CN101503871B - 风积沙路基的干法施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风积沙路基的干法施工方法。该方法根据风积沙的理化性质及力学特点，通过选取适当的振动频率和振幅，合理的振动时间，在恰当压力下，用振动压实机械对铺设在路基上的自然状态的风积沙实施振动碾压，使振动压实后的路基强度达到设计要求；该方法还采用一层风积沙、一层碎石土的方法，以及最后用粘土或砂砾对路基进行全封闭的方法，来避免风蚀并保证路基的整体稳定性。与现有技术相比，本发明在严重缺水的沙漠地区，减少使用珍贵的水资源进行施工，不但降低了工程的造价，对当地环境的影响也降到了最低程度，是一种既具有经济效益，更具有社会效益的理想施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及铁路路基、公路路基的施工方法，尤其涉及在沙漠地区用风积沙作为主要填料填筑路基的施工方法。
背景技术
为了满足经济建设的需求，高速铁路及高等级公路得到了大力发展，在沙漠地区修筑铁路及公路也就成为现实的需要。当填筑路基的填料为普通的粘性土时，一般采用标准击实和最优含水量作为施工中控制的压实参数，通过检测达到标准要求即可。
而在沙漠地区修筑路基，如果要采用普通的粘性土，就需从远处运输，不但取土困难，而且会大大提高工程造价和延长施工工期。本着就地取材，降低工程造价的原则，填筑路基的主要填料当然最好能采用可就地取材的风积沙。
由于风积沙在天然条件下呈松散状态，粘聚力基本为0，抗剪性能差及剪涨现象，因此，用风积沙作为填筑路基的主要填料时存在着两个困难：
一是不易压实。风积沙的压实一般采用振动压实的方法，在压力不足或者激振力不够，则压实效果不佳，无法达到设计要求；而由于风积沙还存在着剪涨现象，在振动压实时，过大的激振力或者过长的激振力作用时间，不但密实度不会增加，使风积沙更加松散，如果是颗粒粒径分布不匀的风积沙，还会出现大颗粒处于下层、小颗粒处于上层的分层现象，这是路基施工中不允许发生的；另外，对风积沙路基进行碾压时，压力过大或者遍数过多时，都会使风积沙又恢复到松散状态。
二是稳定性差。即便风积沙路基经振动压实后满足了设计要求，其表层仍然对外力作用有很高的反映和灵敏度，即便施工机械在路基表面行走，也会使其重回松散状态，且路基易受到沙漠风暴的侵蚀，路基的稳定性差。
国内外对风积沙早有研究，但国外的研究主要集中在类似于风积沙的细砂的工程特性方面，应用于路基及路面底基层。国内沙漠地区修筑的铁路及高等级公路，普遍应用风积沙修建路基，并对沙漠风积沙的工程特性开展了一定的研究，但主要研究的是湿法施工技术，对风积沙的干法施工技术、压实工艺、施工方法、质量检测和控制等，现在尚无标准和规范。
目前采用的湿法施工方法，主要是在施工过程中洒水，使得风积沙含水量达到最优含水量，增加风积沙的粘聚力，便于振动压实及保持其稳定性。
风积沙路基采用湿法施工方法的缺点在于：在严重缺水的地方，使用了珍贵的资源——水。这不但增加了工程的造价，还给当地的环境造成一定的压力。因此，在严重缺水的沙漠地区，不适宜采用湿法施工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供风积沙路基的干法施工方法。该方法通过选取适当的振动频率和振幅，合理的振动时间，在恰当压力下，用振动压实机械对铺设在路基上的自然状态的风积沙实施振动碾压，使振动压实后的路基强度达到设计要求；该方法还采用一层风积沙、一层碎石土的方法，以及最后用粘土或砂砾对路基进行全封闭的方法，来避免施工扰动和风蚀并保证路基的整体稳定性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
