CN109440543B - 千枚岩风化土与红粘土混合改良方法及拌合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种千枚岩风化土与红粘土混合改良方法及拌合方法,该方法是在千枚岩风化土中掺入红粘土形成为液限小于40%的C组填料的混合填料。本发明克服了传统两种特殊土仅能分开、分层填筑的束缚,扩大了具有特殊工程性质土的应用范围;可得到符合路基规范中填料组别,混合填料的工程性质得到较大改善,减小红粘土的裂隙特性,增加千枚岩风化土的压实强度及稳定性,大大消纳千枚岩风化土,减小采用加固剂改良方法的费用,减小千枚岩风化土作为弃方的危害,可以用于铁路专用线、货场路基的填筑,节约工程费用。
Description
技术领域
本发明涉及路基工程加固领域,尤其涉及一种千枚岩风化土与红粘土混合改良方法及拌合方法。
背景技术
江西省的在建的许多货场铁路如上饶的坑口货场、昌北货场、煤运通道蒙华铁路岳吉段、上饶坑口铁路专用线及货场工程,挖填方数量均可达到数百万方甚至上千万方。这些货场周围分布着大量的千枚岩风化土和红粘土,一般上面覆盖一层1-6m厚的红粘土,红粘土下面是十多米厚的千枚岩风化土。
以新建南昌昌北铁路货场一期工程为例,经现场取土进行室内试验可得,千枚岩风化土和红粘土的液限(76g锥,10mm液限)均超过了40%,根据铁路路基填料评定标准,属于D组填料,为不宜使用的填料。
部分地区千枚岩风化土与红粘土呈互层状分布。互层分布时,采用传统技术进行分层分开填筑时,现场分离千枚岩风化土与红粘土难度大、费用高。
当使用D组填料作为路基填料时,需要加入固化剂(水泥、石灰)进行改良,一般添加比例为总土的5-10%,势必增加大量的工程费用。
以传统规范的方法与规定,不采用加固剂改良,千枚岩风化土及红粘土两种土互层的土方仅能作为弃方,占用大量土地,且容易扬尘、水土流失引起环境问题。
目前根据路基填筑规范(JTG F10-2006),路堤填筑应符合下列规定:性质不同的填料,应水平分层、分段填筑,分层压实。同一水平层路基的全宽应采用同一种填料,不得混合填筑。如果根据规范,红粘土与千枚岩风化土应该分开填筑。国家制定此规范的目的就是防止特殊土有各自的特殊工程性质,如果混合作为路基填料,有可能导致不可预测的后果。两种特殊土分开填筑主要有以下工程问题:
1)红粘土单独作为路基填料工程问题
红粘土属于一种特殊性粘土,因其主要表现为具有高分散性、高孔隙比、高天然含水量、高液限等不良物理性质,表现为高裂隙性、高收缩率等不良特征。红粘土液限为48.4%,属于高液限粘土,为D组填料(不宜使用)。红粘土具有高黏聚力和保水性好的特点,由于游离氧化铁、铝的胶结作用使得红粘土具有较高强度与较低压缩性等良好的力学特性,因此江西地区常把红粘土作为一种较好的路基填料。但红粘土由于有较强的膨胀性,失水时容易开裂,昌北货场碾压后开裂最大宽度为2cm,最大开裂深度超过1m。当降水渗入裂隙时,会严重降低红粘土的强度,在列车荷载作用下,容易出现泥化,承载力降低,从而引起道道囊、翻浆冒泥等路基病害。
2)千枚岩风化土单独作为路基填料的工程特性
江西低丘区千枚岩硬度低,风化程度高,手捏即成粉状,在压路机碾压后呈土状,因此称为千枚岩风化土。根据室内界限含水率试验,其塑限28.9%,液限43.3%,塑性指数14.4,属于高液限粉质粘土。与红粘土相比,虽然同属于高液限粉质粘土,但千枚岩风化土具有低粘聚力和保水性差的特点,仅靠压路机的振动碾压很难达到压实要求,即使压实后再经车辆行走路基会迅速变松,因而在路基填筑中属劣质填料的特殊土。在新建南昌昌北铁路货场一期及支线工程中,采用千枚岩风化土碾压的路基压实系数普遍低于90%,Evd值处于25-35MPa之间,难以满足规范的要求。且碾压好的路基面在受到重车轮胎重复碾压时,强度会迅速降低甚至会变成松土。
