时速200km铁路粉黏土及细砂改良工法1.docx
《时速200km铁路粉黏土及细砂改良工法1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《时速200km铁路粉黏土及细砂改良工法1.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
时速200km铁路粉黏土及细砂改良工法1
时速200km铁路粉黏土及细砂填料改良施工工法
一、前言
我国第一条高速铁路秦沈客运专线东段（凌海---沈阳）A13~A22标取土土源绝大多数为粉黏土和细砂，由于这种粉黏土粘粒较少，细砂又粒径单一、颗粒均匀、级配不良，因而填筑时均达不到《秦沈客运专线铁路路基施工技术细则》中对细粒土（粉黏土）和粗粒土（细砂）的填筑技术指标检测要求，此问题引起了铁道部工管中心，秦沈工程指挥部和铁三院的高度重视，决定由铁一局和铁三院共同成立“秦沈东段填料试验组”会同现场监理对该类粉黏土和细砂进行了长达4个月的室内和现场的模拟填筑试验。
经过铁道部有关专家对试验结果多次召开专题会议，认真分析和论证，最后确定该类粉黏土掺中粗砂进行改良（路基本体掺20%，基床底层掺25%），细砂掺卵石进行改良（50%：
50%），并在东段付诸实施，解决了秦沈线东部填料填筑的一大难题，得到了铁道部工程管理中心，秦沈总指的高度评价。
该成果被中铁一局集团公司评为2001年度科技进步一等奖。
并被铁道部写入“秦沈线施工技术总结”和京沪线路基施工有关规则。
二、工法特点
1、根据填料的性质通过室内外试验，确定改良方案及现场施工压实方案，施工过程要求采用集中大功率重型机械，各工序紧密衔接快速施工，快速成形。
2、质量控制严格，要求每层检测，采用较先进的快速检测仪器：
核子密度湿度仪，“K30”检测车准确测定改良土填筑时的含水率、压实后的压实密度、K30值并即时计算颗粒间孔隙率n′值，确保填筑时质量。
3、比远运山皮石，级配易控制，且易碾压成形，进度快。
比其它类化学改良（掺粉煤灰、白灰、水泥、固化剂等）工艺简单，造价低，无污染。
4、改良细砂基本不需晾晒，小雨天仍可施工；粉黏土掺中粗砂改良后水分
易挥发，雨后稍加晾晒即可施工。
5、改良后的粉黏土及细砂填筑施工质量好，不但可满足路基本体，尚可满足基床底层的填筑技术指标要求。
三、适用范围
该施工工法适用于那种由于颗粒粒径均匀单一，级配不良的细砂或粘性颗粒
（<0.005mm）过少，级配单一的粉黏土，二者经物理改良（掺中粗砂或卵石）后的填筑施工。
改良后的粉黏土和细砂可用于铁路路基本体和基床底层的填筑。
四、工艺原理及关键技术
（一）工艺原理
1、孔隙率较大的细砂，均匀地掺入适当比例的卵石后，在外力（击实力或碾压力）的作用下，卵石颗粒间的势能不断减小，颗粒不断靠近，直至孔隙最小，而在此过程中，细砂也在力的作用下，同时不断填充卵石颗粒间的不断减小的空间，整体孔隙率大大减小。
因而，比细砂颗粒大得多的卵石颗粒形成了骨架网络，原来松散的细砂被不断填充和“分割”在卵石颗粒间的孔隙内，因而增大了摩阻，也增加了稳定。
2、填料中的细粒土（粉黏土等）的力学性质主要与粘性颗粒（<0.005mm）的粘结，大小颗粒的嵌锁及颗粒间的摩擦力有关，加入适当比例的中粗砂后虽没有增加粘性颗粒，但改善了颗粒级配，比粉黏土颗粒大的多的中粗砂颗粒同时形成骨架，因而改善了该类粉黏土的力学性质。
（二）关键技术及施工原则
1、确定需改良的粉黏土、细砂掺入中粗砂及卵石的最合理的比例。
2、确定最简便和准确的掺入方法及工艺。