风积沙路基的干法施工方法的工作原理：
振动碾压风积沙，会在风积沙内产生振动冲击，使其颗粒由初始的静止状态过渡到运动状态，颗粒之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态进入动摩擦状态。风积沙在有一定含水量的情况下，如果含水量接近最优含水量，材料中的水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，假粘聚力消失，为颗粒的运动提供了十分有利的条件，容易使其振密。当含水量较低，颗粒周围的水分子数量不足以在其颗粒外层包裹一层水膜，由于毛细作用产生的吸力，颗粒间假粘聚力发挥作用，妨碍颗粒间的相互错动填塞孔隙，要将其压实需要克服该假粘聚力，则不易压实。当风积沙在完全干燥状态下，颗粒间不存在假性粘聚力，其颗粒在振动荷载作用下容易产生位移，而重新排列。由此可见，用风积沙作为路基填料时，自然风干状态和达到最优含水量时都可以得到较大的密实度。
由前所述，采用振动碾实的方法是压实风积沙的最佳途径。风积沙压实后的密实度与风积沙的含水量、振动压实所采用的振动频率、振幅、振动时间、压力强度等因素有关。如由长安大学陈忠达等2007年1月发表的《风积沙振动参数及振动压实机理》长安大学学报(自然科学版)第27卷第一期就说明了风积沙的压实机理。研究表明，风积沙在风干状态下或者达到最优含水量时压实后的干密度最大，振动频率为45～50Hz、振幅根据压路机的振幅变化范围适当选择，一般选用强振较佳、振动时间为3分钟左右时压实效果较佳，由于风积沙压实存在剪涨现象，在过大的激振力作用下作较长时间的振动压实时，风积沙反而变得更加松散，会出现密实度下降的情况，风积沙路基碾压遍数过多，风积沙也会变得松散。因此，在施工过程中不加水，而是直接利用自然风干状态下的风积沙是有科学和实验依据的。
另外，风积沙即便经振动压实后达到了密实度的要求，但是，随着地基高度的不断增加，其稳定性会逐步减弱，如果经压实的风积沙直接暴露在空气中，则沙漠风暴的侵蚀，机械奔驰的振动都会对其密实度的稳定性产生严重影响。实验证明，填筑路基时，只要采用一层风积沙，一层碎石土，并当路堤填至设计标高后，顶面用粘土或砂砾，边坡用粘土或碎石土，路肩用大卵石或片石进行全封闭包裹，便可保证风积沙路基的整体稳定性。
风积沙路基的干法施工方法，该方法按下列步骤顺序进行：
A、测量放线：标出需要施工的区域(为了保证路基的压实度及路基边坡的压实度，每侧超出路基设计宽度的50cm～80cm)；
B、清表平整：清除原路面表层的浮置土、植物和其它杂物，平整地表；
C、铺底层：在清理整平的地表上铺筑20cm～40cm的砂砾土层或碎石土层，整平后碾压作为施工地表(若清表后地面为砂砾土，则此步骤省略)；
D、画网格：根据自卸车的运输量和风积沙的松铺厚度计算出每车的摊铺面积，用标尺拉线、划出摊铺面积的网络白格，使得卸料均匀，以准确控制风积沙的松铺厚度；
E、卸填料：用自卸车将风积沙从最远端按网格倒退着卸料，保证自卸车始终行走在碎石土层或砂砾土层上；
F、摊铺初平：每卸完一车风积沙即用推土机摊铺整平，再卸下一车，直到一个段落(一般长度为50m～100m)中的施工区域内风积沙松铺厚度达到40cm～60cm；
