沙漠路基施工技术研究报告.docx

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沙漠路基施工技术研究报告

榆靖高速公路沙漠路基施工技术研究报告

一任务来源及依据

榆林至靖边高速公路是规划中的包头到北海大通道的一部分，全长118km，也是国内目前实施修建的第一条沙漠高速公路，全线包围在毛乌素沙漠之中，大部分路段位于活动—半活动的固定—半固定沙丘上。

在沙漠地带修筑高等级公路，充分利用风积沙填筑路基，在国内尚属首次，需要组织人力进行科技攻关，解决沙漠地带路基施工的各项技术问题，保证优质按期的建成榆靖高速公路。

为此，2001年中铁二十局一处申请立项榆靖高速公路沙漠路基施工技术，得到局及总公司的支持，并与总公司科委签定了项目合同书（合同编号为G01—10A），然后按此立项合同进行研究。

研究工作具体由中铁二十局一处榆靖高速公路N3标项目部现场实施，研究时间为2000年8月至2001年5月，在此期间完成榆靖高速公路沙漠路基施工技术等，达到了合同书的任务要求。

二工程概况

榆靖高速公路是我国首条在沙漠地带修筑的高速公路，它穿过毛乌素大沙漠，2000年6月份我处中标了榆靖高速公路第三合同段，全长9.5km，线路桩号为K34+000～K43+500。

线路途径榆林地区的西左界乡古城界村及横山县井界乡。

全线采用全封闭四车道沥青砼路面，设计时速100km/h。

一般路基宽26m，路基最大填筑高度9.1m，路堑最大挖深30.6m，路基挖方约156万m3，填方约73万m3。

标段内有3.802km路段位于移动的风积沙丘区段上，要利用风积沙作路基填料，针对风积沙无粘聚性的特点，在路基填料运输、碾压时，如何选择施工设备、制定碾压工艺并进行压实质量的检测是沙漠路基施工的重点和难点。

三主要研究内容

沙漠地带利用风积沙做路基填料，不仅解决了施工所需的大量粘土或砂粘土问题，而且节约了土地，利国利民。

由于风积沙不同于一般“土”，它具有无粘聚性的特点，不仅带来施工设备行走困难的问题，而且带来碾压及质量检测等方面的技术问题，不能用传统的路基施工方法及质量检测方法来对待沙漠路基施工。

