過NO.4篩部份之細粒料土壤試驗結果亦列於表三內。

2.水泥處理土壤主要試驗
本研究工作屬於回填材料之探討,因此材質及強度要求乃為重點項目之一環,除進行水泥處理土壤單軸抗壓試驗之外,增作CBR試驗:

表三 土壤材料暨水泥處理土壤相關試驗報告一覽表

樣品

名稱

篩分析

(通過百分比)

阿太堡

土壤分類

夯壓

(AASHTO T-180)

C.B.R.%(rd max 95%)

+#4 -2"

2"以上

--#4視比重

養治

4

膨脹率%





吸水率%





吸水率%

#4

#10

#40

#200

L.L.

L.P.

USCS

AASHTO

rd max

T/m3

O.M.C.

%

65

30

10

No. 1.0

100

96

90

40

-

N.P.

ML(SM)

A-4(0)

1.85

10.6

23.3

 

 

 

-

-

-

-

2.67

No. 1.2

 

 

 

 

 

 

 

 

1.86

9.7

76.8

 

 

 

 

 

 

 

 

No. 1.5

 

 

 

 

 

 

 

 

1.91

11.6

141.2

 

 

 

 

 

 

 

 

No. 1.8

 

 

 

 

 

 

 

 

1.91

11.1

160.0

 

 

 

 

 

 

 

 

No. 3.0

100

99

96

63

24.9

6.9

s(CL-ML)

A-4(2)

2.02

10.3

4.6

 

 

 

-

-

-

-

2.68

No. 3.2

 

 

 

 

 

 

 

 

2.05

10.5

102.0

 

 

 

 

 

 

 

 

No. 3.5

 

 

 

 

 

 

 

 

2.03

10.2

176.0

 

 

 

 

 

 

 

 

No. 3.8

 

 

 

 

 

 

 

 

2.04

10.4

204.2

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)夯壓試驗:詳表二及詳表三。
(2)單軸抗壓試驗:兩種土壤、三種水泥用量、三種不同壓實度、每種條件作兩個試體,共作36只試體(2×3×3×2=36)。
(3)C.B.R.試驗:兩種土壤、四種水泥用量(0、2、5及8%),共作8組(2×4=8)。

3.試驗資料分析
(1)夯壓試驗:夯壓試驗共作8組,其最大乾密度及最佳含水量值列於表三內。
(2)單軸抗壓試驗:單軸抗壓共作36只試體,其試驗結果如表四及表五所列。
(3)C.B.R.試驗:C.B.R.試驗共作8組,其試驗結果列於表三內。

4.圖表製作
(1)單軸抗壓試驗:
 a.依據表四及表五可分別製成圖一和圖二。
 b.由圖一和圖二可求得圖三。
 c.由圖三可求得擬用之試驗參考值如表六所示
(2)C.B.R.試驗:
 a.依據表三可分別製成圖四和圖五。
 b.由圖四和圖五可求得圖六。
 c.由圖六可求得擬用之試驗參考值如表七所示。

