粉砂土路基填筑施工技术研究.docx
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粉砂土路基填筑施工技术研究
课题名称：
粉砂土路基填筑施工技术研究
课题承担单位（盖章）：
中国建筑第七工程局有限公司
课题起止时间：
2011年07月至2012年06月
课题验收时间：
2012年7月
目录
1绪论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3依托工程特点和难点分析 2
1.4本研究的方法及主要内容 3
2粉砂土填料路基施工工法 4
2.1概述 4
2.2工法特点 4
2.3适用范围 4
2.2施工工艺 4
2.5机械设备见表2 7
2.6劳动力组织见表3 8
2.7质量控制与安全生产 8
2.8经济效益分析 8
3粉砂土路基压实控制 10
3.1概述 10
3.2影响粉砂土压实的主要因素 10
3.3施工前期准备 11
3.4填土压实方案 12
3.5粉砂土路基施工控制要点 12
4改性粉砂土 14
4.1低液限粉砂土路基强度形成原理 14
4.2低液限粉砂土的路用性能 14
4.3影响低液限粉砂土压实效果的因素 16
4.4研究结论 18
5结论 19
粉砂土路基填筑施工技术研究
1绪论
1.1选题背景
根据区域地质资料，区域内地层主要为：
第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）主要由粉质粘土、粉土和砂层组成，层厚较大，以粉质细砂土为主。
根据《公路路基施工规范》规定，液限大于50%、塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路堤填料。
粉砂土属不良的路基用土，强度达不到设计要求，应尽量避免使用。
从环保角度考虑，为合理使用当地土方资源，减少外购土方，保护当地水土环境；从经济可行性分析，采用粉砂改良土路基可大大降低成本；从技术角度委托湖南大学岩土工程研究所进行粉砂改良土路基验证试验，改良土各项指标经测试均符合设计及规范要求。
本课题依据依宝高速公路依兰至七台河段项目，对粉砂改良土技术进行归纳总结，为将来国内类似工程施工提供参考。
1.2国内外研究现状
国内技术现状：
粉砂土土粒是在水力作用下，经搬运沉积而成的，广泛分布于冲洪积平原、河流三角洲、沿海平原等，地基承载力低，粉砂土广泛分布于我国各地，在大多数省市均有分布。
而目前国内对于粉砂改良土应用较少，一般采用换填技术，但采用该项技术，一方面存在粉砂土外运，好土购置费用，经济上不合理，增加了成本，加长了工期，且不利于环保和土地节约。
发展趋势：
用粉砂改良土填筑路床,可以节省大量取土用地,对公路沿线的耕地和农田基本没有开挖利用,路床包边土在离主线较远的坑塘附近进行取土掺灰拌合,节约了土地资源。
同时具有一定的经济效益。
因此，从成本和环保角度考虑，采用粉砂改良土进行路基的填筑施工具有广阔的推广应用前景，可以大推广使用。
国内现有工作基础：
为确保该项技术研究的顺利实施，由湖南大学岩土工程研究所提供试验、理论指导，共同进行该课题的研究，保证课题的顺利实施。
1.3依托工程特点和难点分析
1.3.1工程概况
依兰至七台河公路是黑龙江省干线公路依兰至宝清公路的重要路段，该路段位于黑龙江省东部地区，途经依兰县、勃利县和七台河市。
