寒冷地区路基黏性土掺灰量控制施工工法.docx
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寒冷地区路基黏性土掺灰量控制施工工法
寒冷地区路基黏性土掺灰量控制施工工法
1前言
我国北方寒冷地区的黏性土路基施工中，取土场黏性土天然含水量较大，土质强度低且具有强冻胀性，春融期易形成路基冻胀翻浆病害，引起路面开裂、工后沉降等问题，严重影响了路基整体稳定性，影响工程质量。
公路工程施工过程中，路基填料受地域局限性制约影响比较大，黏性土施工比较多，例如黑大公路A4标段、黑大公路A16标段、北古高速A8标段等均有路基掺灰土施工。
黏性土材料的天然含水量大，直接填筑达不到规范要求的强度指标和压实指标。
施工单位在进行掺灰土施工过程中，对黏性土的掺灰量和焖料料时间等控制要素进行技术总结和技术推广，得到了建设单位、监理单位和设计单位的大力支持和技术确认。
经过这几年的技术交流和推广，收集了大量技术数据并持续改进，形成了“寒冷地区路基黏性土掺灰量控制施工工法”。
该工法研究的主体是对黏性土料堆掺拌生石灰过程的有效控制，包括掺灰量和焖料时间。
控制方案是通过应用改进的土壤温湿度仪适时快速监测黏性土的温湿度变化，应用新型研制的“土的含水量快速测定仪”快速测定含水量参数，合理确定掺石灰数量、翻拌和焖料时间，提高经济效益和工作效率。
这一施工工艺对彻底解决寒冷地区黏性土路基的水稳定性、冻稳定性、掺灰施工和控制工后沉降具有实际意义。
关键技术是“路基黏性土通过现场温湿度检测控制掺灰量技术”，技术特征经科技查新国内未见相关文献报道。
2工法特点
2.1通过应用土壤温湿度仪来快速监测黏性土的温湿度变化，有效缩短含水量检测时间和准确确定掺生石灰数量，这一关键技术的应用，不仅能保证掺灰质量，而且能加快施工进度、节约施工成本。
2.2通过温湿度数据合理确定翻拌和焖料时间，确保石灰有效消解，土、灰混合均匀，保证灰土质量，提高路基质量。
3适用范围
该工法适用于我国寒冷地区路基施工中掺生石灰改良黏性土的料场集中掺拌情况，其他地区掺灰土路基施工亦可借鉴此工法。
4工艺原理
4.1掺灰土是利用在土中掺入石灰材料后，石灰与土之间发生化学作用，从而使土材料的性质发生根本的改变。
开始表现为土的塑性降低、最佳含水率增大和最大密实度减小等，随后黏土颗粒就形成粗粉粒状，从而板体性、强度和稳定性提高。
利用石灰的钙化作用增强黏性土的土质强度。
CaO+H2O=Ca（OH）2+64.8KJ（热量）
Ca（OH）2+CO2+nH2O=CaCO3+（n+1）H2O
4.2利用生石灰的熟化作用吸水降低黏性土的含水量，翻拌自然蒸发失水降低含水量。
4.3利用土壤温湿度仪快速监测黏性土温湿度变化技术，合理确定掺拌生石灰数量、翻拌和焖料时间，保证掺灰工程质量，加快掺灰施工进度，降低掺灰施工成本。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
图5.1路基掺灰施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
确定取土场数量、大小和位置，土场取样天然含水量测定。
取土场至路基的临时道路，必要时用砂石、废弃砖头等材料进行硬化，遇到沟渠预埋涵管，保证临时道路贯通全线。
修建排水沟，拦水埂等防水工程，使取土场场地处于良好的排水状态。
翻拌设备配备，满足翻拌能力要求，防雨苫盖物资准备充沛，应急物品，安全劳保物品准备妥当。
5.2.2材料选择
石灰，石灰采用Ⅲ级以上的生石灰或消石灰，原窑灰块状小于5cm。
要求并进行有效CaO+MgO含量的试验，有效含量达到70％以上。
要尽量缩短石灰的存放时间，如露天堆放时间较长时，要加以覆盖保管，杜绝雨淋。
黏性土，路基用天然土质用塑性指数15-20的黏性土，以及含有一定量的黏性土的中粒土和粗粒土，土中不得含有树根杂草等
5.2.3土工试验
对黏性土和生石灰进行土工试验，试验的内容有：
土的液限、塑限、含水率、密度、相对密度、土的击实、土的强度（CBR值）、生石灰的有效成份试验。
掺灰土试验主要包括最大干密度，最佳含水率、CBR值等检测。
5.2.4灰土试配
在掺生石灰处理黏性土时，应采用不同含水量的土料和不同掺量进行试配，含水量每变化2%为一个级别，并对应一组掺量。
掺量变化幅度为1%，掺配时按重量计量，施工时换算成材料松方体积，对掺配好的各种计量标准的灰土进行工作性能试验，工作性能试验应通过试验段的施工效果进行对比评价，主要包括CBR值检测、可碾压性等。
确定设计掺配计量后，按设计掺配计量拌制灰土，进行最大干密度、最佳含水量试验指标的试验。
