膨胀土填芯路基施工工法- - 副本 17页

2.膨胀土填芯路基施工工法--副本膨胀土填芯路基施工工法申报单位：山东鲁桥建设有限公司申报时间：二〇一二年四月17膨胀土填芯路基施工工法山东鲁桥建设有限公司徐景岩郭瑞鹏李景军陈凯军郭明章1.前言膨胀土在我国分布极广，目前已在20多个省、市、自治区发现膨胀土。其主要分布在云贵高原至华北平原间各流域形成的平原、盆地、河谷阶地以及河间地块和丘陵等地区。其中，珠江流域的东江、桂江、郁江、南盘江水系，长江流域的长江、汉水、嘉陵江、岷江、乌江水系，淮河、黄河、海河流域各干支流水系等地区膨胀土分布最为集中。由于膨胀土具有明显的胀缩性、超固结性和多裂隙性，如直接用以填筑路基或在改良和填筑施工过程中质量控制不当，都会对路基稳定性带来相当大的危害。因此，在大规模、高标准公路建设的工程实施中，必须高度重视膨胀土改良技术和改良膨胀土路基施工技术。临枣高速公路项目地处山东省南部，路线内丘陵顶部及丘间洼地相对较为平坦，多辟为耕地，属膨胀土集中地区，该项目路基填筑方量大，仅临枣高速五合同段借土填方就达326万方，土源极其紧张。经勘察表明五合同K64+207～K66+404段可利用的土场全为弱膨胀土。在建设单位、监n理和设计单位的支持下，我公司与山东省交通科研所针对膨胀土路基施工进行了技术攻关，在充分考虑技术、安全及临枣高速建设具有的特殊性质、外部条件等的前提下，根据现场土性分析、施工条件、结构特点的不同，制定了一套新型施工方法——膨18胀土填芯、改性土包边方案。该方案首先在临枣五合同进行了试验性施工，并在试验施工中开展了“膨胀土填芯路基施工质量控制”项目科学试验研究工作，对改性土包边膨胀土路基施工工艺进行了探索和研究，试验证明膨胀土填芯路基施工方案既能满足规范要求，保证工程质量，又能节约工程投资。经过试验段施工，我们对膨胀土填芯路基施工方案进行了总结、完善，并在随后整个临枣高速公路的膨胀土路基施工中得到全面推广和应用。2.工法特点包边法是一种路基结构性措施，包括路基两侧的包边、以及膨胀土土芯的上、下封层处理，通过将未加处理的膨胀土芯与外部环境一定程度的隔离和平衡，降低了环境湿度变化、大气降水、地下水位变化对膨胀土芯的影响，从而保证路基整体的稳定性。其特点如下：2.1膨胀土土芯直接利用膨胀土填筑，避免了远距离取土，降低了直接工程费用，生态环保效益良好。2.2膨胀土包边结构，在路基填土高度为6～8m、弱膨胀、路基坡度为1:1.5～1:1.75、上下封层结构合理的前提下，结构稳定性良好。2.3使用改性膨胀土包边，中间直接填筑素膨胀土进行路堤施工，路基可全断面同时布土、推平、碾压等，只在碾压前增加了改性土包边路拌n施工工序，施工方便快捷。2.4实施前应根据工程地质情况及环境条件进行室内土工试验和19现场生产性试验，确定改性土和膨胀土施工的最佳施工技术参数和施工工艺，以指导现场施工。3.适用范围本工法适用于高速公路、一级公路、铁路、机场等工程的膨胀土路基施工，也可用于膨胀土路基的病害加固处理。4.工艺原理改性处理是利用石灰、水泥或其他固化材料通过与膨胀土的物理化学作用对膨胀土进行处理，以达到抑制土体膨胀，减弱收缩，增加力学强度，提高水稳性等目的。改良后的膨胀土可达到非膨胀土的各项指标要求，从而可用于路堤填筑施工。本工法突破了常规的膨胀土路基施工方法，借鉴了国内最新的膨胀土治理技术，通过试验确定了膨胀土的物理性质，工程性质，提出了膨胀土填筑路基的化学处治技术，使膨胀土直接用作路基填料进行了全新的评价，扩大了膨胀土的利用范围，提高了取土场的利用率，节约了工程造价，有利于生态环境的保护。5.