表四 水泥處理土壤單軸抗壓強度試驗結果一覽表

試體編號

水泥用量%

最大乾密度g/cm3

製作試體時含水量%

試體乾密度g/cm3

壓實度%

抗壓強度kg/cm2

No.1.2.1

2

1.86

11.7

1.86

100

3.20

No.1.2.2

1.77

95

2.64

No.1.2.3

1.77

95

1.96

No.1.2.4

1.73

93

1.89

No.1.2.5

1.67

90

1.70

No.1.2.6

1.67

90

1.20

No.1.5.1

5

1.91

13.6

1.91

100

7.20

No.1.5.2

1.81

95

5.47

No.1.5.3

1.81

95

4.30

No.1.5.4

1.78

93

3.86

No.1.5.5

1.68

88

3.15

No.1.5.6

1.68

88

3.81

No.1.8.1

8

1.91

13.1

1.81

95

8.35

No.1.8.2

1.81

95

8.18

No.1.8.3

1.78

93

7.58

No.1.8.4

1.78

93

10.02

No.1.8.5

1.68

88

8.69

No.1.8.6

1.68

88

6.70

土壤種類:No.1
試體尺寸:直徑2.8",高度5.6"之圓柱試體
試體製作:水泥含量為對土壤乾重比;含水量OMC+2%
試體養治:材齡7天後泡水4小時

表五 水泥處理土壤單軸抗壓強度試驗結果一覽表

試體編號

水泥用量%

最大乾密度g/cm3

製作試體時含水量%

試體乾密度g/cm3

壓實度%

抗壓強度kg/cm2

No.3.2.1

2

2.05

12.5

1.99

97

7.61

No.3.2.2

1.99

97

14.97

No.3.2.3

1.91

93

4.54

No.3.2.4

1.91

93

4.94

No.3.2.5

1.80

88

1.23

No.3.2.6

1.80

88

2.98

No.3.5.1

5

2.03

12.2

1.97

97

11.42

No.3.5.2

1.97

97

27.70

No.3.5.3

1.89

93

5.87

No.3.5.4

1.89

93

4.70

No.3.5.5

1.79

88

3.08

No.3.5.6

1.79

88

2.65

No.3.8.1

8

2.04

12.4

1.98

97

14.82

No.3.8.2

1.98

97

16.69

No.3.8.3

1.90

93

9.60

No.3.8.4

1.90

93

8.00

No.3.8.5

1.80

88

7.05

No.3.8.6

1.80

88

4.56

土壤種類:No.3
試體尺寸:直徑2.8",高度5.6"之圓柱試體。
試體製作:水泥含量為對土壤乾重比;含水量為OMC+2%
試體養治:材齡7天後泡水4小時。

 

圖一 壓實度與單軸抗壓強度關係圖(NO.1)

 

圖二 壓實度與單軸抗壓強度關係圖(NO.3)

 

圖三 水泥用量與單軸抗壓強度關係圖

 

圖四 壓實度與C.B.R.強度關係圖(NO.1)

 

表六 擬用之單軸抗壓試驗值彙整表

土壤

編號

水泥用量%

(對乾土重)

單軸抗壓kgf/cm2

(ASTM D1633 B)

單軸抗壓kgf/cm2

(ASTM D1633 A)

壓實度89%

壓實度93%

壓實度89%

壓實度93%

抗壓強度材齡7

No.1

4

2.9

3.4

3.2

3.7

No.3

4

3.1

4.9

3.4

5.4

5.結果分析
(1)水泥處理土壤以單軸抗壓強度表示時,若水泥用量採用2%,其抗壓強度值仍然未見大幅提昇,基於圖三曲線之強度走向趨勢尚稱平順,因此,採用水泥用量為4%時,配合恰當的壓實度要求,應較為安全、妥切。

圖五 壓實度與C.B.R.強度關係圖(No.3)

圖六 水泥用量與C.B.R.值關係圖


表七 擬用之C.B.R.試驗值彙整表

土壤編號

水泥用量%

(對乾土重)

C.B.R試驗值(%)

壓實度89%

壓實度93%

No.1

4

83

106

No.3

4

97

136

(2)工地拌合后取樣求材質試驗,實務經驗得知單軸抗壓強度之可靠度有時僅可達到50%左右,故基於安全性,建議以C.B.R為主,若非用前項不可,建議其養護7天后之試驗值必須達到:
 a.用於路床時之壓實度為89%(含)以上,其單軸抗壓值要在1.1kgf/cm2(含)以上。
 b.用於路基時之壓實度為93%(含)以上,其單軸抗壓值要在1.5kgf/cm2 (含)以上。
 c.若擬用於基底層時之壓實度為100%(含)以上,其單軸抗壓值要在2.0 kgf/cm2 (含)以上(由表四及表六參考值訂定)。

(3)若採用C.B.R值為控制之基準,除水泥用量仍使用4%之外,其工地拌合后取樣求得之C.B.R值必須達到:
 a.用於路床時之壓實度為89%含)以上,其C.B.R值要在10%(含)以上,(大部份規範對於路床均未要求強度值)。
 b.用於路基時之壓實度為93%(含)以上,其C.B.R值要在15%(含)以上。
 c.若擬用於基底層時之壓實度為100%(含)以上,其C.B.R值要在80%(含)以上(由表七參考值定)。

6.綜合討論
(1)水泥處理土壤若用於基底層時,其試驗方式以單軸抗壓強度較宜;用於路基,以C.B.R值較普遍;用於路床,須指定壓實度值,強度值可暫免。
(2)設計實務應考量充份之安全性與可靠度,同時須提供具可行性之施工規範或特訂條款。

四.水泥處理土壤施工規範輯要

水泥處理土壤使用於舖面舖築結構,在美國已行之有年,本省雖具備可供參考之規範,惟實務上仍相當保留、不普遍,本章筆者擬將蒐集所得之資料列表比較之,俾供業界佐參。
 1.常用規範說明章節之差異及比較詳表八。
 2>常用規範材料章節之差異及比較詳表九。
 3.常用規範施工要求章節之差異及比較詳表十及表十一。
 4.水泥處理土壤之試驗項目及方法詳表十二。
 5.水泥處理土壤之材質規定詳表十三。