路基开始运营后,对于已经压实的千枚岩风化土路基,路基可能在交通荷载作用下变松而逐渐失去承载力,发生翻浆冒泥、路基沉陷等病害。
3)采用石灰改良千枚岩风化土的效果不佳、造价高
对于D组填料的千枚岩风化土,根据现成的传统方法,采用石灰进行改良,但效果不佳,压实系数无法达到规范要求的91%,动态变形模量Evd和K30均达不到规定的要求。而且在后八轮运输车重复碾压(运输填料)后起灰扬尘,难以作为路基填料使用。
对于千枚岩风化土这种D组填料,根据现有技术,仅能进行加入石灰或水泥进行改良,需要加入约5%的石灰和水泥,由于石灰、水泥较土价格高的多,加入固化剂(水泥、石灰)的费用与土方费用相当甚至大于土方量,对于路基这种大土方量工程,添加固化剂改良可能增加费用50%-75%。
发明内容
本发明的目的一是提供一种千枚岩风化土与红粘土混合改良方法,克服了传统两种特殊土仅能分开、分层填筑的束缚,扩大了具有特殊工程性质土的应用范围;可得到符合路基规范中填料组别,混合填料的工程性质得到较大改善,减小了红粘土的裂隙特性,增加了千枚岩风化土的压实强度及稳定性,大大消纳千枚岩风化土,减小采用加固剂改良方法的费用,减小千枚岩风化土作为弃方的危害,可以用于铁路专用线、货场路基的填筑,节约工程费用。
本发明的目的二是提供一种拌合方法,能够均匀拌合得到符合路基规范中的填料组别,混合填料的工程性质得到较大改善,减小了红粘土的裂隙特性,增加了千枚岩风化土的压实强度及稳定性,大大消纳千枚岩风化土,减小采用加固剂改良方法的费用,减小千枚岩风化土作为弃方的危害,可以用于铁路专用线、货场路基的填筑,节约工程费用。
为实现上述目的一,本发明提供一种千枚岩风化土与红粘土混合改良方法,该方法是在千枚岩风化土中掺入红粘土形成为液限小于40%的C组填料的混合填料,混合填料的液限wL与红粘土掺量呈三次多相式关系,采用最小二乘法进行拟合,拟合公式为:
wL=-3×10-5λ3+0.0075λ2-0.3659λ+43.434 (1)
wL—土的液限
λ—红粘土掺量
当红粘土掺量为13%≤λ<50%时,混合填料的液限小于40%。
作为本发明的进一步改进,所述的红粘土最优掺量λ为30%,混合填料的液限wL达到最小为38.4%。
为实现上述目的二,本发明提供一种拌合方法,该方法包括千枚岩风化土与红粘土有独立取土场时的拌合方法,以及千枚岩风化土与红粘土互层时的拌合方法;千枚岩风化土与红粘土有独立取土场时,设置专门的拌合场地,采用挖掘机倒堆法进行均匀拌合;千枚岩风化土和红粘土互层时,根据互层厚度进行开挖控制掺合比例,采用挖机先挖松一部分土体,然后用挖机就地拌合方式进行均匀拌合。
作为本发明的进一步改进,所述的采用挖掘机倒堆法对千枚岩风化土与红粘土进行拌合时的拌合次数不少于3次。
作为本发明的更进一步改进,所述的专门的拌合场地的场地面积不小于10*20m2。
与现有技术相比,本发明的千枚岩风化土与红粘土混合改良方法及拌合方法的有益效果如下:
1)减小了红粘土单独填筑时引起裂缝问题
对于红粘土,虽然在最优含水率时,填筑的强度较高,但由于其粘粒含量多,为重粘土(IP>20),膨胀性大,碾压后的路基开裂宽度大(最大可超过2cm),开裂深度大(最大可达1m深),碾压后的路基往往成斑块状,在雨水和列车动荷载作用下容易产生翻浆冒泥病害、道砟囊等病害。
本发明采用混合填筑后,以千枚岩风化土的高分散性来降低红粘土的高液限和高收缩率,虽然混合土失水后仍有开裂,但开裂宽度与深度与单独使用红粘土相比小的多,成为微裂隙表面,开裂宽度一般不大于2mm,开裂深度仅有几厘米深,大大降低了红粘土干湿循环后裂隙开裂情况,降低裂隙率,从而减小了雨水对路基的侵害。