为此，我们主要研究了以下三个方面的内容：

一是风积沙填筑路基施工机械的选择与配套，重点研究填料运输设备及压实设备的选型。

在设备选型时，针对风积沙无粘聚性的特点，长距离运输设备采用履带式铲运机，短距离运输设备采用T75、T120推土机两种方案施工。

压实设备选择大马力推土机（T140）分层压实，同时还选用徐工集团专门为榆靖高速公路研制的前后双驱动双振幅震动压路机（YZ18—沙漠王）施工。

二是风积沙填筑路基施工质量检测与控制，同传统的路基一样，首先要解决如何确定风积沙的最大干密度问题。

根据土的压实机理，使风积沙密实的物理过程主要是使单颗粒从新靠近排列并使小颗粒进入大颗粒的孔隙间。

为此，采用震动法确定风积沙的最大干密度，具体方法为：

（一）干振法确定风积沙最大干密度的方法

1适用范围

此方法确定的风积沙最大干密度值用于衡量风积沙在天然含水量状态下（或洒水及雨后状态下）机械分层碾压的压实情况。

2仪器设备

①小型砼振动台：

外型尺寸50×50cm，振动频率2860次/min，振幅0.3～0.6mm，固定于砼基础上。

②试模：

试模采用《土工试验规程》中粗粒料标准击实筒。

主要包括试筒、套筒、底板等。

试筒内直径15.2cm，高度17cm。

套筒内径与试筒相同，高5cm，套筒与试筒应配套一致，且与试筒紧密固定后内壁成直线连接。

底板为标准击实筒所配置的底板。

③秒表：

精度为0.1秒。

④烘箱：

烘箱功率应大于3千瓦。

⑤天平：

感量0.01g的电子天平。

⑥台称：

称量10kg～15kg，感量不大于5.0g。

⑦试样盘：

一般用30×50×4cm的塘瓷盘，来存放筛过的风积沙试样。

⑧筛：

砂筛，对取样进行筛分，弃掉杂质。

⑨其它：

塑料桶、改锥、铁锤、毛刷、长把勺、刮刀、铝盒、平直尺等。

。

3方法与步骤

（1）备料

①在现场根据地形、风积沙粒径情况选取具有代表性的风积沙样，取样时应在原地表1m以下取样。

②对所取的试样进行筛分，弃掉杂质。

③将所有试样全部烘干，烘干时将盛有风积沙的试样盘放入烘箱中恒温在105℃状态下6h以上。

④烘干的试样重量不小于10kg，含水量0%。

（2）试验仪器的准备

①砼振动台：

试验所用的砼振动台应是计量认证合格的砼振动台，振动频率、振幅均应符合上述对砼振动台的规定。

②试模标定：

对所使用的粗粒料标准击实筒进行体积、高度测定，计算出不加垫块情况下的标准体积。

③其它工具：

电子天平、台称、长把勺等。

（3）试验步骤

①将试模放置于砼振台上：

将干净的试筒、套筒与试模底板紧固好，去掉原标准击实筒中高度约5cm的垫块，将固定好的试模放置于砼振动台上。

②填料：

填料时一次将烘干的风积沙填满试筒并高出试筒约2～3cm。

③振动：

试模在振动台上不固定，连续振动，振动时间分为1、2、3、4、6、8分钟等。

④刮平：

按拟定的不同时间振动结束后，取掉5cm高的活动套筒，采用刮刀、平直尺沿试筒上的沿口刮平。

刮平时刮平刀方向应相互垂直。

⑤称重：

用毛刷将试模外缘及底板周围风积沙刷干净，用台称称取试筒风积沙及底板重量，并称取试筒和底板自重计算出风积沙干重。

或将风积沙倒出后直接称取风积沙重量。

⑥干密度计算：

干密度计算时按下列公式：

干密度（g/cm3）=风积沙重量（g）/体积（cm3）

⑦振动曲线的绘制：

以干密度为纵坐标，以振动时间为横坐标绘制出干密度与振动时间关系曲线。

曲线上的峰值点为最大干密度和最佳振动时间。

如果曲线不能绘出明显的峰值点时应进行补点和重作。

⑧出试验报告：

一般情况下该试验应以三次平行试验结果的平均值作为风积沙在干振条件下的最大干密度值。

若三次平行试验所得最大干密度值相差大于0.03g/cm3，应补做或重作。

最大干密度值的试验报告包括下列内容：

a．风积沙的颗粒分析试验结果

b．风积沙视比重试验结果

c．三次平行试验的干密度与振动时间关系曲线（三个曲线图）

d．最大干密度值与最佳振动时间

e．振动台的振动频率、振动、型号等。

（二）饱水振动法确定风积沙最大干密度的方法

1适用范围

此方法确定的风积沙最大干密度值可用于衡量采用水坠法加推土机、水坠法加振动压路机分层碾压风积沙路基的压实情况。

2仪器设备

仪器设备同前。

3方法与步骤

（1）备料

①根据工地现场的具体情况选取具有代表性的风积沙试样，取样时应在原地表1m以下取样。

宜选用将采用水坠法施工段具有代表性的风积沙样。

②对所取试样进行筛分，弃掉杂质。

③所备沙样不小于90kg。

（2）试验步骤

①安装试模。

将试筒、套筒擦洗干净并与试筒、套筒、底板紧固好，使试模底板牢固地固定在砼振动台中部。

②填料：

将备好的料小心地一次倒入试模中，试模套筒上部予留3cm高度即可。

试验所用试样不得重复使用，宜用烘干的风积沙做试验。

③加水：

在试样中慢慢加水至试样表面约2cm高为止。

在加水过程中沙样会进一步密实，应根据试样高度添加适当试样使试样高出试筒约1～2cm。

④振动：

开启砼振动台，连续振动，振动时间分为1、2、4、6、8、10分钟等。

振动过程中，风积沙、水自试模上部溅出，应密切注意观察。

⑤称重：

振动结束后取掉套筒并刮平试筒表面，用毛刷洗刷试筒周围风积沙并擦干净试模底板，将试模中饱水的风积沙样取出，盛入塘瓷盘中，称取风积沙湿重，然后，应将试样全部置于烘箱中在105℃状态下连续烘干6h以上，称取风积沙干重。