施工工艺流程及操作要点5.1膨胀土的特性及判别5.1.1膨胀土的特性膨胀土是一种遇水急剧膨胀，失水则严重干缩的高塑性粘土，它20n含有蒙脱石及伊利石、高岭石等膨胀性矿物，具有很强的亲水性、持水性和很高的可塑性及粘聚性，工程力学性质极不稳定。5.1.2膨胀土的判别膨胀土根据其膨胀率大致可分为强、中、弱三级，一般在设计文件中也有规定，也可取样通过试验而定。按照自由膨胀率、液限和塑性指标，膨胀土的判定及分类见表1。填料膨胀土等级判定标准表15.2取土场土样分析项目部对K64+207～K66+404段路基填筑所用取土场南刘村取土场进行了土质调查，采用洛阳铲探查，将该取土场划分为4个取土区，即西南1区，东南2区，西北3区，东北4区，每个区取3个断面，每个断面3个点，共36个点，探取深度2.3米；经试验检测，取出的土样均为高液限粘土及弱膨胀土。试验结果见表2。取土场膨胀土性能指标表25.3包边法相关参数的确定21改性膨胀土包边，宜采用减缓坡度，一般坡度采用1.5～1:1.75；且路基高度相对较低，一般为6m～8m的情况，否则宜采用分段台阶形式。改性土环境湿度的影响深度一般为0.8m～1.5m，考虑到边坡附近宽度1.5m范围内，受边界干扰较大，压实度不稳定，包边厚度宜大于2.5m，一般采用3.0m～3.5m。路床和上路堤1.5m需采用粘土或改性土封层，底面一般设臵隔离毛细和起到排水作用的下封层，厚度一般不小于50cm。n本地区石灰产量少，成本较高，且对空气污染较大，经过对比分析后决定采用水泥进行膨胀土的改性处理。临枣高速公路K64+207?K65+060段路基填筑高度为6.0m，路基边坡为1:1.5，包边区域采用“水泥改性膨胀土”填筑，中间素膨胀土直接填筑，水泥改性土包边厚度为3.5m。5.4包边土改良试验5.4.1水泥的改良膨胀土作用机理水泥改良膨胀土能大幅度地提高膨胀土的稳定性和耐久性。掺入水泥后，膨胀土的化学组成以及内部结构发生变化，从而引起膨胀土的强度、胀缩性等特性发生改变。水泥对膨胀土物理力学性能的影响主要体现在以下3个方面：（1）团粒作用:水泥水化反应的胶凝产物将土颗粒粘结起来，提高了土体的稳定性和耐水性。（2）离子交换作用:水泥与膨胀土发生离子交换作用改变了膨22胀土颗粒与水分子的作用力。（3）凝硬反应和碳酸反应:水泥凝硬反应以及氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生反应生成耐水的碳酸钙，提高了膨胀土的强度。5.4.2试验方案及结果改良试验采用水泥掺灰比例为3%、4%、5%、6%、7%(干土质量百分比)。掺灰后膨胀土样的制备按照扰动土样的制备程序重新制备。对掺水泥后的膨胀土进行了界限含水量、自由膨胀率、强度等试验。击实试验采用重型电动击实仪。通过击实试验得到最大干密度和最佳含水量，在此基础上重新制备土样进行强度试验，土样在保湿器中养护28n天，采用快速直剪法进行试验。经过室内掺灰试验对比分析后，确定路床下上封层为150cm，采用水泥剂量4%“水泥改性膨胀土”填筑，下封层为50cm，采用水泥剂量3%“水泥改性膨胀土”填筑，包边区域采用水泥剂量5%“水泥改性膨胀土”填筑，参见以下包边断面图。图1水泥改性土包边填筑示意图5.5改性土的施工拌和方法在国外，改性土的施工方法主要有三种。第一种方法是就地拌合法或称路拌法。采用这种方法时，先将要改良的土(沿线路挖的或从23附近取土坑中挖的膨胀土)摊铺在下承层上，整形后在其上摊铺掺入料，然后用路拌机进行拌合，并进行整平和压实。第二种方法是用移动式拌合机沿线拌合。这种方法经常用于大的工程，在国外使用的最多。第三种方法是中心站拌合法或称集中拌和法，即集中在某一场地(通常在取料厂)，用固定式拌合机拌合石灰土混合料，用自卸卡车将拌成的混合料运送到铺筑工地，然后进行摊铺和压实。