G、推土机碾压：用推土机在风积沙上以不高于10km/h的速度来回压碾2遍，每一遍碾压时均由两边向中间进行，弯道处由内侧向外侧进行，碾压时履带应有1/2的重叠，直至压遍松铺的风积沙；
H、压路机碾压。振动压路机先以不高于10km/h的速度碾压1遍，再以不高于5km/h的速度按1/3轮宽重叠强振碾压3～5遍，每一遍均为：直道处先压两边，后压中间，弯道处则先压内侧，后压外侧，直到压遍铺设的风积沙；
I、用压路机或推土机静压1～2遍；
J、检测：采用灌沙或者灌水法检测压实后的压实系数K，平板载荷仪试验测定地基系数K30，干容重按规范要求频率进行检测，
如果压实系数K和地基系数K30指标有一个或两个都不合格，则重复H～I，直至压实系数K和地基系数K30均合格；
如果压实系数K和地基系数K30指标都合格，进行步骤K～L；
K、画网格：根据自卸车的运输量和碎石土的松铺厚度计算出每车的摊铺面积，用标尺拉线、划出摊铺面积的网络白格，使得卸料均匀，以准确控制碎石土的松铺厚度；
L、用自卸车从最近端将碎石土卸到风积沙层上，保证自卸车始终行走在碎石土层上；
M、对碎石土进行推平摊铺碾压，直至达到设计标准要求；
N、重复步骤D～M，至距路堤设计标高0.6m，进行步骤L；
O、风积砂路基表层0.6m范围全部填筑碎石土或A、B组填料，步骤重复K～M，直至填至设计标高；
P、刷坡：按设计的边坡坡度及位置，至上而下进行刷坡；
Q、封闭：为避免雨水冲刷和风蚀，路基边坡采用厚度不小于20cm粘性土或者碎石土包坡，路肩用最小尺寸应大于10cm的卵石栽砌或干砌片石防护，防护宽度80cm，厚度不小于20cm；
R、完成风积沙路基的施工。
本发明的优点是：根据风积沙的理化性质及力学特点，通过选取适当的振动频率和振幅，合理的振动时间，在恰当压力下，用振动压实机械对铺设在路基上的自然状态的风积沙实施振动碾压，使振动压实后的路基强度达到设计要求；该方法还采用一层风积沙、一层碎石土的方法，以及最后用粘土或砂砾对路基进行全封闭的方法，来避免风蚀并保证路基的整体稳定性。与现有的风积沙路基采用湿法施工方法相比，本发明在严重缺水的沙漠地区，减少使用珍贵的水资源进行施工，不但降低了工程的造价，对当地环境的影响也降到了最低程度，是一种既具有经济效益，更具有社会效益的理想施工方法。
具体实施方式
下面通过具体的实施例，对本发明作进一步的说明：
本实施例通过分析风积沙的基本物理化学性质、基本力学性质，对风积沙的压实参数、压实机理进行研究，并以风积沙作为填筑路基的主要填料进行试验，结果表明：风积沙路基的干法施工方法切实可行。
本试验的风积沙具有如下特性：
1)风积沙的基本物理化学性质
试验结果表明：风积沙结构松散、级配不良、孔隙率大、透水性强、保水性较差、水稳性好、粘聚力小甚至无粘聚力、抗剪强度低。其矿物成分以石英、长石、云母为主，易溶盐含量很小，其化学性质呈微碱性，无腐蚀性。自然状态下的含水量很低，最低不足1％，最大不超过5％，干容重一般为1.4g/cm3，湿容重大约为1.56g/cm3左右，压实后的最大干密度可达1.76g/cm3～2.1g/cm3，为天然状态下的1.2～1.4倍。
风积沙的颗粒组成很细且十分均匀，其不均匀系数Cu在2.6～3.1左右、曲率系数Cc在0.9～1.6左右，粒径在0.25～0.074mm含量占到风积沙总量的85％～95％，即颗粒粒径的分布比较集中，级配曲线较陡，属于颗粒级配不良沙。试验的风积沙也含有一定的塑性成分。
2)风积沙的基本力学性质