3、最适宜的填层厚度，最佳含水率、最适宜的机械组合和最经济合理的压实遍数。
4、由于这两种改良土水分易散失，填筑时应略高于最佳含水率（+1%~+2%）。
集中采用大型机械，分区段快速施工，分段成形，确保在最佳含水率时碾压完毕。
5、每层均需检测合格后方才填筑上一层。
五、工艺流程
（一）粉黏土物理改良工艺流程如下：
（二）细砂改良工艺流程
1、同改良粉黏土施工一样对底层进行检查和准备,然后按设计配比（细砂：
卵石=50%∶50%）用稳定土拌和机或将卵石与细砂折算成体积比（卵石:
细砂=5:
6）用挖掘机将其反复拌和均匀，根据天气和运距不同使混合料的含水量控制在比最佳含水率高2%左右。
2、根据每层细砂掺卵石混合料（即改良土）虚铺30~40cm厚度的需要量，直接将改良土送到路基上，考虑机械碾压施工，两侧加宽量40~60cm，并按此标准分层填筑。
3、上料时应顺前进方向依次卸料，推土机配合，随卸随平。
重车不得在前一层已验收的路基上行走，以免破坏下层路面。
4、经推土机初平的改良土，表面要平整，并具有规定的路拱。
5、用压路机快速碾压1~2遍，暴露潜在的不平整，然后用平地机整平。
平地机由两侧向路中心刮平，必要时返回刮一遍。
6、对于局部的坑洼处，人工配合用齿耙将表面5cm以上耙松，并用新拌和的改良土找平整形。
7、初步整形后，测量检查改良土的松铺厚度，必要时进行补料或减料。
8、在用平地机整形过程中随时用核子密度仪检查填料的含水量。
根据天气和运距，含水量宜超过最佳含水量2%。
如果含水量不够,应用洒水车均匀地喷洒补充水量,如含水量过高应用五铧犁翻耕晾晒至适宜的含水量，再进行下一道碾压工序。
9、用自重15t及以上重型振动压路机辗压，先两侧后中间，纵向搭接不小于40cm，先静压两遍，中间振动两遍，最后再静压两遍，碾压一直进行直到达到要求的密实度为止。
（一般总计6遍即可）
10、每三层用K30车检测K30值，每层用核子密度仪检测压实后的干密度，计算颗粒间孔隙率n′值。
合格报检后方可进行下一层施工。
六、操作要点
（一）施工准备
首先对管段的粉黏土和细砂进行室内物理试验及室外小区段（50~100m）填筑压实试验，分析一些粉黏土和细砂达不到秦沈线检测指标的原因。
然后在室内进行改良试验，对一些改良土在室外同时进行小区段的（50~100m）填筑压实试验，以确定哪一种方案能达到施工要求，并经济适用，同时试验的主要内容有：
最简便和准确的掺配方法，最优含水量控制，最适宜的压实机械类型和最经济压实遍数及工艺。
1、粉黏土改良试验
（1）改良前室内试验及室外填筑试验指标见表1和2。
表1粉黏土改良前室内试验指标
指标
比重
液限（%）
塑性指数
重型击实
无侧限强
度（Kpa）
粘粒含量
＜0.005mm
三轴试验UU
土域
ρdmax（g/cm3）
Wopt（%）
C
φ
辽河
2.60
27.0~31.0
7.4~12.8
1.69~1.80
11左右
35~138
6.9~13.1%
40KPa
33
蒲河
2.64
33.0~34.0
15.0~16.9
1.80~1.84
14左右
325~397
浑河
2.70
28.0~31.9
15.0~16.5
1.88~2.01
12左右
829~1267
注：
根据室内试验指标分析，浑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试验指标
指标
K30值（Mpa/m）
压实系数K
土域
辽河
43.0~76.2
0.90~0.96
蒲河
74.4~76.8
0.92~0.97
（2）改良试验