表八 常用規範說明章節之差異及比較表

項次

規範名稱
比較項目

交通部
頒規範
1989年版

台灣省
公路局
1997版

Illinois State
1988年版

California State
1995年

FHWA
1985年版

AASHTO
1993年版

Vietnam
1993年版

1

舖築層次

底層

基層
底層

底層

底層

級配料層

底層

基層
底層

2

使用材料

土壤、級配料或 (土壤 + 級配料) 水泥、水

土壤、水泥、水

土壤、卜特蘭水泥、水

級配料、水泥、水

級配料、卜特蘭或組合式水泥

土壤或 (土壤 + 級配料)、卜特蘭或組合式水泥、水

砂或級配料、卜特蘭水泥、水

3

拌和方式

路拌、廠拌

路拌etc

-

路拌、廠拌

-

路拌、廠拌

廠拌

 

表九 常用規範材料章節之差異及比較表

項次

規範名稱

材料規範或
差異比較

材料項目

交通部頒規範
1989年版

台灣省公路局
1997年版

Illinois State
1988年版

California State
1995年版

FHWA
1985年版

AASHTO
1993年版

Vietnam
1993年版

1.

卜特蘭水泥

CNS61 R2001
TYPE I

CNS61 R2001
TYPE I

ASTM C150
TYPE I或IA

ASTM C150
TYPE II

AASHTO M85

AASHTO M85

AASHTO M85
ASTM C150
Type I、II或III

2.

組和式水泥
(Blended Cement)-

AASHTO M240
ASTM C595

AASHTO M240

3.


(含拌和及養護用)

不含污泥、油脂、鹽及有機雜物等有害物質。

不含油、酸、鹽及有機雜物等有害物質。

依AASHTO
T26規定辦理。

Cl-<2000PPM
SO-24<1500PPM
(NA2O+0.658K2O)
<300PPM
GS<1.03(S=0.01)

依AASHTO
T26規定辦理

依AASHTO 26
規定辦理

不含油、沉殿物及鹽性物質

4.

瀝青 (養護用)

使用RC-250、MC250或RS-2

使用CRS-1RS-1(CNS1304)
使用
MC-70
(AASHTO M82)

AASHTOASTM之相關規定辦理

使用SS-1CSS-1(AASHTO T59)

AASHTO
M140或
AASHTO M208
之相關規定辦理

AASHTO M81
AASHTO M82
AASHTO
M140或
AASHTO 208

使用SS-lh
CCS-lh或
MC-750
(應為MC-250之誤)

5.

添加物(RETARDER)

AASHTO M194
ASTM C494

6.

飛灰

C 級或 F 級(ASTM
C618)(配合 ITEM2 使用)

AASHTO M295 (配合ITEM2使用)

7.

石灰

ASTM C207
TYPE N(配合ITEM2使用)

8.

礦渣

AASHTO M302

9.

土壤或級配料

(1)最大粒徑2吋通過No4>56%
通過No.200<35%
(2)沉泥質土壤或粘土質沉泥
(3)粘土質土壤或粘土
(4)無級配規格規定

(1)最大粒徑3吋
(2)通過No.4>56%
(3)無級配規格規定

(1)最大粒徑1.5吋通過1吋篩>85%
(2)最大粒徑3吋通過No.4>56%
(3)無級配規格規定

(1)最大粒徑1吋水泥用量≦ 5%
(2)最大粒徑3吋、拌水泥前R≧60、拌水泥後R≧80、水泥用量≦2.5%
(3)具A、B兩類級配規格規定

(1)最大粒徑可由1、1.5、2及2.5吋四項中任選一種
(2)磨損率≦50
(3)50%以上粒料具一個破碎面
(4)LL<25
(5)具A、B、C、D、E五類級配規格規定

依AASHTO
M29
規定辦理具粗、細粒料之分界訂定為

NO.8

(1)使用砂料時其分類應為A-3
(2)最大粒徑可由1、1.5、及2吋三項中任選一種
(3)水泥用量≦5%
(4)具I、II、III三類級配規格規定

 

表十 常用規範施工要求章節之差異及比較表(ITEM 15)

項次

規範名稱

差異說明

施工要求項目

交通部頒規範
1989年版

台灣省公路局
年版

IIIinois State
1988年版

California State
1995年版

FHWA
1985年版

AASHTO
1993年版

Vietnam
1993年版

1.