根据现场施工的机械配备情况，采用德国宝马路拌机(MPHl00)拌和。5.6施工工艺流程及操作要点由于中部填筑未改性土施工为常规方法，故以下仅叙述改性土的施工工艺。改性土施工工艺流程为：填筑材料及地基试验、检验→现场生产性试验→基底处理→土场取土→布土→初平→路拌→精平→碾压→检测。其操作要点为：n5.6.1试验室室内外试验包括填筑所用土料的土性试验、液塑限、土的颗粒分析、击实试验（包括不性良土、水泥土的不同含水率、不同掺合比状况下的击实）、土的承载比、填方区的地基承载力试验等。5.6.2现场生产性试验通过现场生产性试验确定水泥掺用比例、松铺厚度、最佳含水率、压实机械的压实遍数、改性土的压实度等路堤填筑施工技术参数，以此参数指导施工。5.6.3基底处理24路基施工前先做好截水沟、排水沟等排水及防渗设施，水沟的断面为80×80cm。地面横坡缓于1：5时，清除地表草皮、腐殖土后，原地面经压实，验收合格后，可直接在地面上填筑路基。地面横坡陡于1：5时，在清除地面草皮杂物后，应将原地面挖成台阶，台阶宽度不小于2m，高度为0.2～0.3米，台阶顶面做成向内倾斜2%～4%的斜坡。场地清理完成后，应全面进行静压。静压采用小型振动压路机进行光碾检验（压2～3遍），不宜采用振动碾压，以免破坏土体原有的结构性，使其强度降低。在碾压过程中，如发现土过干、表面松散，应适当洒水；如土过湿，发生“弹簧”现象，应采用挖开晾晒、换土、掺石灰或根据具体情况决定是否施工垫层等措施进行处理。5.6.4土场取土n在取土场取土，并检测取土的各项指标，符合规范要求即可采用，同时应确保土料的含水率合适，否则需采取降低或升高含水率措施。土场里的弱膨胀土经检测合格后可运至填筑路基面用于填芯施工。5.6.5布土全断面摊铺素土，保证素土的天然含水率在最佳含水率1%～2%范围内，用铧犁配合旋耕机破碎土团重复以上过程2～3遍。土料摊铺时安排专人负责，根据试验确定的碾压机具所确定铺土层厚，定专人指挥卸料，从而掌握卸土间距与布土的稀密，以提高摊铺速度及平整度。路基填筑先从低洼地段开始，后填一般地区，从下向上分层平行25摊铺，每层松铺厚度一般为25cm。为控制摊铺厚度和减少摊铺工作量，应尽量准确控制布土密度。具体做法为：根据自卸车装土体积，计算出每车应摊铺面积，然后划成方格，每格倒一车。全断面全幅布土，同层同次碾压，保证其高层、层厚达到设计要求。5.6.6初平采用推土机初平，严格控制松铺厚度，初平应达到一定的平整度，推土机推平后再上平地机，对包边宽度不够的应人工予以修整。5.6.7路拌n仅对包边部分进行布灰。摊铺水泥时，根据改性土压实厚度、干容重和水泥剂量，计算每一平方米水泥土需要的水泥用量。然后用石灰粉撤线画出固定面积的格子，称取固定数量的水泥摆放到格子内，并检查有无遗漏或多余，人工用刮板把水泥均匀摊开。水泥摊铺完毕后，表面应没有空白位臵，也没有水泥过分集中的位臵，并确保水泥改性土垂直坡面厚度不小于3.5m。用路拌机、旋耕机进行灰土拌和，拌和深度应达到下承层5cm，路拌1～2遍，在拌和过程中，若发现含水量较小，应进行洒水。达到拌合均匀为止，同时保证土块粒径在5cm以下。若填芯素土的土团粒径较大，用路拌机、旋耕机对素土部分拌和1遍，破碎土团，保证路拌后粒径<5cm的土团达到90%以上。5.6.8精平用平地机进行精平。平地机精平时，要求控制好平整度，并注意形成路拱。安排专人在平地机后跟进，消除集料“窝”和粗集料带，26测量、试验人员跟随平地机及时检测，控制其层厚、高程及其他指标。