時速200km鐵路粉黏土及細砂改良工法-1

1、時速200km鐵路粉黏土及細砂填料改良施工工法一、前言我國第一條高速鐵路秦沈客運專線東段（凌海-沈陽）A13A22標取土土源絕大多數(shù)為粉黏土和細砂，由于這種粉黏土粘粒較少，細砂又粒徑單一、顆粒均勻、級配不良，因而填筑時均達不到秦沈客運專線鐵路路基施工技術細則中對細粒土（粉黏土）和粗粒土（細砂）的填筑技術指標檢測要求，此問題引起了鐵道部工管中心，秦沈工程指揮部和鐵三院的高度重視，決定由鐵一局和鐵三院共同成立“秦沈東段填料試驗組”會同現(xiàn)場監(jiān)理對該類粉黏土和細砂進行了長達4個月的室內(nèi)和現(xiàn)場的模擬填筑試驗。經(jīng)過鐵道部有關專家對試驗結果多次召開專題會議，認真分析和論證，最后確定該類粉黏土摻中粗砂進行改良

2、（路基本體摻20%基床底層摻25%,細砂摻卵石進行改良（50%50%,并在東段付諸實施，解決了秦沈線東部填料填筑的一大難題，得到了鐵道部工程管理中心，秦沈總指的高度評價。該成果被中鐵一局集團公司評為2001年度科技進步一等獎。并被鐵道部寫入“秦沈線施工技術總結”和京滬線路基施工有關規(guī)則。二、工法特點1、根據(jù)填料的性質(zhì)通過室內(nèi)外試驗，確定改良方案及現(xiàn)場施工壓實方案，施工過程要求采用集中大功率重型機械，各工序緊密銜接快速施工，快速成形。2、質(zhì)量控制嚴格，要求每層檢測，采用較先進的快速檢測儀器：核子密度濕度儀，“K30檢測車準確測定改良土填筑時的含水率、壓實后的壓實密度、K30值并即時計算顆粒間孔隙

3、率n'值，確保填筑時質(zhì)量。3、比遠運山皮石，級配易控制，且易碾壓成形，進度快。比其它類化學改良（摻粉煤灰、白灰、水泥、固化劑等）工藝簡單，造價低，無污染。4、改良細砂基本不需晾曬，小雨天仍可施工；粉黏土摻中粗砂改良后水分易揮發(fā)，雨后稍加晾曬即可施工。5、改良后的粉黏土及細砂填筑施工質(zhì)量好，不但可滿足路基本體，尚可滿足基床底層的填筑技術指標要求。三、適用范圍該施工工法適用于那種由于顆粒粒徑均勻單一，級配不良的細砂或粘性顆粒（<0.005mn）過少，級配單一的粉黏土，二者經(jīng)物理改良（摻中粗砂或卵石）后的填筑施工。改良后的粉黏土和細砂可用于鐵路路基本體和基床底層的填筑。四、工藝原理及關

4、鍵技術（一）工藝原理1、孔隙率較大的細砂，均勻地摻入適當比例的卵石后，在外力（擊實力或碾壓力）的作用下，卵石顆粒間的勢能不斷減小，顆粒不斷靠近，直至孔隙最小，而在此過程中，細砂也在力的作用下，同時不斷填充卵石顆粒間的不斷減小的空間，整體孔隙率大大減小。因而，比細砂顆粒大得多的卵石顆粒形成了骨架網(wǎng)絡，原來松散的細砂被不斷填充和“分割”在卵石顆粒間的孔隙內(nèi)，因而增大了摩阻，也增加了穩(wěn)定。2、填料中的細粒土（粉黏土等）的力學性質(zhì)主要與粘性顆粒（<0.005mm的粘結，大小顆粒的嵌鎖及顆粒間的摩擦力有關，加入適當比例的中粗砂后雖沒有增加粘性顆粒，但改善了顆粒級配，比粉黏土顆粒大的多的中粗砂顆粒同

5、時形成骨架，因而改善了該類粉黏土的力學性質(zhì)。（二）關鍵技術及施工原則1、確定需改良的粉黏土、細砂摻入中粗砂及卵石的最合理的比例。2、確定最簡便和準確的摻入方法及工藝。3、最適宜的填層厚度，最佳含水率、最適宜的機械組合和最經(jīng)濟合理的壓實遍數(shù)。4、由于這兩種改良土水分易散失，填筑時應略高于最佳含水率（+1%+2%。集中采用大型機械，分區(qū)段快速施工，分段成形，確保在最佳含水率時碾壓完畢。5、每層均需檢測合格后方才填筑上一層。五、工藝流程（一）粉黏土物理改良工藝流程如下:（二）細砂改良工藝流程1、同改良粉黏土施工一樣對底層進行檢查和準備，然后按設計配比（細砂：卵石=50%：50%用穩(wěn)定土拌和機或?qū)⒙咽?/p>