在试配试验时，应在保证质量的前提下，综合考虑经济效益、设备利用率、工期等因素。
选取最佳掺拌计量，以指导掺拌施工。
5.2.5取土场布置
取土深度可根据用土量和取土坑面积确定。
取土场应设置纵、横向坡度和完整的排水系统。
施工前在四周设排水沟，以降低地下水位。
排水沟要与农田排水渠道连通，以利于降雨等因素流入取土坑的地表水能顺利排除。
为保证雨后能正常运输，进出土场的便道应修整平整，碾压密实，符合施工时的通行能力和载重要求，并应在施工期间定期维护。
5.2.6掺灰施工
取土场掺灰翻拌采用挖掘机和装载机配合进行，掺拌作业前应做好存土、存灰、掺拌、存混合料的位置和面积的规划，各个区域严禁混合堆料。
准备掺拌的土进行整形，量测松方体积和含水量，根据土堆总体积和对应含水率的设计掺配量以固定容器量测生石灰，生石灰剂量应大于试验计划剂量的0.5%，将计量完成后的土料和生石灰运至掺拌区，采用挖土机进行掺拌作业，掺拌后应进行1～2次的翻拌。
翻拌好的混合料现场直接进行焖料，以使生石灰充分消解，一般需焖料1d。
根据温湿度监测数据，调整翻拌、加灰、闷料时间，当混合料含水量数据符合要求时发料。
掺灰混合翻拌时，沿料堆长度方向每20m左右预埋温湿度检测探头，要求探头埋深2m以上，足够长的数据线引到灰土边安全位置，通过检测仪表每4~5小时跟踪检测混合料的温度和湿度数据数值。
当发现湿度数据相对稳定后，数值比对设计最佳含水量数值，考虑翻拌、加灰等施工工序。
掺灰施工技术要求
1）测定黏土天然含水量具备掺灰降水利用条件，通常情况要求路基用黏性土天然含水量小于25%；原窑灰钙镁含量不低于70%，块状结构不大于5cm。
2）预掺拌土断面底宽小于10m，高度小于6m，上顶宽不大于5m，长度控制在30m。
每个料堆大约1200~1500m³。
3）预埋温湿度监测探头每料堆大约均布5个，埋深尽量接近土堆核心处。
引线设在料堆底边缘外侧，注意安全保护。
4）初次混料掺拌翻拌2次，焖料1d后开始监测温湿度。
每间隔4~5h读取数据一次，当所读取的数据相对稳定后开始考虑翻拌、加灰和闷料苫盖等施工工序。
5）温湿度仪器指示湿度值高于最佳含水量数值，考虑在翻拌混合料时增加灰量（参考每增加一个点灰量对应可降低2个点含水量）。
如果温升不明显，在增加灰量时考虑上限，适度增加灰量；如果温升显著提高，在增加灰量时适当考虑下限，降低数量。
6）温湿度仪器指示湿度值接近最佳含水量数值，只考虑及时采取翻拌措施，直至石灰块状物消解彻底。
7）每次混合料进行翻拌或加灰翻拌建议进行2次，监测含水量数值持续进行直至合格。
8）符合要求的混合料技术指标不仅有含水量指标和石灰消解程度指标，还要兼顾其他性能要求指标。
9）根据测得的含水量和温度，结合掺灰配合比准确计算并确定掺灰数量，来指导掺灰施工快速进行。
避免因检测时间长、风干或其他方法造成浪费。
从而加快掺灰施工进度，保证掺灰施工质量，降低掺灰施工成本。
10）严格控制进场生石灰质量，适当延长焖料时间。
避免灰量过大导致含水量过低和消解不全发生，导致出现路基病害。
6材料和设备
6.1主要材料
表6.1主要材料技术性能指标
序号
材料名称
技术性能指标
备注
1
生石灰
有效氧化钙加氧化镁含量≥70%；氧化镁含量≤5%。
钙质生石灰，Ⅲ级以上。
6.2主要机械设备
表6.2主要机械设备表
序号
机械设备名称
规格型号
单位
数量
1
挖掘机
30吨级
台
2
2
挖掘机
20吨级
台
1
3
装载机
ZL50
台
2
4
土壤温湿度仪
TSC-1W
台
2
5
土工试验设备
7质量控制
7.1施工技术标准、规范、规程：
《公路路基施工技术规范》（JTGF10～2006）
《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1～2004）
《公路土工试验规程》（JTGE40～2007）
《公路工程集料试验规程》（JTGE42～2005）
7.2施工过程中的质量控制
7.2.1正确使用土壤温湿度仪，多点测试取平均值作为快速检测含水量的最终结果。
7.2.2石灰技术指标应符合相关规定，应缩短石灰的存放时间。
8安全措施
8.1建立健全安全生产管理制度，落实安全生产责任制，加强安全教育和培训，严守安全纪律，进行安全检查。
8.2现场材料保管依据材料的性能采取必要的防雨、防潮、防晒、防水、防尘、防破坏等措施。
石灰专库专管，并设置明显标志。
8.3施工中发现危险品及其他可疑物品时，立即停止施工并上报
8.4在采取安全技术措施时，应优先选择预防性措施、根治性措施、紧急性措施，并时刻牢记生产技术与安全技术的统一性。