它连接着两条国道（同三公路佳哈段、鹤大公路佳牡段）和两条省道（依饶公路、富密公路），是黑龙江省高速公路网“二环、七射、六联”中的联二线重要组成部分。
1.3.2工程特点与难点
粉砂土由于其特殊的工程性质，施工控制难度大，控制不严格容易形成质量隐患。
目前《公路路基施工技术规范》尚无明确的采用粉质砂土填筑高等级公路路基的条文规定，尽管一些施工单位已经做了很多尝试，但施工工艺尚不完善，施工质量控制困难。
1.4本研究的方法及主要内容
1.4.1研究方法
以依宝高速公路依兰至七台河段工程为载体，成立专门的课题组，将已经实践的施工技术以及充分挖掘我公司多年来积累起来的施工经验和数据，经深层次加工和理论探索，最终形成粉砂土路基填筑施工技术，并进一步形成相关工法，直接用于指导施工建设。
1.4.2主要内容
1）粉砂土填料路基施工工法；
2）粉砂土路基压实控制；
3）改性粉砂土；
18
粉砂土路基填筑施工技术研究
2粉砂土填料路基施工工法
2.1概述
路基填料一直是高速公路路基施工中倍受施工单位、设计和监理单位关注的问题，但全国各地地质情况不尽相同，因此，路基填料的选择和施工工艺也千差万别。
填料性质的差异，短则几百米，长则几公里或上百公里。
一般路基施工中对填料仅作性质判别和分类，只要其性质能满足路基承载力要求和沉降量要求均可使用。
然而施工中有些填料虽然性质优良但施工控制时较难操作，例如：
工业矿渣，粉煤灰，粉砂土等。
粉砂土只要施工方法得当，同样可以使用，我们负责施工的依宝高速公路依兰至七台河段工程就选择了粉砂土作为路基填料。
经过反复试验、总结形成本工法。
2.2工法特点
1）可操作性强，完善、简便；
2）工程质量有保证，工后沉降量小，沉降均匀，稳定时间短；
3）能够满足施工规范及设计要求，料源较广；
4）施工进度快，效率高。
2.3适用范围
本工法适用于亚粘土、粉砂土、粉土、粉煤灰作填料时的路基填筑工程。
2.2施工工艺
2.2.1控制含水量
无论是何种填料，含水量对填料的密实程度起决定性作用。
含水量较小时由于颗粒间引力在挖掘、装运、摊铺过程中保持着比较疏松的状态，土中孔隙大都互通，水少而气多，在一定外部压力作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于水膜润滑作用小，外部力不足以克服粒间引力时，土粒相对位移不容易，故密实度不易达到规范要求。
含水量较大时，水膜厚，引力减小，外部功能较容易使土粒移动，压实效果明显，但含水量过大时，孔隙中出现了自由水，压实功不可能使气体排出，压实功的一部分被自由水所抵消，减小了有效压力，压实效果反而降低。
施工中严格控制含水量，使其含水大于最佳含水量2~3个百分点，以弥补碾压过程中水的损失，控制含水量满足上述要求时立即摊铺，平整、碾压。
2.2.2选择机械和相关控制参数
根据土质状况，本项目选用压实效果较好的重型振动压路机，和YCT25型冲击式压路机，土在外力作用下，压实密度随深度递减，对于本合同段的粉砂土来看，表面3~5CM，往往呈松散状，而5~15CM压实层才符合规范。
为保证压实度，还应在机械选择的基础上控制压实厚度、碾压遍数，使其相互最佳配合，土质分析与机械选择压实厚度、碾压遍数对照见表1。
表1土质分析与机械选择压实厚度、碾压遍数对照
土质分析
机械型号和碾压遍数
厚度控制
备注
液限
塑限
塑指
最佳含水量
最大干密度
YZT16T振动压路机
YCT25冲击碾
15～20cm
翻晒机械用当地农用旋耕机
27.2
～
29.3
17.2～
18.2
10.0
～