封顶层整形：用平地机整形时，由两侧向路中心进行刮平，再用压路机快速静碾1～2遍，对局部低洼处用混合料进行找补整平，再用平地机整形一次，每次整形均要按照规定的坡度和路拱进行。5.6.9碾压前检测碾压前进行水泥剂量的检测，将现场拌合好的水泥土取样，通过EDTA二钠标准液滴定，来确定水泥剂量是否符合设计规范要求，其次测改性土的含水量，控制在最佳含水量的-2%～+3%范围内，必要时需晾晒或洒水。5.6.10碾压采用振动压路机进行碾压，碾压遍数依据检测结果确定。碾压时先快速静碾两遍，然后振动碾压至规定的压实度。碾压时每碾压一遍，及时检测含水率、压实度、压实厚度等技术指标，以指导施工。n碾压时从两侧路基边缘向路中推进，压路机碾压轮重叠二分之一轮宽，且后轮必须超过两段接缝处。包边土与填心土同层同次碾压，重型振动压路机碾压约4～8遍，实际碾压遍数依现场试验检测结果确定。5.6.11检测外观要求表面平整，无明显的轮迹，无松软起皮、起皱现象；按规定对每层进行压实度、含水率、弯沉等的测试，每层检测点数应不小于8点/2000㎡。但应注意分别对包芯土、包边土进行检测，按规范对其平整度、压实度、弯沉等技术指标进行测试，会同旁站监理检27测并填报相关表格，报监理工程师审核后即可进入上一层的填筑。5.6.12对于路基底部封底和封顶分别按25cm厚做水泥改性土，施工方法同上。6.材料与设备6.1材料6.1.1本工法使用弱膨胀土填筑路基，土料填筑前应控制含水率和土的块径，要求用于路基填筑的弱膨胀土含水率与最佳含水率的偏差应在1%～2%内，最大粒径小于5cm。6.1.2考虑到现场实施时混合料的均匀性较差，施工中掺加水泥应适当增加，也可通过试验确定掺加量。6.1.3改性后的膨胀土的强度满足规范要求。6.2机具设备本工法施工机械配臵参见表3最佳机械设备组合一览表表3287.质量控制n7.1工程质量控制标准膨胀土路基填筑施工应按《公路路基施工技术规范》（JTGF10—2006）及相关验收规程和设计文件的要求进行，7.1.1填筑路基用弱膨胀土含水率应接近其最佳含水率，偏差在1%～2%内，土料最大粒径不大于5cm。7.1.2改性土水泥掺量由试验确定，并保证水泥与土料混合均匀。7.1.3改性后的改性土强度必须满足规范规定的路基填料最小强度要求。7.1.4路基压实标准按《公路路基施工技术规范》（JTGF10—2006）中的压实度标准规定进行。7.2质量控制措施7.2.1包边采用水泥改性土的厚度要保证，两侧包边垂直厚度3.5米（修坡后厚度）。包边部分与填心部分同时铺设，用路拌机打碎，并轻压1～2遍，然后对两侧包边部分撒铺水泥并搅拌均匀。7.2.2包边回填段的包边应与内部填料铺筑碾压同步进行。7.2.3路基的施工应尽量避开雨季作业，加强现场排水，保证地基和已填筑的路基不被水浸泡。7.2.4在取土场设臵完整有效的排水系统，控制弱膨胀土的含水率，在上路基填筑前通过晾晒或洒水处理等方式将土料的含水率调整29到最佳含水率，同时尽量缩短每层土的施工时间。7.2.5施工中应做到快速摊铺、快速碾压，以便在最佳含水量附近压实到规定的压实度。n7.2.6施工过程中应尽量减少有影响的裂缝产生，避免裂缝形成后遇雨，合理安排施工，尽量减少碾压后的搁臵时间；降雨后应及时进行复压；确保碾压的均匀；由两边向中部碾压以保证边部的压实度，且路基边部应超出路基设计50cm。7.2.7对于膨胀土，含水量越均匀，颗粒越细，结构越易于达到紧密状态，膨胀性最小，强度较大，工程性质相对较好，因此，土体应在充分搅拌后再碾压。7.2.8填土采用推土机、平地机分层摊铺，摊铺层厚度要均匀，每层松铺厚度不大于30cm，使用重型压路机进行碾压，对包边改性土和填芯交界部位应加强碾压，保证压实度达到设计要求。