施工氣候

晴天且氣溫5"C以上

氣溫5"C以上

路基溫度50℉以上且氣溫40℉以上

氣溫2℃以上

路基不得結冰且氣溫35℉以上

路基不得結冰且氣溫40℉以上

養護期間氣溫5℃以上

2.

施工機具

壓路機≧7公噸、壓力≧36kg/cm包商視需要提供機具須經工程司認可

須經工程司認可

(1)12000 yd2以上者須具備臨時廠拌設備
(2)壓路機6∼10公噸、壓力200∼325lb/in
(3)須經工程司認可

不同的工作屬性個別選用適當的機具且須經工程司認可

無特殊之規定

無特殊之規定

選用適當之機具

3.

路基整理

先予整形滾壓使其符合圖說規定

(同左)

(同左)

(同左)

(同左)

(同左)

(同左)

4.

翻鬆及搗碎

全部通過1吋篩及至少80%通過No.4篩為止。且不含存留於該兩號篩之卵石或石塊

全部通過1吋篩及至少80%通過No.4篩為止。且不含存留於1吋篩以上之卵石或石塊

(同交通部頒規範)

依級配規定辦理

至少80%通過NO.4篩且需移除3吋以上及不適用之材料

5.

拌和

自溼拌至開始滾壓不得超過60分鐘,且其間靜置時間不得超過30分鐘

(無左項之規定)

自溼拌至滾壓完成不得超過2小時,且其間靜置時間不得超過30分鐘

拌和時間不得少於30秒,且自溼拌至滾壓完成不得超過2小時

(同交通部頒規範)惟若使用添加劑,初凝時間可延至2小時

(Illinois)

自溼拌至滾壓完成不得超過60分鐘,且其間靜置時間不得超過30分鐘

表十一 常用規範施工要求章節之差異及比較表(ITEM611)

項次

規範名稱
差異說明
施工要求項目

交通部頒規範
1989年版

台灣省公路局
1997年版

IIIinois State
1988年版

Califomia State
1995年版

FHWA
1985年版

AASHTO
1993年版

Vietnam
1993年版

6

滾壓

含水量在OMC±2%內壓實度依AASHTO T134ASTMD568所得rdmax的95%以上

含水量在OMC-2%OMC+3%區間,乙層厚度最大15CM,壓實度依AASHTOT13所得rdmax的95%以上

壓實度依AASHTO T99A法或T134A或B法辦理不得低於rdmax的95%

壓實度依Califomia Test 312231辦理不得低於rdmax95%

壓實度依AASHTO T180 D法辦理不得低rdmax95%含水量在OMC±2%

含水量OMC±2%內壓實度依AASHTO T134辦理不得低於rdmax的95%

含水量在OMC±2%內,壓實度依AASHTO T180D法辦理不得低於rdmax98%

7

表面整形

應於2小時內或初凝前完成

須於2小時內完成

滾壓完成後2小時內完成

滾壓完成2.5小時內完成

自溼拌起2小時內完成滾壓及表面整形

(FHWA)

(FHWA)

8

施工縫

每日工作終了或中斷2小時以上或初凝以後施作

每日工作終了或中斷2小時以上時施作

每日工作終了時施作僅作橫縫

每日工作終了或中斷2小時以上時施作,除橫縫外,縱縫之鋸縫深度為75mm

每日工作終了時施作僅提及橫縫,處理斷面長度約2

每日工作終了時施作處理斷面長度60cm大面積時須同時作橫、縱縫

9

容許誤差

(1)任一點高低差於±1公分內(3M直規)
(2)任一點厚度值不得少於設計值
1CM
(3)各點厚度平均值不得小於設計值

高度差不得超過1公分(3m直規)

任一點高低差在10mm(3.6M±0.06M直規)相鄰兩點高低差變化值在15mm以內

50%以上之完工區域厚度值必須大於或等於設計值且單點厚度值差異不得超過0.5

任一點高低差在0.5吋內

(FHWA)、惟0.5吋改為1.3cm

10

養護時間

7

7

7

僅述及7天材齡之抗壓強度值

最少7

5

(並應防止結冰)

最少7

11

開放交通

7天內不准

7天內不准

7天後允許

7天內不准

7天內不准

表十二水泥處理土壤(級配料)之試驗項目及方法(文獻5)