2)以红粘土的高粘聚力增大了千枚岩风化土的粘聚力、可压实性与强度。
抗剪强度增加。当混合填料压实系数为91%时,按最优含水率进行压实,100kPa正压力下抗剪强度从64.1kPa提高至80.5kPa,增大了25.6%。
动态变形模量增加。根据现场碾压效果,千枚岩风化土8遍碾压后的压实系数一般为85-87%,动态变形模量为20-35MPa,不能满足铁路路基压实要求。当掺入20-50%的红粘土后,由于土增加了粘聚力,压实系数在压实6遍后一般可超过91%,Evd较普遍的超过45MPa,最大可达67MPa。
千枚岩风化土在压实系数91%时粘聚力仅为4.8kPa,当红粘土掺量为20%时,粘聚力为7.4kPa,提高了54.2%;当红粘土掺量为40%时,粘聚力为10.8kPa,相对于千枚岩风化土提高了125%。由于粘聚力的提高,混合填料在碾压作用下会持续增密,不会出现在运输车在路基上行走引起的路基变松情况。
3)增大了填料的应用范围,增加经济效益
根据铁路路基路基规范填料分组,千枚岩风化土与红粘土均为高液限(wL>40%),属于D组填料,根据铁路路基的要求,路堤基床以下部位宜选A、B、C组填料,当选择D组填料时,应采取加固或土质改良措施。红粘土虽然从强度方面考虑可以作为路基填料,但其在失水后容易开裂。而千枚岩风化土不易压实,压实后在动荷载作用下容易松动起尘,压实系数与压实强度均达不到规范要求,是非常差的填料。根据江西省规划,围绕铁路建设“853”工程,力争开工建设昌景黄铁路,续建昌吉赣客专等6个项目,全线开通武九客专,建成九景衢铁路及南昌轨道交通2号线南延线工程。这些线路很多都穿过千枚岩岩风化土及红粘土填料区。部分交错分布,两种填料在应用时存在各自的缺陷,若对涉及千枚岩风化土及红粘土路段路基进行换土的处理方式,不仅会大大提高工程造价,造成额外的工程开支,另外大量弃土方也会破坏生态环境。
采用了本发明提供的混合比例和压实控制指标,混合填料为低液限填料,属于C组填料,为可利用的填粒,不必采取加固或添加加固剂进行加固,混合以后能从根本上增加千枚岩风化土的强度与可压实性,在一般的施工条件下可以满足规范对路基质量的要求,克服了传统规范中不同填料必须分开、分层进行填筑的束缚。混合填料作为C组填料可以用于II级铁路(货场、专用线)路基填料,可以节约5-10%土方质量的石灰或水泥用量,按5%掺量计算,相对于石灰(450元/吨)改良可节约加固费用占总土方工程的50%,相对水泥节约71%,可见从材料费来讲可以大量节约工程造价。
4)减小了弃方对环境的影响,有较大环境效益
对于传统的单独填料填筑方法,千枚岩风化土既是D组填料,填筑碾压后检测也基本上不合格,既使加入石灰改良剂进行改良,改良后填料在运输车的反复作用下容易变松、起灰、扬尘,因此千枚岩风化土属于不可利用填料。以昌北货场为例,下卧的千枚岩风化土的方量远大于红粘土的土方量,如果按照传统的方法,这部分填料仅能作为弃方处理。弃方需要选择适当的弃土场,占用大量的地域。千枚岩风化土属于低粘聚力粉质粘土,在风作用下容易扬尘,给周边环境造成恶劣影响。
采用本发明方法后,千枚岩风化土可利用度达到总填方量的50%-87%,可以大量消纳千枚岩风化土,千枚岩风化土可得到充分利用,而且填料分组为C组,符合路基设计规范要求,同时减小千枚岩风化土弃方对环境的影响。
5)减小千枚岩风化土与红粘土互层时的分离费用
根据传统规范中的方法,千枚岩风化土和红粘土既使被用于路基填料,也应该分类分层填筑,即红粘土和千枚岩风化土仅能单独分层(水平)填筑,不能混合填筑,这是考虑到两种土是两种性质不同的特殊土,如果混合填筑会导致不可预测的结果。则对于填料区出现红粘土与千枚岩风化土互层时,则需要两种土进行分离,由于江西省两种土互层时厚度不大,则分离费用较大,甚至大于弃方处置措施。