6、與細砂折算成體積比（卵石：細砂=5:6）用挖掘機將其反復拌和均勻，根據(jù)天氣和運距不同使混合料的含水量控制在比最佳含水率局2%fc右。2、根據(jù)每層細砂摻卵石混合料（即改良土）虛鋪3040cm厚度的需要量，直接將改良士送到路基上，考慮機械碾壓施工，兩側(cè)加寬量4060cm并按此標準分層填筑。3、上料時應順前進方向依次卸料，推土機配合，隨卸隨平。重車不得在前一層已驗收的路基上行走，以免破壞下層路面。4、經(jīng)推土機初平的改良土，表面要平整，并具有規(guī)定的路拱。5、用壓路機快速碾壓12遍，暴露潛在的不平整，然后用平地機整平。平地機由兩側(cè)向路中心刮平，必要時返回刮一遍。6、對于局部的坑洼處，人工配合用齒耙將表面

7、5cm以上耙松，并用新拌和的改良士找平整形。7、初步整形后，測量檢查改良土的松鋪厚度，必要時進行補料或減料。8、在用平地機整形過程中隨時用核子密度儀檢查填料的含水量。根據(jù)天氣和運距，含水量宜超過最佳含水量2%如果含水量不夠，應用灑水車均勻地噴灑補充水量，如含水量過高應用五錘犁翻耕晾曬至適宜的含水量，再進行下一道碾壓工序。9、用自重15t及以上重型振動壓路機輾壓，先兩側(cè)后中間，縱向搭接不小于40cm,先靜壓兩遍，中間振動兩遍，最后再靜壓兩遍，碾壓一直進行直到達到要求的密實度為止。（一般總計6遍即可）10、每三層用K30車檢測K30值，每層用核子密度儀檢測壓實后的干密度，計算顆粒間孔隙率n'

8、;值。合格報檢后方可進行下一層施工。六、操作要點（一）施工準備首先對管段的粉黏土和細砂進行室內(nèi)物理試驗及室外小區(qū)段（50100m）M筑壓實試驗，分析一些粉黏土和細砂達不到秦沈線檢測指標的原因。然后在室內(nèi)進行改良試驗，對一些改良士在室外同時進行小區(qū)段的（50100m填筑壓實試驗，以確定哪一種方案能達到施工要求，并經(jīng)濟適用，同時試驗的主要內(nèi)容有：最簡便和準確的摻配方法，最優(yōu)含水量控制，最適宜的壓實機械類型和最經(jīng)濟壓實遍數(shù)及工藝。1、粉黏土改良試驗（1）改良前室內(nèi)試驗及室外填筑試驗指標見表1和2。表1粉黏土改良前室內(nèi)試驗指標卜域、比重液限（塑性指數(shù)重型擊實無側(cè)限強度（Kpa）粘粒含量<0.00

9、5mm三軸試驗UUpdmax(g/cm)Wopt(%)C遼河2.6027.031.07.412.81.691.8011左右351386.913.1%40KPa33蒲河2.6433.034.015.016.91.801.8414左右325397渾河2.7028.031.915.016.51.882.0112左右8291267注：根據(jù)室內(nèi)試驗指標分析，渾河粉黏土不用改良可直接填筑。表2粉黏土改良前室外填筑試驗指標K30值(Mpa/m)壓實系數(shù)K遼河43.076.20.900.96蒲河74.476.80.920.97（2）改良試驗改良試驗方案分為以下二種：1）摻15啕煤灰、5%肖石灰；2）摻20%2

10、5刈、粗砂（大于0.1mm®粒小于50%0為細粒土）。經(jīng)試驗，兩種方案均可達到設計規(guī)定的要求，經(jīng)反復比較，第2）方案無污染,簡單易行，且造價低，所以選擇第2）方案。第2）方案改良后的主要試驗指標見表3表3粉黏土改良后主要試驗指標試驗地點室內(nèi)試驗室外填筑標土域、液限（%重型擊實塑性指數(shù)地基系數(shù)K30（Mpa/m壓實系數(shù)Kpdma(g/cm)Wopt(%)遼河26.030.01.81-1.86P10左右7.0-12.8901400.92-0.99蒲河27.731.21.87-2.0110.111.811.2-13.91001550.92-0.99室內(nèi)外試驗結果表明：摻20%25%、粗砂改