改良试验方案分为以下二种：
1）掺15%粉煤灰、5%消石灰；
2）掺20%~25%中、粗砂（大于0.1mm颗粒小于50%仍为细粒土）。
经试验，两种方案均可达到设计规定的要求，经反复比较，第2）方案无污染，简单易行，且造价低，所以选择第2）方案。
第2）方案改良后的主要试验指标见表3
表3粉黏土改良后主要试验指标
试验地点
室内试验
室外填筑
指标
液限（%）
重型击实
塑性指数
地基系数K30（Mpa/m）
压实系数K
土域
ρdmax（g/cm3）
Wopt（%）
辽河
26.0~30.0
1.81~1.86
10左右
7.0~12.8
90~140
0.92~0.99
蒲河
27.7~31.2
1.87~2.01
10.1~11.8
11.2~13.9
100~155
0.92~0.99
室内外试验结果表明:
掺20%~25%中、粗砂改良粉黏土，采用适宜的工艺（工艺附后），其压实系数K和地基系数K30均可达到规定的要求。
2、细砂土改良试验
（1）改良前室内试验及室外填筑试验指标见表4及表5。
表4细砂土改良前室内试验指标
比重
最大干密度（g/cm3）
最小干密度（g/cm3）
不均匀系数
曲率系数
＜0.005mm
粘粒含量
2.62~2.63
1.58~1.73
1.19~1.35
1.8~3.1
0.7~0.8
＜5.1%
细砂的颗粒组成为:
小于0.1mm颗粒占总质量1.4%~19.0%;大于0.1mm颗粒占总质量81.0%~98.6%（其中0.1~0.25mm占62.6%~71.4%）；以上指标表明这类细砂为颗粒均匀级配不良的填料。
表5细砂土改良前室外填筑试验指标
相对密度
干密度（g/cm3）
地基系数K30（Mpa/m）
颗粒间孔隙率n′（%）
0.76~0.85
1.66~1.72
41.4~70.0
33.0~37.2
（2）改良试验
改良试验方案分以下6种：
1）83%细砂掺15%粉煤灰，2%水泥；
2）80%细砂掺15%粉煤灰，5%白灰
3）砂掺圆砾（比例见下表2-2-1）；
4）80%细砂掺20%粉黏土；
5）细砂掺砾砂（各种比例）；
6）细砂掺水泥（3%、4%、8%）。
经反复试验，其中1）、2）、3）三种方案室外填筑试验地基系数K30可达到设计规定的要求，但仅有第3）种方案掺50%圆砾，颗粒间孔隙率n′和地基系数K30均可满足要求，（见表6和7）再经反复优化后采用并实施。
表6细砂土改良各种比例及对应室内试验指标
序号
掺配比例
ρ湿
ρ干
Wopt（%）
n′（%）
ρ毛（g/cm3）
1
细砂:
圆砾=4：
6
2.171
2.08
4.28
17.1
2.51
2
细砂:
圆砾=5：
5
2.156
2.05
5.11
18.3
2.51
3
细砂:
圆砾=6：
4
2.096
1.98
6.08
21.6
2.53
表750%细砂掺50%圆砾改良后的主要试验指标
室内试验
室外填筑
毛体积
相对密度
最大干密度（g/cm3）
不均匀系数CU
颗粒间孔隙率n′（%）
地基系数K30（Mpa/m）
颗粒间孔隙率n′（%）
2.51
2.05
5.7
18.3
＞130
＜20（18.3）
注：
卵石粒径20mm~60mm掺配比例为干质量比
3、其它指标及工艺的确定。
（1）室内试验掺配比例均是称量以干重量比来进行，实际填筑时由于量大，则无法使用此法，经反复试验，粉黏土掺配选用了先检测平整初压后的粉黏土干密度及厚度，再按比例计算应在上面摊铺的中粗砂厚度的方法（见后“填筑”），而细砂掺卵石则选用了用稳定土拌和机掺配和换算成体积比用挖掘机按体积比（体积比细砂：