12.5
12.9～
14.6
1.72～
1.8
静压2～3遍,每层振动碾压6～8遍
填高1米时碾压20遍
2.2.3质量控制
本土质保水性差，土体板结困难，在静量一定时间或随着车辆上土过程中碾压，表面易形成3~5CM厚浮土层。
在上土之前，必须补充适量水，并用压路机碾压密实，以防止表层浮土产生弹性体，也防止两者之间产生松散体影响路基质量。
每填高1米时用YCT25型冲击式压路机碾压一次，20遍为一次，由于其冲击力达140~200T，可以减小工后沉降量，提高压实度。
2.2.4施工工艺流程
土质分析
施工准备
土场清表
挖掘装运、填料
检测含水量
摊铺平整
碾压
压实度检测
平地机平整、划方格网、表层补水碾压
洒水或翻晒
检测含水量
洒水或翻晒
合格
不合格
合格
合格
不合格
不合格
合格
图1施工工艺流程
通过我标段试验段证明，冲击碾压效果明显，压实度可提高3～6%，平均压实后沉降量达7cm，对加速土体固结，加快路基稳定，有更强的促进作用。
2.5机械设备见表2
表2机械设备
序号
名称
型号
数量
备注
1
挖掘机
CAT320/PC220
1/1台
2
推土机
上海120
1台
3
自卸车
东风
14台
4
平地机
PY160B
1台
5
洒水车
东风
2台
6
压路机
YZT16
2台
7
旋耕机
50型
2台
2.6劳动力组织见表3
表3劳动力组织
序号
工作内容
人数
备注
1
操作土方机械
40
2
现场指挥装卸车
4
3
试验员检测压实、含水量
3
2.7质量控制与安全生产
1）制定质量安全管理办法，并以文件形式下发，安质部负责检查落实。
2）试验室负责用灌砂法检测压实度，工地试验员现场控制含水量，并指导施工。
3）成立以总工为组长的安全质量管理小组，现场技术负责人进行工序协调控制。
2.8经济效益分析
1）及时准确的控制路基压实质量，不造成盲目施工和人材机的浪费。
2）工序安排合理，速度快，不会造成窝工浪费，工效提高。
3粉砂土路基压实控制
3.1概述
粉砂土是一种工程性质较差的路基填料，施工工艺不合理的情况下，通常压实度很难满足要求，路基压实度不足一方面可能导致路基承载力不足，引起整个路面的结构性破坏；另一方面使雨水或其他自由水侵入的可能性增大，路基水稳性差。
施工时粉砂土含水量高且很容易发生翻浆，含水量低会造成压实后路基表层起皮、松散的问题，造成层问结合不良，形成工程隐患。
粉质砂土压实质量的好坏，关键问题是压实工艺，其中主要影响因素有：
土质、土的含水量、碾压层的厚度、压实机械性能与组合、碾压遍数、碾压速度和地基的强度等。
3.2影响粉砂土压实的主要因素
粉砂土与粘性土、砂土的物理性质和工程性质不同。
其粉粒含量高，粒径比较均匀，粘土颗粒含量极少，塑性指数低，毛细管发育，水稳定性差，常规的压实方法和工艺难以压实。
按照现行的路基压实标准和压实工艺填筑的粉质砂土路基，道路运营后不久，在行车与自重荷载的作用下，常因地基和路基的不均匀沉降而导致沥青路面开裂。
3.2.1含水量对压实效果的影响
含水量是影响压实度的重要因素，对于粉砂土来说，含水量对其影响尤为重要，粉砂土对水的敏感性强，保水性差，遇水易形成流沙现象。
含水量低时，容易出现表层扬尘，按照规范碾压后，土层表面会出现鳞片状，所以，在施工现场应严格控制土的碾压含水量。
击实过程中发现，当含水量较小时，粉土易从击实筒挤出，试件松散，当含水量增大到一定程度时，底部已有水溢出，出现“弹簧”现象，难以击实，说明粉土不宜在低含水量和高含水量下压实。