11、良粉黏土，采用適宜的工藝（工藝附后），其壓實系數(shù)K和地基系數(shù)G均可達到規(guī)定的要求。2、細砂土改良試驗（1）改良前室內(nèi)試驗及室外填筑試驗指標見表4及表5表4細砂土改良前室內(nèi)試驗指標比重最大干密度（g/cm3）最小干密度（g/cm3）不均勻系數(shù)曲率系數(shù)<0.005mm粘粒含量2.62-2.631.58-1.731.19-1.351.83.10.70.8<5.1%細砂的顆粒組成為：小于0.1mm顆粒占總質(zhì)量1.4%19.0%;大于0.1mm頰粒占總質(zhì)量81.0%98.6%（其中0.10.25mm占62.6%71.4%）;以上指標表明這類細砂為顆粒均勻級配不良的填料。表5細砂土改良前室外填

12、筑試驗指標相對密度干密度(g/cm3)地基系數(shù)K30（Mpa/倒顆粒間孔隙率n'（%）0.760.851.661.7241.470.033.037.2（2）改良試驗改良試驗方案分以下6種：1） 83%田砂摻15煙煤灰，2%K泥；2） 80%田砂摻15煙煤灰，5加灰3）砂摻圓礫（比例見下表2-2-1）;4） 80%田砂摻20煙黏土；5）細砂摻礫砂（各種比例）；6）細砂摻水泥（3%4%8%。經(jīng)反復試驗，其中1）、2）、3）三種方案室外填筑試驗地基系數(shù)G可達到設計規(guī)定的要求，但僅有第3）種方案摻50湖礫，顆粒間孔隙率n'和地基系數(shù)G均可滿足要求，（見表6和7）再經(jīng)反復優(yōu)化后采用并實施

13、。表6細砂土改良各種比例及對應室內(nèi)試驗指標序號摻配比例P濕P干Wopt(%)n'(%)P毛(g/cm3)1細砂：圓礫=4:62.1712.084.2817.12.512細砂：圓礫=5:52.1562.055.1118.32.513細砂：圓礫=6:42.0961.986.0821.62.53表750%細砂摻50湖礫改良后的主要試驗指標室內(nèi)試驗室外填筑毛體積最大干密不均勻系顆粒間孔隙地基系數(shù)K30顆粒間孔隙相對密度度(g/cm3)數(shù)CU率n'(%)(Mpa/m)率n'(%)2.512.055.718.3>130<20(18.3)注：卵石粒徑20mm60m摻配比例

14、為干質(zhì)量比3、其它指標及工藝的確定。（1）室內(nèi)試驗摻配比例均是稱量以干重量比來進行，實際填筑時由于量大，則無法使用此法，經(jīng)反復試驗，粉黏土摻配選用了先檢測平整初壓后的粉黏土干密度及厚度，再按比例計算應在上面攤鋪的中粗砂厚度的方法(見后“填筑”)，而細砂摻卵石則選用了用穩(wěn)定土拌和機摻配和換算成體積比用挖掘機按體積比(體積比細砂：卵石=1.2:1即6斗細砂摻5斗卵石)反復拌和均勻的方法。相對其它方法，這兩種摻配方法簡單易行，摻配準確。(2)室外試驗發(fā)現(xiàn)，如按最佳含水率摻配的改良土，由于失水快，等到攤鋪完畢開始碾壓時，往往已低于最佳含水率，因此碾壓效果不佳。根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)摻配時這二種改良土均應高于最佳

15、含水率+1%+2.0%,攤鋪完畢，應立即碾壓。到最佳含水率時碾壓完畢效果最佳。(3)因為粉黏土改良需用路拌機將中粗砂均勻地拌和摻配到粉黏土中去，因此粉黏土和細砂虛鋪厚度應根據(jù)路拌機的拌和深度確定，根據(jù)中鐵一局使用的WCB-30路拌機功能，確定粉黏土虛鋪厚度030cm,根據(jù)壓路機壓實功能改良后的細砂摻卵石虛鋪厚度040cm(4)因于這兩種改良土均失水快，需采用快速連續(xù)施工工藝，因此壓路機均采用自重15T以上、激振力大于260KN的大型振動壓路機。經(jīng)各種碾壓組合的室外試驗發(fā)現(xiàn)：由于這兩種改良土均缺少粘性顆粒，過多的振動碾壓造成表層許多顆粒隨壓路機振頻一起跳動，因而造成表層產(chǎn)生橫向裂紋，推擁，反而不