試驗方法

試驗項目

AASHTO

ASTM

夯壓試驗

T134

D568

溼乾試驗

T135

D569

凍融試驗

T136

D560

抗壓試驗

D1632 ,D1633

抗彎試驗

D1632 ,D1635

水泥含量試驗

T144

D806

表十三水泥處理土壤(級配料)之材質規定表(文獻5)

土壤種類

抗壓強度

kg/cm2

28天抗彎強度

kg/cm2

凍融及溼乾試驗

損失率最大%

說明

分類

AASHTO

USCS

7

28

礫石、砂質土壤或細砂

A-1A-2A-3

GWGCGP

SWSCSP

21-42

28-70

5-11

14

沉泥質土壤或粘土質沉泥

A-4, A-5

ML,CL

17-35

21-63

4-10

10

粘土質土壤或粘土

A-6, A-7

MH,CH

14-28

17-42

3-8

7

五、結論與建議

1.台灣地區之舖面工程,管線開挖、回填之作業相當頻繁,車輛超載之問題尤其嚴重,因此而導致之品質低落現象,好像變的大眾均習以為常或不以為怪了;但是,站在工程師的立場,使用水泥處理土壤,的確可收立竿見影之成效,建議業界應審慎考慮此一問題。

2.採用水泥作為拌和材料,具有普及性、價格低、無化學毒性之顧慮等優點,相形於其他改良劑或添加劑應較易被民眾所接受,且減少環保抗爭之社會問題。

3.台灣地區已有試舖成功且績效良好之實例可循,仍具保留態度者可進一步求證。

4.使用水泥處理土壤,除可提昇舖築結構強度之外,尚具備下列之優點應予以重視:
 (1)滾壓機具採用6-8噸為主即可。
 (2)土壤含水量過高時可收「事半功倍」之效果。
 (3)不會大幅增加施工作業之困難度。

5.本工程司試驗品管之方法及依據已具成熟度,在有法可循之前提下,大量推展、採用已頗具信心。

6.本案之研究結果顯示:水泥用量採用4%即可符合相關規範之規定;惟若實務上之土壤材料有所變迭,工程師應進行必要之試驗工作以資印證較妥。

7.若採用水泥處理土壤作為管路回填材料,每層舖築厚度不得大於30公分,若承商無法達到壓實度之要求時,必須俟現場工程師核可后,始可降低每層舖設厚度值。同時為避免日後再行開挖之困難度,在各種管線、管涵等上方應先舖上30-50公分之砂襯層。

8.水泥處理土壤若養治得宜,其C.B.R強度值將隨材齡之增加具遞增之趨勢,少數工程師因顧慮施工期間7天之養治期對交通之衝擊過大,故而可能「因小失大」,頗令筆者無奈。

9.研訂水泥處理土壤施工規範時,設計人員應詳細了解各環節之特性(EX:材料、承商能力、現場客觀條件、施工步驟等等),而予以妥切訂定各項條款,切忌閉門造車,則難保實務不會脫節、窒礙難行。

10.筆者一直強調:試驗值與設計值之間有許多Formulation的統計模式(詳文獻12及13),後者亦非前者之平均值即可了事,有興趣之讀者可進一步參考相關之文獻或統計學理論。

參考文獻
1.房性中,"管路回填觀音石研究計劃報告",中華顧問工程司,1998年12月。
2.房性中,"柔性舖面採用水泥處理土壤之可行性探討",土木工程技術季刊第九期,1997年9月。
3.房性中,"試驗新知之三十一:水泥處理土壤(級配料)施工規範差異性比較暨說明,中華技術第39及40期合刊,1998年11月。
4.中華顧問工程司,"中山高速公路路竹∼員林段拓寬工程頭份∼苗栗第421標工程路堤擋土牆回填材料試驗報告",1996年2月。
5.交通部,“部頒公路工程施工規範”1989年8月。
6.台灣省交通處公路局,“公路工程施工說明書”,1997年6月。
7.Illinois Department of Transportation,〝Standard Specifications for Road and Bridge Construction〞, 1988.
8.State of California Department of Transportation, 〝Standard Specification〞, 1995.
9.FHWA, 〝Standard Specification for Construction of Road and Bridge on Federal Highway Projects〞,1985.
10.AASHTO, 〝Guide Specifications for Highway Construction〞, 1993.
11.Socialist Republic of Vietnam,〝Standard Specifications of Highway No.5 Improvement Project under ROC-IECDF Loan〞, 1993.
12.房性中,"標準貫入試驗N值應用的比較與探討",文笙,1998年12月再版(G151)。
13.房性中,"材料暨舖面工程實務問答集",文笙,1998年10月初版(G153)。