8.5现场施工技术管理人员，在开工前必须对施工作业人员进行详细安全技术交底，施工人员必须按安全技术交底要求进行作业。
8.6加强施工过程中的交通安全管理，防范机械事故、料堆塌方事故、化学品烧伤事故等发生。
9环保措施
9.1施工前，应制定相应的预防水土污染和水土流失的措施，考虑土地资源的合理利用，缩短临时占地使用时间，严格遵守国家环境保护的有关规定，保护原有植被地貌。
9.3施工过程中，各种排水沟渠的水流不得直接排放到饮用水源、农田、鱼塘中。
临时排水设施要与永久排水设施相结合。
9.4不得随意丢弃生产和生活垃圾，不得直接排放含油废水和生活污水，施工驻地和拌和场区进行绿化。
9.5堆料场宜设于主要风向下风处的空旷地区，石灰在露天堆存时，应采取防尘防雨措施，运输时应覆盖，防止散落，污染环境。
10资源节约
10.1充分利用公路沿线的荒地、废地做取土场，尽量少占或不占农田、耕地。
清表土推置四周，留作复垦用。
10.2临时施工便道、便桥尽可能设置在公路用地范围内。
10.3合理组织施工，充分发挥机械效率，使用先进生产工艺和设备。
10.4在保证质量和安全的情况下，加快施工进度，以降低施工成本、节约社会资源。
11效益分析
11.1经济效益
11.1.1利用石灰改良黏性土用作筑路材料有效解决了北方寒冷地区平原及丘陵地带公路路基填料选择问题，经济效益可观。
假定土场至路线平均运距为5km,每立方米黏性土掺石灰100kg（6%），不考虑土的开采费用，每立方米掺灰土的成本费用约为35元（石灰300元/t，黏性土掺灰人工、机械费用5元/m³）。
如换碎石土或砂砾等材料，每立方米的成本费用最少约为80元（仅指平均运费，距离料场特别远的不做考虑），每立方米填料节约成本近45元。
11.1.2通过应用土壤温湿度仪快速测定黏性土含水量，来缩短检测时间和准确确定掺灰数量，避免了掺灰过程中其他检测方法或凭经验操作造成的材料浪费，使得每100m³黏性土节约石灰近0.4t；而且施工速度加快，节省了部分人工、机械费用，经济效益明显。
11.2社会效益
用此工艺技术修筑的路基整体稳定性好，有较强的抵御冻胀和翻浆的能力，能减少今后公路运营过程中的养护维修费用，大幅降低运营成本，延长公路使用寿命，长时间保持公路畅通，社会效益明显。
另外，施工进度的加快，提前通车运营，减少了施工对沿线居民的干扰，社会效益显著。
11.3环境效益
由于利用荒山废地就近取土，避免长距离开山取石（碎石土），充分利用了当地废旧资源，保护了公路沿线及其周边环境；大型灰土拌和机械的使用，减少了黏性土翻晒的时间，也减少了扬尘污染；施工中，原地面耕植土的收集再利用，也为保护环境、节约资源作出贡献；施工单位在施工过程中更加注重文明施工和加强环境保护管理工作。
环境效益显著。
12应用实例
12.1应用实例一
国道黑大公路拜泉明水界至青冈（杜家店）段改扩建工程A4标段工程，是由现有二级公路改扩建为一级公路，起讫桩号K404+000～K412+000，路线全长8km，2015年6月开工建设。
工程沿线地处松嫩平原上，附近取土场均为黏性土。
由于采用了本工法施工，有效解决了路基填土天然含水量高、土质强度低，严重影响路基质量的施工工艺和技术问题。
经过一个冷暖季节的通车验证，路基整体稳定性良好，未出现路基基身下沉、边坡滑塌、冻胀翻浆、路面开裂等病害现象，得到了业主和监理单位的好评，经济效益和社会效益明显。
12.2应用实例二
国道黑大公路宝泉至克东拜泉界（滕家围子）段改扩建工程A16标段项目（K291+000～K299+093），该项目于2015年9月进场开始进行新旧路基土方施工，至2017年7月已完成新建路基土方施工工作。
因该项目工程地处小兴安岭西麓乌裕尔河流域，沿线路表多为淤泥质土，取土场均为黏性土，天然含水量较大，土质强度低。
设计中考虑用生石灰对黏性土进行改良。
施工中采用了本工法，应用效果显著，掺灰土路基整体稳定性良好，经通车试验未见异常现象，得到了监理的一致好评。
经济效益和社会效益显著。
12.3应用实例三
北富高速公路北安至古城段建设项目A8标段（K55+000～K59+000，2015年10月开工），该工程地处松嫩平原上，又沿乌裕尔河走向，沿线土质多黏性土，天然含水量大，土质强度低。
在掺灰土路基施工中也采用了本工法，应用效果良好，：
路基的整体稳定性提高，工程质量得到保证，施工进度加快，施工成本降低。
受到了社会各界的一致赞扬，经济效益和社会效益明显。
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