采用本发明提供的方法,则需要把互层的土从上到下开挖,然后采用挖掘机充分拌合,不需要分离两种特殊土,然后分铺填筑即可,降低了费用。
6)采用本发明的方法路基压实质量易合格,可以节约50-75%的加固材料使用费。
通过以下的描述并结合附图,本发明将变得更加清晰,这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为混合填料界限含水率指标与红粘土掺量λ的关系图;
图2为各混合比例土击实特性图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例,附图中类似的元件标号代表类似的元件。
请参考图1-2,所述的千枚岩风化土与红粘土混合改良方法,该方法是在千枚岩风化土中掺入一定比例的红粘土形成为液限小于40%的C组填料的混合填料。以两种不宜使用的D组填料(不良填料)变为路基可用的C组填料,扩大了路基填料的应用范围。千枚岩风化土与红粘土掺合后形成的混合填料提高了千枚岩风化土的强度与稳定性,同时降低了红粘土干湿循环后的开裂缺陷。混合填料以千枚岩风化土的高分散性来降低红粘土的高液限和高收缩率,降低裂隙率,从而减小了雨水对路基的侵害;混合填料以红粘土的高粘聚力增加千枚岩风化土的可压实性和强度,从而提高两者的综合强度,使填料易于压实,并成为一组可用的路基填料。
具体如下:
1)红粘土与千枚岩风化土掺合比例
土的界限含水率是土定名分组的重要依据。根据《铁路路基设计规范》(TB10001-2016),对于像红粘土、千枚岩风化土之类的细粒土,定名分类可依据规范中提供的塑性分区图,如表1所示。
表1细粒土填料分组表
注:1液限含水率试验采用圆锥仪法,圆锥仪总质量为76g,入土深度10mm;
2A线方程中的wL按去掉%符号后的数值进行计算。
取红粘土与千枚岩风化土进行室内液塑限试验,得出的界限含水率与分组如表2所示。
表2室内试验结果与分组定名
土名 | 液限w<sub>L</sub>(%) | 塑限(w<sub>p</sub>) | 塑性指数I<sub>p</sub> | 定名 | 填料分组 |
红粘土 | 48.4 | 26.4 | 22 | 高液限粘土 | D组 |
千枚岩风化土 | 43.3 | 28.9 | 14.4 | 高液限粉质粘土 | D组 |
根据铁路路基设计规范(见表1),两种土单独作为路基填料时,液限wL均大于40%,属于D组填料,根据路基设计规范中的要求,两种土不宜作为路基填料。当使用两种土作为路基填料时,需要进行改良(加固化剂如石灰、水泥,势必增加工程造价)。
本发明提出在千枚岩风化土中掺入适量的红粘土,用于消纳千枚岩风化土,这种千枚岩风化土强度低、不易压实、碾压后再次行车时容易松动的特殊填料。在千枚岩风化土中掺入红粘土后,其界限含水率试验结果如图1所示。
由图1可知,混合填料WL与红粘土掺量呈三次多相式关系,采用最小二乘法进行拟合时,相关系数分别为R2=0.9312。说明WL与红粘土的掺量显著相关。采用最小二乘法拟合公式为:
wL=-3×10-5λ3+0.0075λ2-0.3659λ+43.434 (1)
wL—土的液限
λ—红粘土掺量
根据图1,在千枚岩风化土中掺入红粘土后,土的界限含水率发生了较为显著的变化。混合填料的液限wL随着红粘土掺量的增加先降低后增加,当红粘土掺量为30%时,混合填料的液限达到最小为38.4%。
两种有特殊工程性质的土,原来的液限均大于40%,属于不宜使用的路基填料。两种特殊土经过混合后,性质发了了较大改变,根据公式(1),当红粘土掺量13%≤λ<50%时,混合填料的液限小于40%,属于C组填料,根据路基设计规范,属于可以用于路基基床底层和基床以下的填料。