压缩变形小，压缩量与荷载呈指数关系，回弹模量70～90MPa，在荷载反复作用下其值可大于100MPa，常规的重型击实无法测出其最大干密度，粘聚力c值很小，在干燥状态下几乎为零，在有一定含水量的情况下，由于毛细作用产生的吸力，表现出一定的假粘聚力。
3)风积沙压实参数的确定
试验表明：对风积沙采用振动台法要比标准击实法得到的干容重高0.05g/cm3～0.15g/cm3。
4)风积沙压实的特性
通过风积沙的试验和现场路基压实度检测，风积沙填筑路基的压实具有几个特点。
a)标准击实试验具有两个最大值。风积沙的击实曲线可以在含水量最小时和含水量达到最优含水量时，干密度均相对较大。
b)风积沙压实存在剪涨现象，在过大的激振力作用下作较长时间的振动压实时，有时反会变得更加松散，风积沙路基碾压遍数过多，则会又恢复到松散状态，施工时压实开始和结束时均应采用低吨位压实机械静压，中间宜采用较小激振力压实机械短时间作业。
c)风积沙经过压实后，其表层仍然对外力作用有很高的反映或灵敏度，施工机械直接在风积沙路基表面行走可以使其松散，因此，宜在成型的风积沙路基表层铺设碎石土或A、B组填料。
以风积沙作为填筑路基的主要填料进行试验的施工步骤具体如下：
A、测量放线：标出需要施工的区域(为了保证路基的压实度及路基边坡的压实度，每侧超出路基设计宽度的50cm～80cm)；
B、清表平整：清除原路面表层的浮置土、植物和其它杂物，平整地表；
C、铺底层：在清理整平的地表上铺筑20cm～40cm的砂砾土层或碎石土层，整平后碾压作为施工地表(若清表后地面为砂砾土，则此步骤省略)；
D、画网格：根据自卸车的运输量和风积沙的松铺厚度计算出每车的摊铺面积，用标尺拉线、划出摊铺面积的网络白格，使得卸料均匀，以准确控制风积沙的松铺厚度；
E、卸填料：用自卸车将风积沙从最远端按网格倒退着卸料，保证自卸车始终行走在碎石土层或砂砾土层上；
F、摊铺初平：每卸完一车风积沙即用推土机摊铺整平，再卸下一车，直到一个段落(一般长度为50m～100m)中的施工区域内风积沙松铺厚度达到40cm～60cm；
G、推土机碾压：用推土机在风积沙上以不高于10km/h的速度来回压碾2遍，每一遍碾压时均由两边向中间进行，弯道处由内侧向外侧进行，碾压时履带应有1/2的重叠，直至压遍松铺的风积沙；
H、压路机碾压：振动压路机先以不高于10km/h的速度碾压1遍，再以不高于5km/h的速度按1/3轮宽重叠强振碾压3～5遍，每一遍均为：直道处先压两边，后压中间，弯道处则先压内侧，后压外侧，直到压遍铺设的风积沙；
I、用压路机或推土机静压1～2遍；
J、检测：采用灌沙或者灌水法检测压实后的压实系数K，平板载荷仪试验测定地基系数K30，干容重按规范要求频率进行检测，
如果压实系数K和地基系数K30指标有一个或两个都不合格，则重复H～I，直至压实系数K和地基系数K30均合格；
如果压实系数K和地基系数K30指标都合格，进行步骤K～L；
K、画网格：根据自卸车的运输量和碎石土的松铺厚度计算出每车的摊铺面积，用标尺拉线、划出摊铺面积的网络白格，使得卸料均匀，以准确控制碎石土的松铺厚度；
L、用自卸车从最近端将碎石土卸到风积沙层上，保证自卸车始终行走在碎石土层上；
M、对碎石土进行推平摊铺碾压，直至达到设计标准要求；
N、重复步骤D～M，至距路堤设计标高0.6m，进行步骤L；
O、风积砂路基表层0.6m范围全部填筑碎石土或A、B组填料，步骤重复K～M，直至填至设计标高；
P、刷坡：按设计的边坡坡度及位置，至上而下进行刷坡；