根据取土场土样试验测定，其最佳含水量为15．9％，最大干密度为1．64g/cm3，液限为28％，塑限为21．1％，塑性指数6．9。
3.2.2摊铺厚度的控制
粉砂土的颗粒非常细，水分散失比较决。
如果每一层填土太厚，经洒水后水分会分布不均，特别是高温季节，常常会出现这种情况，经洒水路段的土层底部水分仍然是自然含水量，而上部填土基本上已经干了，或者在天然土本身含水量比较大的情况，每层土太厚，土层不易晾晒，出现上层干，下层含水量仍较大。
3.2.2碾压遍数及压实机械性能与组合
根据施工经验，重型振动压路机对于粉砂土压实效果较好，本项目选用YCT25型冲击式压路机。
碾压后的粉砂土，表面3—5em往往呈松散状，因此需要根据压实效果适当考虑增加静压遍数。
3.3施工前期准备
3.3.1测量放样
路基开工前，根据原始导线点和加密导线点恢复路线中桩，放出公路用地边桩和路堤坡脚线位置，撒白灰标示清楚。
3.3.2清表、测定地表土各项试验指标
用推土机清除路基用地范围内的杂草、树根及其他障碍物等有害于路堤稳定的杂物，用素土分层回填路基范围内的沟、坑、池塘等，并将路基范围内的场地整平。
测定路基原地表以下30cm以内的土的各项试验指标，为填前压实做好准备。
3.3.3挖临时排水沟
在路线两侧征地界范围各挖一条宽0.5～1.0m，深0.5m的纵向临时排水沟，以利于路线内地表水的排出。
3.3.4填前整平压实
根据地表土的试验指标，确定压实方案，压实前测定土的含水量，控制其在最佳含水量的±2％范围内，用振冲式压路机对路基进行碾压施工。
由于粉砂土的水分积聚现象严重，很容易引起路基翻浆甚至液化，为了消除工程隐患，在原地表处理时应予以高度重视，基地要做好排水措施。
例如原地表可设砂垫层、控制好横坡度，必要时要进行换填处理等。
3.4填土压实方案
采用挖掘机取土，自卸汽车运土，运至施工现场；上料完成后，开始摊铺；摊铺时随时检查摊铺厚度，并控制松铺厚度不超过30cm；根据含水量大小进行洒水或翻松晾晒处理；在含水量达到最佳含水量±2％时，即开始碾压；压实遍数采用静压1遍，轻振1遍，强振3遍，静压2遍；压实后及时检测压实度。
3.5粉砂土路基施工控制要点
1）保证土质均匀性。
粉砂土中经常夹杂一些粘土或淤泥，这些粘土或淤泥杂质在碾压后，会形成一些土层鳞片状的“土饼”，并且粘土会随着压路机的碾压来回移动，致使碾压效果不明显，这部分粘土保水性好，水分散失慢，粉砂土晾晒后可以碾压时，这部分粘土往往会因为过湿在碾压时出现“弹簧”。
为了避免该种情况的发生，在路基土方填筑过程中’若发现大块粘土’庖立即清除或粉碎为细小颗粒，尽量保证土质的均匀性。
2）两层土之间容易形成松散的夹层。
粉砂土表层很容易因为水分散失形成松散的结皮，进行下一层施工时，在自卸车的碾压下形成一层浮土，存在一定的质量隐患。
在进行下一层施工前对原土层预先洒水、静压可以起到一定的作用。
上下两层土施工相差时间较长时，或路基受雨水淋湿过，在进行下一层土施工前要对原土层重新碾压，防止形成夹层。
3）容易造成水分积聚。
粉砂土渗水性强，含水量大时容易液化。
在原地表处理时要做好排水隔离措施，在台背回填部位必要时进行地基加固处理。
4）易造成冲刷。
粉砂土路基边坡在受到雨水冲刷时，极易形成冲沟破坏，因此要预先做好防范措施。
如路基宽度要预留够，填方较高时，要采用粘性土作包边土，做好临时泄水槽，保证路基横坡度符合要求等。
5）干燥时易扬尘。