根据混合填料界限含水率的结果,混合填料填筑时,宜选用λ为30%左右,此时土的液限最小,为38.4%,为C组填料。
采用按13-50%的红粘土掺量(可按体积比,两者的天然含水率与密度均相近),掺入到千枚岩风化土中,形成的混合填料变成C组填料。具体选用时根据取土场千枚岩风化土与红粘土体积储藏量分布。当现场千枚岩风化土分布量远远大于红粘土时,红粘土掺量可以减小至13%;当千枚岩风化土与红粘土分布相当时,红粘土掺量可以增至50%。例如按20%的掺合比时,运入掺合场地的千枚岩风化土与红粘土土方量比为1:5,即每运5方千枚岩风化土,应掺入1方红粘土进行拌合。根据液限越大,填料的膨胀性越大越不利的原则,红粘土最优掺入百分比为30%,充分保证了路基质量。
若千枚岩风化土和红粘土互层时,可以通过互层厚度计算掺合比。当比例不在13-50%时,应从独立取土场补足相应的土进行拌合。
2)混合填料的碾压控制参数
土的含水量直接影响路基的碾压效果,混合填料最好控制在最优含水率(wop)上下2%较为合适,能用最小的碾压功达到最密实的效果。碾压含水率一般为wop±2%,对于红粘土与千枚岩混合填料,当含水量超过最优含水率时,容易出现橡皮土,碾压效果不好,因此建议在wop-2%~wop+2%进行碾压。
现场的碾压效果一般是依据室内击实试验获得的,混合填料各掺合比例的击实曲线如图2所示。根据图2,可得各混合比例混合填料的最优含水率和最大干密度如表3所示。
表3各混合比例土的击实参数
红粘土λ(%) | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
w<sub>op</sub>(%) | 19.3 | 18.30 | 18.1 | 18.9 | 18.4 | 17.8 |
ρ<sub>dmax</sub>(g/cm<sup>3</sup>) | 1.64 | 1.7 | 1.69 | 1.71 | 1.71 | 1.75 |
根据液限低于40%的原则,则红粘土掺入比应控制在13-50%之间,则可得出结论,当λ位于13-50%时,最优含水率为18.5%,无论λ在此范围如何变化,则最优含水量误差不会超过2%,因此采用w=18.5%±2%可以得到较好的碾压效果,考虑到红粘土填料含水率过高可能成为橡皮土,不易压实,因此宜在最优含水率或略低于最优含水率下压实。当掺入一定量的混合填料后,混合填料的最大干密度有所提升,但在掺量20-80%时,最大干密度在1.69-1.71g/cm3上下波动,采用1.70g/cm3时,最大误差仅为0.59%,所以最大干密度采用1.70g/cm3是合适的,按此标准控制不会引起较大误差。因此本发明提出混合填料的最优含水率为18.5%,最大干密度为1.70g/cm3。
根据击实试验效果,建议碾压含水率为16.5%~18.5%。当现场天然含水率低于16.5%时,需要进行增水作用,增加水量计算公式如下:
式中:△mw是需要加水量
w1-现场混合填料的含水率,如含水率为12%,应代入12
ρ1—拌合时候混合填料的松密度(kg/cm3)
V1—拌合时需要拌合的体积(m3)
当现场混合填料的天然含水率高于18.5%时,需要进行翻晒作业,具体操作为混合填料平铺于需要填筑的区域,平铺厚度50-60cm,晒一定时间(时间长短根据天然含水率与天气温度确定),然后用翻耕机翻一遍,然后再晒一定时间。
3)两种特殊土相互改良的拌合方法
3.1)有独立取土场时的拌合方法