卵石=1.2：
1即6斗细砂掺5斗卵石）反复拌和均匀的方法。
相对其它方法，这两种掺配方法简单易行，掺配准确。
（2）室外试验发现，如按最佳含水率掺配的改良土，由于失水快，等到摊铺完毕开始碾压时，往往已低于最佳含水率，因此碾压效果不佳。
根据试验发现掺配时这二种改良土均应高于最佳含水率+1%~+2.0%，摊铺完毕，应立即碾压。
到最佳含水率时碾压完毕效果最佳。
（3）因为粉黏土改良需用路拌机将中粗砂均匀地拌和掺配到粉黏土中去，因此粉黏土和细砂虚铺厚度应根据路拌机的拌和深度确定，根据中铁一局使用的WCB-30路拌机功能，确定粉黏土虚铺厚度≤30cm，根据压路机压实功能改良后的细砂掺卵石虚铺厚度≤40cm。
（4）因于这两种改良土均失水快，需采用快速连续施工工艺，因此压路机均采用自重15T以上、激振力大于260KN的大型振动压路机。
经各种碾压组合的室外试验发现：
由于这两种改良土均缺少粘性颗粒，过多的振动碾压造成表层许多颗粒随压路机振频一起跳动，因而造成表层产生横向裂纹，推拥，反而不密实、不平整，浪费了机械功率。
经反复试验，确定了合理的碾压工艺如下：
先静压两遍，使过于松散的改良土开始密实，然后中间振动二遍，将中下层振动密实，最后静压二遍，将表面碾压平整，然后检测。
个别达不到的，再静压直至合格。
（一般粉黏土改良总计碾压5遍，细砂改良总计碾压6遍即可）
（二）填筑施工
1、底层准备区段
（1）施工前应对底层进行检查，底层应进行清理碾压，没有任何松散材料和软弱地点，其平整度和压实度应符合规定。
（2）进行施工测量放样，恢复中线和水平控制桩，按要求测放边桩。
2、粉黏土的摊铺及初压区段
（1）根据路基本体填筑的宽度及事先确定的虚铺厚度，计算各段所需粉黏土的数量（粉黏土虚铺厚度≤30cm）根据每层所需虚铺厚度计算每车粉黏土堆放位置及堆放密度。
（2）根据以上计算，把粉黏土间隔均匀地堆置在已经过检验的底层上，用推土机把每堆粉黏土摊铺均匀后，再用平地机初平一次，用重型压路机快速碾压一遍，检查此时粉黏土填筑层的厚度h粉，用核子密度仪快速测得此时粉黏土的含水量W粉及干密度ρd粉。
3、中粗砂的运输及摊铺区段
（1）中粗砂进入工地后，应用核子密度仪快速测量其含水量W砂及干密度ρd砂，根据粉黏土虚铺厚度h粉及干密度ρd粉，即可计算中粗砂的播散厚度h：
h粉×ρd粉
h砂=———————×20%（基床底层25%）
ρd砂
根据中粗砂所需播撒厚度确定每车砂的堆放位置及堆放密度。
（2）按计算的用量和间距把中粗砂堆置在已经初平、初压的粉黏土表层上，用推土机把砂摊铺均匀，再用平地机对砂进行精确摊铺，并检查砂层厚是否符合计算值，如厚度不够应及时补足。
4、混合料的拌合区段
（1）采用路拌机把已分铺好的填料拌合一遍，并用核子密度仪快速测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实验室确定的最优含水率时，应用喷管式洒水车将水均匀地喷洒在干拌后的混合料上，拌和机械应紧随其后进行拌和，用核子密度湿度仪及时检查拌和料含水量，根据天气情况，含水率宜略大于最佳含水率+1%~+2%。
洒水车不应在正在进行拌和的以及当天计划拌和的路段上调头和停留，以防止局部水量过大。
如含水量过高则用五铧犁翻耕晾晒至合适的含水量，则进行下一道工序施工。
（3）将含水量合适的混合料，再用拌合机拌合一到两遍，应使混合料充分拌和均匀。
应设专人跟随拌和机械，随时检查拌和深度，根据实际情况调整拌和深度，严禁在拌和层底部留有素土夹层。
拌和应破坏下承层的表面（约1cm左右，不宜过多），加强上下层粘结。