粉砂土颗粒小，干燥时容易扬尘，平常施工时要注意洒水，保证文明施工。
4改性粉砂土
4.1低液限粉砂土路基强度形成原理
在低液限粉砂土路基施工过程中，填土经过挖掘搬运，原状结构已被破坏，土颗粒之间留下许多孔隙。
在碾压过程中，土颗粒重新排列，彼此挤紧，孔隙减小，形成新的密实体，增强了土颗粒之间的摩擦与咬合及土颗粒分子之间的分子引力，从而提高土体的强度和稳定性，且土的塑性变形，毛细水作用及隔温性能都会得到明显改善。
为了改善粉砂土的路用性能，公司根据设计要求，均用掺加不同剂量的石灰及水泥进行了改性处理，改变其液塑性指数。
在压实过程中，在一定外部压力作用下，土孔隙中的气体排出，在最佳含水量状态下，土颗粒在水膜的润滑作用下，相互移动，彼此挤紧，增强其土颗粒的分子引力，减少土体的透水性，降低土体毛细水上升高度，以保证路基具有一定的板体结构，并防止水分积聚侵蚀路基，导致路基软化或因冻胀翻浆引起的不均匀变形，保证路基的强度及稳定性。
4.2低液限粉砂土的路用性能
根据设计要求，此类土塑性指数较低，不宜直接作为路基填料，需用石灰、水泥进行改性处理，改变其液塑性指标，增加其强度。
对于路基的不同部位：
96区及台背回填范围采用8%石灰+2%水泥，其他部位均采用5%石灰+1%水泥填筑。
为此我项目部针对不同灰剂量，进行了路拌焖灰与土场掺灰相结合的方式，进行了路基试验段施工，并与路拌掺灰、自然晾晒的施工工艺进行了对比分析。
通过两种工艺的施工比较，可说明以下几个问题：
1）土场备土可使土体中的水分自然渗透流失，避免过湿土样直接运至工地后，对已成型路基侵入，造成路基局部“弹簧”，降低了土体含水量。
2）备土堆放，土中含水量降低后，采用焖灰，可缩短作业周期，减少翻拌晾晒时间，并改变土质的液塑限指标，极大地提高机械利用率。
试验表明：
当土场掺灰量大于2%时，液塑限开始改变，当剂量太大，超过9%时，液塑限指标几乎不再改变。
3）在取土场掺灰处理，使消解阶段在土场内进行，缩短了路基成型周期，加快了施工进度，同时便于装卸、翻拌。
4）土场焖灰虽然从工艺上看增加了一次挖掘机翻拌工艺，且掺灰的均匀性较人工布灰差，但可从其他几项工艺（如推平、翻拌）得到弥补。
但更重要的是缩短了路基成型周期，成型周期由原来的7～8天缩短为3～5天，大大地提高了机械利用率，提高了整个工艺与效率。
通过两种工艺的成效效果比较：
在其中一段施工过程中，附近借方填筑至96区顶时，因土塑性指数较小，天然含水量较大，表面碾压后难以成型，见雨水后上面行车就产生近10cm厚的泥，晴天就是一层灰，经过土场掺灰处理后，改变了土质的液塑限指标，提高了施工含水量，缩短了成型周期，成型路基质量较好。
掺灰压实后，提高了路基土层强度及回弹模量，易于满足设计要求。
实践证明，焖料时间和翻拌次数及水平推移的距离都会影响低液限粉砂土的砂化效果，改变土体的力学性质，效果较好。
4.3影响低液限粉砂土压实效果的因素
影响低液限粉砂土路基压实效果的因素有很多，经过实践和试验得知，主要有外因和内因两个方面。
内因指土质和含水量，外因指压实功能、压实工具和碾压的方法。
4.3.1土质及含水量对粉砂土压实效果的影响
根据试验得知：
含水量是影响粉砂土压实效果的决定性因素；在最佳含水量，土体处于硬塑状态时，最容易达到最佳效果；压实到最佳密实度的土体水稳性最好。
一般土的最佳含水量，大致相当于土的液限的0.5～0.6倍，对于低液限粉砂土来说，在最佳含水量状况下，在最短的时间内充分压实，尤为重要。