当红粘土与千枚岩风化土分布在不同的取土场时,应设置专门的拌合场地,场地面积不小于10*20m2。首先用挖掘机装载红粘土与千枚岩风化土按设计比例运入拌合场,堆成锥形堆,然后用挖掘机从锥底翻拌并堆至别一锥形堆。上述翻堆拌合需要进行3次或3次以上可拌合均匀,然后用运输车运至规定地方进行碾压。当含水量与最优含水量差值大于2%时,同时应进行凉晒和增湿工作,增水量应在第一次倒堆前一次性加入,具体加水量应计算确定。
无论哪种方法,拌合后的效果要求红粘土(红色)与千枚岩风化土(土黄色)均匀分布,不能出现明显的分带现象说明拌合均匀。如果翻拌不均匀,可以在现场平铺后用翻耕机再翻耕一遍,确保混合均匀。
3.2)千枚岩风化土与红粘土互层时拌合方法
当千枚岩风化土与红粘土互层时,可采用挖机选挖松一部分土体,然后用挖机就地拌合,然后运输车运至现场进行碾压。混合比例可以根据互层厚度比例进行计算。
4)混合填料路基碾压质量与检测
现场碾压时混合填料虚铺厚度50-60cm,碾压后的厚度一般为30-35cm。采用2遍静压+2遍振动碾压+2遍静压的组合方式进行碾压。混合填料最优含水量和最大干密度受红粘土掺量影响较小,所以现场混合填料碾压的最优含水率为18.5%,必要时可略低于最优含水率进行碾压,由于提高含水率,路基强度会急剧降低,不建议高于最优含水率碾压。
路基质量检测,当压实系数达到91%时,K30超过80MPa/m时路基碾压质量合格。路基压实系数检测时,压实系数采用路基干密度除以最大干密度进行计算,混合填料如果掺合比在13-50%时,最大干密度取1.70g/cm3。
铁路路基填料分类(详见《铁路路基施工规范》附录):
A组-优质填料。包括硬块石,级配良好和细粒土含量小于15%的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土、砾砂、粗砂、中砂。
B组-良好集料。包括不易风化的软块石(胶结物为硅质或钙质),级配不良的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土、砾砂、粗砂、中砂、细粒土含量在15%~30%的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土和细砂、黏砂、砂粉土、砂黏土。
C组-一般填料。包括易风化的软块石(胶结物为泥质),细粒土含量在30%以上的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土和粉砂、粉土、黏粉土。
D组-不易使用的差质填料。包括强风化及全风化的软块石、黏粉土和黏土。
E组-严禁使用的劣质填料。包括有机土。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述,但本发明并不局限于以上揭示的实施例,而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (4)
2.一种如权利要求1所述的千枚岩风化土与红粘土混合改良方法的拌合方法,其特征在于,该方法包括千枚岩风化土与红粘土有独立取土场时的拌合方法,以及千枚岩风化土与红粘土互层时的拌合方法;千枚岩风化土与红粘土有独立取土场时,设置专门的拌合场地,采用挖掘机倒堆法进行均匀拌合;千枚岩风化土和红粘土互层时,根据互层厚度进行开挖控制掺合比例,采用挖机先挖松一部分土体,然后用挖机就地拌合方式进行均匀拌合。
3.如权利要求2所述的拌合方法,其特征在于:所述的采用挖掘机倒堆法对千枚岩风化土与红粘土进行拌合时的拌合次数不少于3次。
4.如权利要求2所述的拌合方法,其特征在于:所述的专门的拌合场地的场地面积不小于10*20m2。
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