16、密實、不平整，浪費了機械功率。經(jīng)反復試驗，確定了合理的碾壓工藝如下：先靜壓兩遍，使過于松散的改良士開始密實，然后中間振動二遍，將中下層振動密實，最后靜壓二遍，將表面碾壓平整，然后檢測。個別達不到的，冉靜壓直至合格。(一般粉黏土改良總計碾壓5遍，細砂改良總計碾壓6遍即可)(二)填筑施工1、底層準備區(qū)段(1)施工前應對底層進行檢查，底層應進行清理碾壓，沒有任何松散材料和軟弱地點，其平整度和壓實度應符合規(guī)定。(2)進行施工測量放樣，恢復中線和水平控制樁，按要求測放邊樁。2、粉黏土的攤鋪及初壓區(qū)段(1)根據(jù)路基本體填筑的寬度及事先確定的虛鋪厚度，計算各段所需粉黏土的數(shù)量(粉黏土虛鋪厚度030cm)根據(jù)

17、每層所需虛鋪厚度計算每車粉黏土堆放位置及堆放密度。(2)根據(jù)以上計算，把粉黏土間隔均勻地堆置在已經(jīng)過檢驗的底層上，用推土機把每堆粉黏土攤鋪均勻后，再用平地機初平一次，用重型壓路機快速碾壓一遍，檢查此時粉黏土填筑層的厚度h粉，用核子密度儀快速測得此時粉黏土的含水量W粉及干密度pd粉。3、中粗砂的運輸及攤鋪區(qū)段(1)中粗砂進入工地后，應用核子密度儀快速測量其含水量W砂及干密度pd砂，根據(jù)粉黏土虛鋪厚度h粉及干密度pd粉，即可計算中粗砂的播散厚度h：h粉xpd粉h砂=X20%陛床底層25%)pd砂根據(jù)中粗砂所需播撒厚度確定每車砂的堆放位置及堆放密度。(2)按計算的用量和間距把中粗砂堆置在已經(jīng)初平、初

18、壓的粉黏土表層上，用推土機把砂攤鋪均勻，再用平地機對砂進行精確攤鋪，并檢查砂層厚是否符合計算值，如厚度不夠應及時補足。4、混合料的拌合區(qū)段(1)采用路拌機把已分鋪好的填料拌合一遍，并用核子密度儀快速測定初拌后混合料的含水量。(2)混合料含水量的控制：初拌后混合料的含水量如小于實驗室確定的最優(yōu)含水率時，應用噴管式灑水車將水均勻地噴灑在干拌后的混合料上，拌和機械應緊隨其后進行拌和，用核子密度濕度儀及時檢查拌和料含水量，根據(jù)天氣情況，含水率宜略大于最佳含水率+1%+2%灑水車不應在正在進行拌和的以及當天計劃拌和的路段上調(diào)頭和停留，以防止局部水量過大。如含水量過高則用五錘犁翻耕晾曬至合適的含水量，則進

19、行下一道工序施工。(3)將含水量合適的混合料，再用拌合機拌合一到兩遍，應使混合料充分拌和均勻。應設專人跟隨拌和機械，隨時檢查拌和深度，根據(jù)實際情況調(diào)整拌和深度，嚴禁在拌和層底部留有素土夾層。拌和應破壞下承層的表面(約1cm左右，不宜過多），加強上下層粘結。5、整形及碾壓區(qū)段（1）平地機整形：1）混合料拌和均勻后，先用平地機初步整平和整形。平地機由兩側(cè)向路中心進行刮平。必要時再返回刮一遍。2）用壓路機快速碾壓12遍，以暴露潛在的不平整。3）再用平地機如所述那樣進行整形，并用所述機械再碾壓一遍。整形進程中，及時消除坑洼現(xiàn)象。對于局部坑洼處，應用齒耙將其表面5cm以上耙松，并用新拌的混合料進行找平整

20、形。4）最后再用平地機整形一次。每次整形都要按照規(guī)定的坡度和路拱進行，并特別要注意接縫處的整平，以保證接縫平順。5）整形過程中，必須禁止任何車輛通行。（2）壓路機碾壓：1）整型后，當混合料接近最佳含水量，即可用15t及以上重型振動壓路機碾壓。由兩側(cè)路肩向路中心碾壓，后輪應重疊不小于40cmi前二遍與最后二遍靜壓，中間為振動碾壓，碾壓遍數(shù)不少于5遍，直至表面無明顯的輪跡，檢測合格。壓路機碾壓速度頭兩遍宜采用1.51.7km/h,以后用3.0km/h左右。路面的兩側(cè)應多壓23遍c2）嚴禁壓路機在已完成的或正在碾壓的路段上“調(diào)頭”和急剎車，以保證改良土層表面不受破壞。3）碾壓過程中，上層表面應始終保