因此类土工程力学性质较差，晾晒困难，欲使此类填料在密实度上达到重型击实标准，不采取必要的措施，很难达到规定的压实标准。
在施工中，项目部因没有注重此类低液限粉砂土填筑路基的特性，在其中一段90区第一层（5%+1%）灰土层施工中，由于此段路基成型周期较长，又加之降雨，从而严重地影响了压实度的检测结果。
造成该段路基失败的原因有以下两点：
1）雨前检测灰剂量19点，平均灰剂量为5.08%，雨后在原桩号处抽取灰剂量19点，平均灰剂量仅为2.09%。
由于雨后灰剂量严重衰减，满足不了设计灰剂量5%的要求，故在碾压前进行了再次掺灰处理，处理后通过灰剂量滴定试验，石灰剂量达到设计要求的103%。
由于灰土成型时间过长，二次掺灰后，实际石灰剂量已严重大于5%的设计要求，在此种状况下，如果再采用5%石灰+1%水泥的最大干密度不变，很难达到设计压实标准要求。
为此项目部针对实际情况，进行了不同灰剂量下的最大干密度试验。
2）由于没有合理利用机械设备，碾压成型时间较长。
因路基填土为低液限粉砂土，保水性较差，失水快，在气温较高的情况下，要在适宜含水量进行充分碾压，必须保证初压时的含水量比最佳含水量高2%～3%，以弥补碾压过程中的水分损失，在2～3小时内碾压完毕，否则，碾压未达到规定的压实度之前，就造成表层推挤、松散，在表层1～3cm内出现浮土层，影响路基压实度及成型质量。
4.3.2压实机械的选择对粉砂土压实效果的影响
因本地区低液限粉砂土塑性指数较低，保水性差，水分损失快，土体板结性较差。
所以，针对低液限粉砂土的这一特性，必须选择合理及充足的施工压实机械，以保证路基压实成型质量。
1）为保证路基压实，要求应严格控制填土分层压实厚度，对于低液限粉砂土来说压实厚度宜为15～20cm。
2）因振动压路机接触面较大，压实强度被均匀分散。
所以对于低液限粉砂土，笔者建议最好选用轮胎式压路机，先进行充分挤密揉合碾压2～3遍，然后再用振动压路机压实。
否则单纯用增大压实功能提高此种土体的密实度，未必合理。
若土体含水量偏大，还会出现“弹簧”现象，破坏土体结构。
3）由于高速公路对压实度要求较高，所以对于低液限粉砂土来讲，碾压时宜慢速，随着土层的逐步密实，速度再逐步提高。
压实时的单位压力不应超过土的强度极限，否则土体将会遭到破坏。
如果压实遍数超过10遍，仍达不到规定的压实度要求，则继续增加碾压遍数，效果会很小，如此笔者建议减小压实层厚。
4.4研究结论
低液限粉砂土由于其本身自有的特性，在高速公路的路基施工中，在施工方面，具有成型困难、失水快、板结性差等缺点。
为保证路基施工质量，必须对其进行改性处理，提高其塑性指数，才能使其具备一定的路用性能。
5结论
本文以依宝高速公路依兰至七台河段工程为依托工程,通过对施工中的关键技术研究得出以下结论：
经济效益：
采用本项施工技术，可免去了挖土弃运、购土换填的工序。
可有效缩短施工周期。
经初步测算，采用粉砂改良土每立方米可节约成本20元左右（计算过程：
弃土外运和外购土50元/m3，采用改良土，每m3掺加水泥100Kg,合计30元，成本节约20元m3）。
社会效益：
由于采用该项技术，能够有效缩短工期，将产生较好的社会效益。
环境效益：
用粉砂改良土填筑路床,可以节省大量取土用地,对公路沿线的耕地和农田基本没有开挖利用,路床包边土在离主线较远的坑塘附近进行取土掺灰拌合,节约了土地资源。
具有环保、节能、节地的优势。
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