⑥干密度的计算

干密度计算时按下列公式：

干密度（g/cm3）=风积沙重量（g）/体积（cm3）

⑦振动曲线的绘制

以干密度为纵坐标，以振动时间为横坐标绘制出干密度与振动时间关系曲线。

曲线上的峰值点为最大干密度和最佳振动时间。

⑧出试验报告：

一般情况下该试验应以三次平行试验结果的平均值作为风积沙在干振条件下的最大干密度值。

若三次平行试验所得最大干密度值相差大于0.03g/cm3，应补做或重作。

最大干密度值的试验报告包括的内容同前。

其次是检测方法和制定科学的路基密实度控制标准。

风积沙现场检测方法采用普通的环刀法，在取样时，当环刀打入沙层内，先在环刀顶面加盖后再取环刀，防止顶面沙子漏出影响精度。

取样位置在每层距顶面15cm以下。

测定含水量时采用烘箱烘干法。

压实标准见表1

表1沙漠路基压实度标准

风

积

沙

路

堤

填挖类型

深度范围

压实度%

路床

0～80cm

≥94

路堤

80cm以下

≥94

零路填堑及路床

0～30cm

≥94

灰土封层

≥95

边坡包边土

≥85

三是风积沙填筑路基分层施工压实工艺，通过现场设置不同填筑厚度、含水量及碾压设备的试验路段施工，选择适合沙漠路基施工的工艺。

其中填筑厚度分25cm、30cm、35cm三种情况，压实设备分T140推土机和双驱动震动压路机YZ18沙漠王两种，碾压时每2遍检测一次密实度。

试验路段实施的工艺为：

（一）振动压路机在天然含水量状态下分层压实试验工艺

1施工前准备工作：

包括放样、清除填方路段原地表杂草、树根及借方位置原地表面杂草、树根等。

2原地表处理：

采用振动压路机碾压6遍，碾压时轮迹重叠不应小于1/3，轮迹布满一个作业面为一遍。

3推送填料：

推土机从路基两侧或短距离内纵向调配风积砂推运至填筑的试验路段。

4摊铺填料：

填料采用推土机摊铺并整平，摊铺后的层厚不得超过拟定的摊铺厚度。

5推土机稳压：

用推土机从路基边缘向内侧逐轮碾压，碾压时轮迹重叠宽度不小于1/2单条履带宽度，单侧轮迹布满一个作业面为一遍，稳压2遍。

6振动压路机碾压：

碾压时轮迹重叠宽度不应小于1/3，轮迹布满一个作业面为一遍。

碾压时先慢后快，采用强振进行振动碾压。

碾压行驶速度开始时不超过4km/h；碾压时直线段由两边向中间，小半径曲线段由内侧向外侧，纵向进退式进行。

前后相邻两区段应纵向重叠2.0m以上，达到无漏压、无死角，确保碾压均匀。

7推土机终压：

轮迹重叠宽度不小于1/2单条履带宽度，终压2遍。

8检测：

压实度检测采用普通环刀法，当环刀打入砂层时，先加顶盖后再取环刀，以防顶面砂子漏出影响精度。

测定试样含水量时不能用酒精法，应将试样全部放入烘箱烘干。

压实度取样应在每层距顶面15cm以下。

（二）推土机在天然含水量状态下分层压实试验工艺

1原地表处理：

填方路段清除原地表杂物后，采用140马力以上的推土机碾压，碾压时直线段应从路基边缘向内侧逐轮碾压，半径较小的曲线段应从内侧向外侧逐轮碾压，碾压时轮迹重叠宽度不小于单条履带宽度的1/2。

采用纵向、横向交错的方式碾压，轮迹布满整个作业面为一遍，碾压6遍。

2推送填料：

同前。

3摊铺、整平：

采用推土机摊铺、整平。

4推土机碾压：

推土机碾压时单侧轮迹重叠宽度不小于1/2单条履带宽度，在直线段碾压时应从路基边缘向内侧逐轮碾压，在半径较小的曲线上碾压时从内侧向外侧逐轮碾压，每2遍检测一次密实度。

5检测：

同前。

从试验路段的施工情况来看，T140推土机是沙漠路基最合适的碾压设备，而徐工集团研制的YZ18震动压路机在沙区同样存在进出困难的问题，没有推土机方便。

考虑到沙漠地区大部分时间是缺雨的，因此，采用推土机在天然含水量状态下施工工艺进行今后路基施工。

在靠近水井地段，还进行了水坠法试验路段的施工，碾压机具采用推土机，一般在5～7遍后能达到要求的密实度。

对于移挖作填的路基，运距短，填料运输宜采用推土机，碾压时可采用多台推土机联合作业。

水坠法施工，一般用在台背回填等其它范围小地段，围堰设好以后，即可开始放水，要保持水头在20cm以上，条件许可的情况下，尽量用推土机碾压，碾压5～7遍，待水渗完后即可取样。

若无法使用推土机，也可组织多人用铁锹每隔50cm插入沙中摇动，如此反复4～6遍，可达到相同的效果。

四施工方案与关键技术

根据试验路段施工，总结出了沙漠路基施工的两种实用工艺，分别为：

（一）推土机在天然含水量状态下分层碾压的压实工艺

此种压实工艺适用于采用推土机在天然含水量状态下或在洒水状态下分层压实风积砂的填方路段。

1施工工艺流程图：

见图1。

图1推土机在天然含水量状态下分层压实工艺流程图

2施工工艺

2.1施工准备。

工作主要包括施工放样、试验、机械选择、清除填方路段和借方位置原地表杂物等。

2.2原地表处理。

填方路段清除原地表杂物后，采用140马力以上的推土机碾压，碾压时直线段应从路基边缘向内侧逐轮碾压，半径较小的曲线段应从内侧向外侧逐轮碾压，碾压时轮迹重叠宽度不小于单条履带宽度的1/2。