每压好一层都要及时进行检测，并由监理工程师签认合格后再进行下道工序的施工。用核子密度仪、环刀法及灌砂法按有关规定检查密实度，用液塑限测定仪测定土壤液塑限值控制路基的施工质量。8.安全措施在路基填筑施工过程中应贯彻“安全第一，预防为主”的方针，抓好施工中的安全工作，可采取的具体措施如下：8.1建立健全安全生产组织，强化安全检查机构，项目经理为安全生产第一责任人，设专职安全员加强现场施工安全控制，各施工作30业队配专职安全监督员，坚持经常性的施工安全检查和监督指导。8.2建立健全安全生产规章制度，把安全生产作为一项重要管理工作来抓。制定各种措施，使安全生产深入人心，把安全生产贯穿到整个施工全过程。n8.3路基施工前，必须认真了解施工范围内地下埋设的各种管线、电缆、光缆等情况并与相关部门联系，制定合理的安全防护措施。施工中如发现危险品及其他可疑物品时，应立即停止施工，报请有关部门处理。8.4施工便道、便桥应设立警示和交通标志，必要时应设专人维护、指挥交通。施工车辆必须遵守道路交通法。夜间施工时，现场应设有保证施工安全要求的照明设施。8.5人工铺撒水泥时，严禁在机械正在作业的范围内进行辅助作业。8.6多台机械同时作业时，各机械之间应注意保持必要的安全距离。机械在路基边坡、边沟、基坑边缘上作业时，应采取必要的安全措施，并配有地上指挥人员观察指挥，确保安全。9.环保措施在路基填筑施工过程中需采取有效措施控制对水质、土壤、大气等的污染，把对当地的自然环境、邻近单位的生产机居民生活的影响减少到最低程度。9.1成立以项目经理为第一责任人的施工现场环境保护小组，制31定“环境保护实施计划”。9.2必须认真规划土场，做到最大限度的利用、最小限度的开挖和使用完后平整恢复。9.3要防止水土流失，在施工期内修建临时排水渠道，保持工地良好的排水状态，以避免淤积、冲刷。9.4废料废方妥善处理，严格按规定或监理工程师的批示弃臵，力求减少占土地、不影响排灌和农田水利设施。n9.5水质保护9.5.1料场和路基的排水必须集中沉淀或处理，使排水达标后，方可排出施工场地。施工废水废料、生活污水必须经处理合格后排出，不得直接排入农田、饮用水源、灌溉渠道，避免污染附近河流、池塘等。9.5.2在施工期间和完工后，妥善处理施工区域土料场、砂石料场，以减少河道、排水沟渠的侵蚀，防止沉渣进入排水渠道及河流。9.5.3含有沉积物的废水，应采取过滤、沉淀池处理或其他措施，使沉淀物不超过施工前河流、湖泊的随水排入沉淀量。9.6控制扬尘9.6.1施工作业产生大量灰尘，故应进行洒水使灰尘公害减至最小程度；载重车辆途经城市交通干线时，应保持轮胎干净、不粘带泥土，不沿途遗洒。9.6.2易引起粉尘的细料或散料应予以遮盖或适当洒水，运输时用帆布等遮盖。329.6.3松铺水泥时应尽量避免在有风时施工，倾倒时高度尽量低，施工人员应佩戴防尘口罩等劳动保护用品。9.7减少噪声、废弃污染9.7.1施工设施如堆料场、加工厂尽量远离居民点以减少干扰。9.7.2机械设备生产操作时，采取有效的降噪、防护措施；在居民区夜间施工时，严格遵守当地有关部门对夜间施工的规定。10.资源节约n采用水泥改性土包边膨胀土施工技术，可最大限度地将取土场中的中膨胀土用于路基填筑，提高了膨胀土的利用率，可减少外借土方需求量，有效节约土地资源。11.效益分析11.1经济效益分析改性包边膨胀土路基填筑施工技术，一方面可以最大限度的利用原土场里的填筑土料，减少外借土方及土场征用面积，能节省投资、保证进度；另一方面，做改性掺料的水泥来源丰富，成本较低，经济效益明显。