5、整形及碾压区段
（1）平地机整形:
1）混合料拌和均匀后，先用平地机初步整平和整形。
平地机由两侧向路中心进行刮平。
必要时再返回刮一遍。
2）用压路机快速碾压1～2遍，以暴露潜在的不平整。
3）再用平地机如⑴所述那样进行整形，并用⑵所述机械再碾压一遍。
整形进程中，及时消除坑洼现象。
对于局部坑洼处，应用齿耙将其表面5cm以上耙松，并用新拌的混合料进行找平整形。
4）最后再用平地机整形一次。
每次整形都要按照规定的坡度和路拱进行，并特别要注意接缝处的整平，以保证接缝平顺。
5）整形过程中，必须禁止任何车辆通行。
（2）压路机碾压:
1）整型后，当混合料接近最佳含水量，即可用15t及以上重型振动压路机碾压。
由两侧路肩向路中心碾压，后轮应重叠不小于40cm。
前二遍与最后二遍静压，中间为振动碾压，碾压遍数不少于5遍，直至表面无明显的轮迹,检测合格。
压路机碾压速度头两遍宜采用1.5～1.7km/h，以后用3.0km/h左右。
路面的两侧应多压2～3遍。
2）严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上“调头”和急刹车，以保证改良土层表面不受破坏。
3）碾压过程中，上层表面应始终保持湿润，如表面水蒸发得过快，应及时补洒少量的水。
碾压过程中，如有“弹簧”、松散、起皮等现象，应及时翻开重新拌和，或用其它方法处理，使其达到质量要求。
4）在碾压结束之前，用平地机再终平一次，使其纵、横向平顺，纵向、横向坡度均符合设计要求。
6、检验验收区段
每三层用k30车检测k30值，每层用核子密度仪或灌砂法检测压实度k值。
自检合格及内业资料齐备即可按有关程序向监理工程师报验，如检验合格即可进行下一层改良土的填筑施工，如不合格按《细则》要求进行重新平整碾压直至合格为止。
七、机具设备（见表8）
按每天完成一个施工段落（一般为400m左右）所需的施工机械为：
表8一个施工段落用主要机械设备
序号
名称
型号规格
数量
备注
1
挖掘机
EX300-3
2
改良粉黏土需1台
2
推土机
120A-1
2
3
平地机
160B
2
改良粉黏土需1台
4
五铧犁
农用
1
备用
5
压路机
SD150
2
或激振力>260kN
6
洒水车
5000L~8000L
2
7
自卸汽车
12~20t
30~60
根据距离定
8
路拌机
WCB-30
1
仅改良粉黏土用
八、劳动组织（见表9）
表9改良细砂或者粉黏土，每班施工劳动组织
序号
工种
人数
主要工作内容
备注
1
指挥员
1
组织指挥、调度
2
机械司机
8
挖掘、推土、平地、压路
3
洒水、五铧犁司机
2
洒水或翻耕晾晒
五铧犁备用
4
自卸汽车司机
30~50
改良细砂运拌和好的填料
改良粉黏土运粉黏土和砂
视距离定
5
路拌机司机
1
拌和粉黏土、中粗砂、仅改良粉黏土用
6
普工
2
个别缺陷，辅助平整、整修
7
测试员
4
测量放样，质量检验
九、安全措施
除认真执行路基施工有关安全规则，尚应：
1、机械司机和参与施工人员均须进行施工工艺培训，合格后方才允许上岗。
2、按工艺规定的区段进行施工，划分各类机械作业区段和机械、汽车行驶路
线，设立明确警示牌，防止相互干扰及发生事故。
3、施工便道应保持畅通，经常洒水，防止粉尘污染环境。
十、质量标准及控制
时速200km铁路，质量要求非常高，路基填筑质量关系到工程的成败，因此对改良土施工中铁一局制定了全面和严格的质量控制体系。
围绕《秦沈客运专线铁路路基施工细则》制定了质量控制目标，施工中的每道工序都围绕质量目标进行控制和小结，见表10和表11。