21、持濕潤，如表面水蒸發(fā)得過快，應及時補灑少量的水。碾壓過程中，如有“彈簧”、松散、起皮等現(xiàn)象，應及時翻開重新拌和，或用其它方法處理，使其達到質(zhì)量要求。4）在碾壓結束之前，用平地機再終平一次，使其縱、橫向平順，縱向、橫向坡度均符合設計要求。6、檢驗驗收區(qū)段每三層用k30車檢測k30值，每層用核子密度儀或灌砂法檢測壓實度k值。自檢合格及內(nèi)業(yè)資料齊備即可按有關程序向監(jiān)理工程師報驗，如檢驗合格即可進行下一層改良土的填筑施工，如不合格按細則要求進行重新平整碾壓直至合格為止七、機具設備（見表8）按每天完成一個施工段落（一般為400m左右）所需的施工機械為：表8一個施工段落用主要機械設備序號名稱型號規(guī)格數(shù)量備

22、注1挖掘機EX300-32改良粉黏土需1臺2推土機120A-123平地機160B2改良粉黏土需1臺4五錦犁農(nóng)用1備用5壓路機SD1502或激振力260kN6灑水車5000L8000L27自卸汽車1220t3060根據(jù)距離定8路拌機WCB-301僅改良粉黏土用八、勞動組織（見表9）表9改良細砂或者粉黏土，每班施工勞動組織序號工種人數(shù)主要，作內(nèi)容備注1指揮員1組織指揮、調(diào)度2機械司機8挖掘、推土、平地、壓路3灑水、五鋅犁司機2灑水或翻耕晾曬五鋅犁備用4自卸汽車司機3050改良細砂運拌和好的填料改良粉黏土運粉黏土和砂視距離定5路拌機司機1拌和粉黏土、中粗砂、僅改良粉黏土用6普工2個別缺陷，輔助平整、

23、整修7測試員4測量放樣，質(zhì)量檢驗九、安全措施除認真執(zhí)行路基施工有關安全規(guī)則，尚應：1、機械司機和參與施工人員均須進行施工工藝培訓，合格后方才允許上崗。2、按工藝規(guī)定的區(qū)段進行施工，劃分各類機械作業(yè)區(qū)段和機械、汽車行駛路線，設立明確警示牌，防止相互干擾及發(fā)生事故。3、施工便道應保持暢通，經(jīng)常灑水，防止粉塵污染環(huán)境。10十、質(zhì)量標準及控制時速200km鐵路，質(zhì)量要求非常高，路基填筑質(zhì)量關系到工程的成敗，因此對改良土施工中鐵一局制定了全面和嚴格的質(zhì)量控制體系。圍繞秦沈客運專線鐵路路基施工細則制定了質(zhì)量控制目標，施工中的每道工序都圍繞質(zhì)量目標進行控制和小結，見表10和表11。表10質(zhì)量控制項目，頻率及

24、質(zhì)量標準序號項目質(zhì)量標準頻率檢驗方法1含水率改良細砂最佳含水率+2%改良粉黏土最佳含水率+1%+2%每100m每層5點核子儀法2填筑厚度改良粉黏土w30cm改良細砂w40cm每50mf層,控制斷面控制樁，挖坑3摻砂量按規(guī)定比例±0.5%每50m每層測4點鋼尺測鋪砂厚度4摻卵石量按規(guī)定比例±0.5%隨時抽查一篩分測卵石比例5拌和質(zhì)里均勻全面隨時觀察篩分和刨坑檢查表11填筑路堤質(zhì)量及檢測要求項目規(guī)定值或允許偏差檢測頻率檢測儀器及方法頂囿局程±50mm每100m檢測5點水準儀中線及路肩邊緣50mm每100m檢查5點尺量_寬度設計值每100m檢查3點尺量橫坡±0.5%每100m檢查2個斷面坡度尺量平整度<15mm每100m檢查10點2.5m長直尺測壓實度路基本體K>0.90每100m每層5點核子儀法改良粉黏土基床底層Km0.90每200m約0.9m1點灌砂法地基系數(shù)改良粉黏土本體90基床底層a110每100m每層2點K30測試儀改良細砂本體110基床底層a120一、效益分析1、附近均無合格土源，而山皮石需從80公里之外遠運，且量少，不能滿足需要，山皮石難以控制，運來后碾壓困難，較難達到秦沈線對粗粒土孔隙率要求。而改良粉黏土和細砂可就近取材，易碾壓成形，施工進度快，質(zhì)量好，能保證工期、質(zhì)量和路基填筑所需方量要求。11