临枣高速第五合同段项目所在地区广布弱、中性膨胀土，附近没有符合规范的标准的普通土，符合标准的普通土距施工现场约30KM以外，且便道状况极差，需花费大量的资金去维修便道，且远距离无法保证进度要求，成本高；采用水泥对弱膨胀土进行改性处理，用处33理后的膨胀土包边、弱膨胀土填芯的方法，其工艺虽稍有复杂，但运距短，效益好。以K64+207～K65+060段路基施工为例进行分析，该段路基借土方量为15万m3，若采用远距离取土常规方法施工，按照每公里每方土超运距成本费用1.3元计算，需增加的超运距费用为：30*1.3*15=585万元；若采用传统的石灰改良膨胀土来施工，按石灰灰剂量为4%，需用石灰量10800吨，按当地市场石灰价格350元/吨，需要成本：10800*350/10000=378万元。而采用水泥改性土包边处理，按水泥剂量为5%，仅需要水泥量4360吨，按当地市场水泥价格330元/吨，仅需要成本：4360*330/10000=143.88万元，相对于前两种方案能分别节省成本441.12万元和234.12万元。n11.2社会效益分析改性包边膨胀土路基填筑施工技术在山东临枣高速公路的应用实践，在对膨胀土的工程利用上有所突破，为我国膨胀土分布区的道路施工积累了经验，具有长远的社会效益。11.3环保效益分析采用该施工技术以及得当的环保措施，对施工区生态环境取得了保护效果。12.工程应用实例1、山东临枣高速公路第五合同段科学试验施工段（K64+207～K64+613）临枣高速公路沿线膨胀土分布广泛，且相当一部分为高液限、高34塑性、低强度的膨胀土，不能直接成为路堤填筑材料，对路堤边坡稳定性的影响较大。为克服膨胀土的这些弱点，解决膨胀土在路堤施工中的工程质量问题，全线开工之前，在山东省交通科研所的指导下，进行科学试验段的科学试验施工，以便科研单位取得生产性实施成果后，指导全线膨胀土路堤施工的进行。临枣高速公路科学试验合同段位于临枣高速第五合同段K64+207～K64+613段，该段路基填筑高度为5.9～6.1m，路基边坡为1:1.5。该路堤段处于地貌较平坦的农田上，路基填筑所用取土场为南刘村取土场，土样通过取样、分析后鉴定为高液限粘土及膨胀土，不能直接用于路基填筑。工程所在地区全年无霜期长，降水充沛，年平均降水量950mm左右，10月到次年4月降雨量最少，通常不超过50mm/月，是膨胀土地区施工最佳时节。科学试验合同段工程于2010年10月动工，共完成填方7.14n万m3，掺加水泥2075吨，完成了预定的各项试验参数、技术指标的试验、检测工作，达到了试验路段的工程施工目的。2、山东临枣高速公路第五合同段山东省临沂至枣庄高速公路第五合同段位于枣庄峄城区境内，起止桩号为K60+550～K77+250，长16.7公里。本路段工程主线设计速度120公里/小时的双向四车道高速公路，全封闭、全立交；路基宽度28米；设计洪水频率1/100；设计荷载等级公路—I级；地震基本烈度7度。本区段地处山东省南部，路线经过地段地面高程一般为40～75m，区内丘陵顶部及丘间洼地相对较为平坦，多辟为耕地，以35农田及蔬菜地为主。路线所经区域均属淮河水系，河流均为运河水系。水资源较为丰富，雨量充沛，地表径流多，区域降水受地形和季节影响明显，年际变化显著。路线所经区域的水质对工程结构物无腐蚀等不良影响。路线所经地区属暖温带大陆半湿润性季风气候，四季分明，年平均气温13.1～13.7°C，极端最高气温40℃，极端最低气温-23.4℃；年平均降水量950mm；全年无霜期为189～212天之间，土壤最大冻结深度40厘米。K64+613?K65+060段路基平均填筑高度为6.0m，路基边坡为1:1.5，路基填筑于2010年12月动工，2011年5月完成，共完成填方7.86万m3，掺加水泥2285吨。目前该段路基已投入使用运行正常。36