表10质量控制项目，频率及质量标准
序号
项目
质量标准
频率
检验方法
1
含水率
改良细砂最佳含水率+2%
改良粉黏土最佳含水率+1%~+2%
每100m每层5点
核子仪法
2
填筑厚度
改良粉黏土≤30cm
改良细砂≤40cm
每50m每层一控制断面
控制桩，挖坑
3
掺砂量
按规定比例±0.5%
每50m每层测4点
钢尺测铺砂厚度
4
掺卵石量
按规定比例±0.5%
随时抽查
筛分测卵石比例
5
拌和质量
均匀
全面随时观察
筛分和刨坑检查
表11填筑路堤质量及检测要求
项目
规定值或允许偏差
检测频率
检测仪器及方法
顶面高程
±50mm
每100m检测5点
水准仪
中线及路肩边缘
50mm
每100m检查5点
尺量
宽度
≮设计值
每100m检查3点
尺量
横坡
±0.5%
每100m检查2个断面
坡度尺量
平整度
<15mm
每100m检查10点
2.5m长直尺测
压实度
路基本体K≥0.90
改良粉黏土基床底层K≥0.90
每100m每层5点
核子仪法
每200m约0.9m1点
灌砂法
地基系数
改良粉黏土
本体≥90基床底层≥110
每100m每层2点
K30测试仪
改良细砂
本体≥110基床底层≥120
十一、效益分析
1、附近均无合格土源，而山皮石需从80公里之外远运，且量少，不能满足
需要，山皮石难以控制，运来后碾压困难，较难达到秦沈线对粗粒土孔隙率要求。
而改良粉黏土和细砂可就近取材，易碾压成形，施工进度快，质量好，能保证工期、质量和路基填筑所需方量要求。
2、单纯从单价分析，改良粉黏土比远运山皮石每m3可节约造价至少26元，
改良细砂每m3可节约造价至少21元，不包括其它标段，仅中铁一局范围改良粉黏土286.7万m3，改良细砂179.7万m3，共节约造价26元×286.7万+21元×179.7万=11227.9万元，即为1.1亿多元，效益十分可观。
3、充分利用当地荒岗、砂丘、河滩取土，将这些改造成不少平展的农田、鱼塘，推动了当地经济发展，加强了路地关系，这间接的经济效益和社会效益也是巨大的。
4、铁道部各级领导多次到中铁一局指导，都对改良方案和路基质量给予了高度评价，他们讲“中铁一局就东部填料问题连续进行了上百次试验，积累了丰富的技术参数，最后选定了合理的改良方案，为秦沈线建设解决了一大技术难题，也为确保工期赢得了时间”这种社会效益也是巨大的。
十二、工程实例
1999年6月中铁一局即开始承建秦沈客运专线A19、A20标段施工（DK340+000~DK385+000）全长45km，沿线为辽宁省主要粮食产地，90%为农田，沟渠密集，表水发育，取土十分困难，A19标全部取土场为力学性质不良的粉黏土，A20标部分为该类粉黏土，其余均为颗粒均匀、级配不良的细砂，经多方寻找，附近均无再合适的土源，只有从80Km以外远运山皮石，量小不能满足需要且价格昂贵，经过反复试验，经铁道部领导及专家多次研究确认后，我们采用本工法对粉黏土进行掺中粗砂（路基本体掺20%，基床底层掺25%）细砂掺圆砾进行改良（50%：
50%），进行路基填筑，改良后的粉黏土及细砂力学性质大大改善，不但可以进行路基本体，而且都可以进行基床底层填筑，从2000年3月正式开始填筑到2001年6月即全部填筑完毕，仅中铁一局改良粉黏土填筑数量为286.7万m3,改良细砂土填筑数量179.7万m3,填筑速度快质量优良，保证了工期，降低了造价，经铁道部多次组织检查以及铁科院等单位检验，路基质量全线全优，得到了铁道部高度赞扬，创造了巨大的经济效益和社会效益。
执笔人：
张建邦
升级会员 