Q、封闭：为避免雨水冲刷和风蚀，路基边坡采用厚度不小于20cm粘性土或者碎石土包坡，路肩用最小尺寸应大于10cm的卵石栽砌或干砌片石防护，防护宽度80cm，厚度不小于20cm；
R、完成风积沙路基的施工。
其中：步骤F中所述的一个段落一般长度为50m～100m。
其中：步骤H中所述的强振碾压是指选用振动频率为45～50Hz，振幅为压路机的强振档进行碾压。
采用本发明的方法填筑的铁路或者高等级公路路基，均能满足设计部门对路基的质量要求，不仅可节省洒水费用，降低工程成本，经济效益可观，还加快了施工进度，同样能保证施工质量。对节约土地资源和水资源、保护生态环境也可起到良好的作用。
Claims (3)
1.风积沙路基的干法施工方法，其特征在于，该方法按下列步骤顺序进行：
A、测量放线：标出需要施工的区域，路基两侧超出路基设计宽度的50cm～80cm；
B、清表平整：清除原路面表层的浮置土、植物和其它杂物，平整地表；
C、铺底层：在整平的地表上铺筑20cm～40cm的砂砾土层或碎石土层，整平后碾压作为施工地表；
D、画网格：根据自卸车的运输量和风积沙的松铺厚度计算出每车的摊铺面积，用标尺拉线、划出摊铺面积的网络白格，使得卸料均匀，以准确控制风积沙的松铺厚度；
E、卸填料：用自卸车将风积沙按网格倒退着卸料，使得自卸车始终行走在碎石土层或砂砾土层上；
F、摊铺初平：每卸完一车风积沙即用推土机摊铺整平，再卸下一车，直到一个段落中施工区域内风积沙的松铺厚度达到40cm～60cm；
G、推土机碾压：用推土机在风积沙上以不高于10km/h的速度来回压碾2遍，每一遍碾压时均由两边向中间进行，弯道处由内侧向外侧进行，碾压时履带应有1/2的重叠，直至压遍铺设的风积沙；
H、压路机碾压：振动压路机先以不高于10km/h的速度碾压1遍，再以不高于5km/h的速度按1/3轮宽重叠强振碾压3～5遍，每一遍均直道处先压两边，后压中间，弯道处则先压内侧，后压外侧，直到压遍铺设的风积沙；
I、用压路机或推土机静压1～2遍；
J、质量检测：采用灌沙或者灌水法检测压实后的压实系数K，平板载荷仪试验测定地基系数K30，干容重按规范要求频率进行检测，
如果压实系数K和地基系数K30指标有一个或两个都不合格，重复步骤H～I，直至压实系数K和地基系数K30均合格；
K、画网格：根据自卸车的运输量和碎石土的松铺厚度计算出每车的摊铺面积，用标尺拉线、划出摊铺面积的网络白格，使得卸料均匀，以准确控制碎石土的松铺厚度；
L、用自卸车从最近端将碎石土卸到风积沙层上，保证自卸车始终行走在碎石土层上；
M、对碎石土进行推平摊铺碾压，直至达到设计标准要求；
N、重复步骤D～M，至距路堤设计标高0.6m；
O、风积砂路基表层0.6m范围全部填筑碎石土或A、B组填料，重复步骤K～M，直至填至设计标高；
P、刷坡：按设计的边坡坡度及位置，至上而下进行刷坡；
Q、封闭：为避免雨水冲刷和风蚀，路基边坡采用厚度不小于20cm的粘性土或者碎石土包坡，路肩用最小尺寸大于10cm的卵石栽砌或干砌片石防护，防护宽度80cm，厚度不小于20cm；
R、完成风积沙路基的施工。
2.根据权利要求1所述的风积沙路基的干法施工方法，其特征在于，步骤F中所述的一个段落一般长度为50m～100m。
3.根据权利要求1所述的风积沙路基的干法施工方法，其特征在于，步骤H中所述的强振碾压是指选用振动频率为45～50Hz，振幅为压路机的强振档进行碾压。
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