可采用纵向、横向交错的方式碾压，轮迹布满整个作业面为一遍，一般碾压8遍以上，检测压实度，应达到本规程规定的压实度标准。

否则，应补压直到合格。

2.3推送填料。

推土机从路基两侧借方位置或纵向短距离内调配风积砂推运至填方路段。

2.4摊铺、整平。

采用推土机摊铺、整平，摊铺厚度应根据试验路试验结果确定，但不得超过35cm。

3.5推土机碾压。

推土机碾压时单侧轮迹重叠宽度不小于1/2单条履带轮宽度，在直线段碾压时应从路基边缘向内侧逐轮碾压，在半径较小的曲线上碾压时从内侧向外侧逐轮碾压一般不得低于6～8遍。

3.6检测。

检测。

压实度检测采用普通环刀法，当环刀打入砂层时，先加顶盖后再取环刀，以防顶面砂子漏出影响精度。

测定试样含水量时不能用酒精法，应将试样全部放入烘箱烘干。

压实度取样应在每层距顶面15cm以下。

检测频率为：

路堤填方、路堑路床顶面、零填及路堤基底随机取样每2000m2检查8点，不足200m2检测2点。

构造物背每50m2抽查1点，不足50m2时至少检测一点。

压实度达到规定标准时方可进行下一道工序的作业。

（二）水坠碾压法推土机分层压实工艺

适用于水源充足的路基填方路段和通道、桥头及其他构造物台背处采用水坠碾压法填筑时的施工工艺。

水坠碾压法施工可分为水坠加推土机碾压或水坠加振动压路机碾压两种方法，两种方法施工工艺相似。

1水坠碾压法施工工艺流程图：

见图2。

图2水坠碾压法施工工艺流程图

2施工工艺：

2.1施工准备工作。

包括放样、清除填方路段原地表杂草、树根杂草、树根等。

2.2原地表处理。

对填方路段原地表杂草、树根清除后，在对原地表进行水坠碾压。

水头高度、碾压遍数按规定办理，待水渗完后取样测定干密度，

达到规定的压实标准，不合格时应重新水坠碾压直到合格。

2.3推送填料。

推土机从路基两侧或短距离内纵向调配风积砂推运至填方路段。

2.4摊铺填料。

对推运至填方路段内的填料采用推土机摊铺并整平，推土机摊铺后每层厚度不得超过30cm。

2.5围堰。

在摊铺、整平好的路基上分段设围堰。

设置围堰时应根据纵坡、横坡大小适当划段，长度不宜小于10m，宽度不宜小于5m。

围堰高度不低于30cm，宽度不小于30cm。

2.6放水。

围堰设置好之后开始放水，放水应连续进行，放水时水流流速应稍大，砂基顶面上的水头高度应大于20cm。

2.7碾压。

在水头高度保持20cm的情况下，采用推土机或振动压路机碾压。

碾压时推土机轮迹重叠单轮宽度的1/2，振动压路机重叠轮迹宽度的1/3以上。

当轮迹布满整个作业面时称为一遍。

2.8检测。

待沙基顶面多余水渗完后采用普通环刀法取样检测干密度。

当环刀打入砂层时，先加顶盖后再取环刀，以防顶面砂子漏出影响精度。

测

定试样含水量应用烘箱烘干法。

压实度检测取样应在每层距顶面15cm以下。

检测频率为：

填方、路堑路床顶面、零填及路堤基底每2000m2检查8点，不足200m2检测2点。

构造物背每50m2抽查1点，不足50m2时至少检测一点。

压实度达到规定的标准时方可进行下一道工序的作业。

五取得的主要技术成果

经过榆靖高速公路沙漠路基的施工，使人们对风积沙做路基填料施工有了一定的认识，掌握了运输、压实设备选型、常用的两种施工工艺及质量检测方法和标准等，我处按此工艺施工，顺利的完成榆靖高速公路施工任务，路基抽检合格率100%，经2001年11月中旬对全标段路基弯沉检验合格率96%以上。

六技术经济效益

1．在沙沙漠草上建设高速公路，变废为宝，对国家、对社会都将产生巨大的经济效益，进一步推动西部大开发。

2．利用推土机做为沙漠高速公路路基压实设备，经济适用，可充分发挥现有机械效率，降低工程成本。

3．若按本标准约11万m3风积沙为弃方，然后用粘土换填，则费用要花150万元左右。

其经济效益可观。

中铁二十局一处榆靖项目部

二○○二年元月九日