公路膨胀土路段路基掺灰改良施工技术应用

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公路膨胀土路段路基掺灰改良施工技术应用

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-18 2411 0


  摘要:本文主要阐述了咸宁市长江产业园园区一级公路建设过程中膨胀土路基掺灰改良技术处理措施,并对膨胀土如何掺灰改良做了分析,采取了相应的技术处理方案,取得了较好效果,其施工方法可供类似相关工程参考。

  关键词:公路;膨胀土;石灰改良;施工技术

  引言

  咸宁长江产业园位于咸宁市中心城区以北,为了城市建设需要,市政府提出建设工业新城,于2005年开始按一级公路标准新建道路工程,为咸宁市招商引资提供良好的发展环境和加快经济发展打下先行基础。该园区道路纵横交错共计5条10余公里,全部按公路一级标准交由咸宁市交通局负责建设,路面宽度从16m—40m不等,其中还有市政管网工程横穿其中,增加了工程施工的难度,同时也一定程度影响路基的整体性强度,加之园区道路所在区域是工业新城,市政建设等大型运输车辆需要经过这些路段进入园区,园区公路路基整体质量显得尤为重要,因此,在诸多问题中我们分析得出膨胀土是影响公路质量最突出的因素。如果处理不好,往往给路基质量留下隐患。针对这种特殊地质,对该项目膨胀土路段进行了掺入石灰进行改良,并提出了相应的施工处理措施和注意事项。

  1、园区膨胀土工程特性

  膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著胀缩特性的土体,它的成分主要由强亲水性矿物(蒙脱石和伊利石)组成。膨胀土吸水膨胀、失水收缩,并有反复变形的性质以及土体中杂乱分布的裂缝,对土石方路基和工程结构物具有严重的破坏作用,时刻影响施工质量,同时毁坏农田,破坏生态[1].咸宁市长江产业园区域内土质情况复杂多变,有强膨胀土、中膨胀土和弱膨胀土三种类型,其中强膨胀土比例较大,难以处理。根据现场调查和试验分析,该区域内膨胀土的工程特性大致可以归纳如下。

  1.1 胀缩特性  膨胀土吸水后体积膨胀,使其上面的建筑物或路面隆起,如膨胀受阻即产生膨胀力;失去水分后体积收缩,造成土体开裂,并使其上面的建筑物下沉。

  1.2 多裂隙性  膨胀土中的裂隙,主要表现为垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体层分割成具有一定几何形状的块体,如棱块状、短柱状等,破坏了土体的完整性。膨胀土路基边坡的破坏,大多与土中裂隙有关,且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面控制。

  1.3 超固结性  膨胀土大多具有超固结性,天然孔隙比较小,干密度较大,初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后,将产生土体超固结应力释放,边坡与路基面出现卸荷膨胀,并常在坡脚形成应力集中区和塑性区,使边坡容易破坏。

  针对膨胀土的这些影响及破坏,目前我们采用的改良方法主要是化学改性。在膨胀上中掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠和磷酸等外掺稳定剂对其进行改性。几种外掺剂通过经济对比分析和可操作性分析,其中,利用石灰改良膨胀土是最普遍、最有效、最经济的方法。

  2、石灰改良土的改良机理[3]

  在改良过程中,石灰与膨胀土发生以下作用:

  (1)阳离子交换作用

  石灰中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子如:Na+,K+,H+发生交换作用,使土颗粒胶体的双电层中扩散层变薄,土颗粒间结合力增强,土体强度提高,改善土体性质。由于石灰中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子发生交换作用,改变了土颗粒表面的带电性质,从而使胶体颗粒加速絮凝,小的团粒相互凝聚变成大的团粒。

  (2)胶凝作用

  石灰中的CaO与土中的SiO2、Al2O3发生反应,生成复杂的化合物,如硅酸钙盐、铝酸钙水化物,产生较强的粘结作用,使改良土的强度提高。

  (3)碳酸化作用

  改良土中的石灰与空气中的CO2发生钙化反应,生成CaCO3使土硬化,起到了固化土体的作用。

  (4)由于生石灰与水在熟化过程中,发生吸水、发热、膨胀作用,可以降低土体含水量,促进土体的固结,这也有助于土体强度的提高。

  3、膨胀土施工处理技术

  3、1膨胀土路基施工技术方案

  咸宁长江产业园一级公路工程在施

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工过程中,金桂路、十六潭路和外环路是膨胀土分布比较丰富的路段,路基施工前经过多次取土样并结合地质钻探资料,发现山体地表以下仅有2—3m厚的细黄土,其余大部分挖方均为膨胀土,使得设计上的利用土方不能直接利用,将会产生大量的借方和弃方,增加较大的建设成本,通过对比分析,决定对填方路段采用路基及周边山体覆盖层上部2-3米的细黄土填筑,路基范围内2-3米以下的膨胀土作弃方处理,用作园区填土。而对挖方达到路基标高后的路床膨胀土路段决定采用掺灰改良处理。我们采取两种施工方法进行改良。

  (1)厂拌施工方法:对于咸宁长江产业园外环路K2+500—K2+900段挖方路段,膨胀土分布地段不连续,待挖至路基顶面标高后,仍然可见含水量较大的膨胀土,呈梅花状分布于路基上,因此我们采取局部换填改良石灰土的办法进行施工操作,采用换填改良土,先将存在膨胀土路基一定面积范围内的土挖深80cm运弃再选取较好的细黄土掺5%的石灰拌和均匀,充分闷料后运至工地现场,控制每层20cm左右碾压成型。施工期间,严禁各种车辆在换填处理路段行驶。

  (2)路拌施工方法:对于咸宁工业园金桂大道K1+120—K1+300段、十六潭路k2+000-k2+500段、外环路k1+300-k2+000段挖方路段,膨胀土连续大面积出现,决定采用路拌施工方法全断面用路拌机后齿将膨胀土地段翻耕,翻耕厚度20cm,连续反复多次地来回翻耕,至土块粒径大于5cm的比率小于6%时,再将消解好的石灰按5%—7%的比例用量均匀撒布在翻耕路段,然后路拌机拌和,再次检测含水量,如果含水量还偏大,可以再均匀撒布2%左右的石灰剂量,路拌机再次拌和,直到测得含水量符合碾压要求,平地机找平,再行碾压,并限制重车通行。

  上述两种方法,针对不同路段膨胀土的不同分布情况作了两种不同施工方法,既减少了工程造价,又保证了工程质量,通过检测分析,两种方法应用比较成功,同时达到了良好的质量效果。

  3.2膨胀土路基施工注意环节

  针对膨胀土失水时为硬土块,吸水时为泥团的特性,要选择适合的路拌机械。首先应根据设备的性能确定土的松铺厚度,松铺厚度过厚,造成掺石灰后拌和机械拌不透而产生夹层,因此规定松铺厚度控制在20cm左右,压实厚度不得大于15cm.同时土块粒径施工技术规范规定在5cm以下,但实践发现,土的含水量大时,生石灰粉无法彻底与原装膨胀土发生机理反应,生石灰粉达不到彻底降低其含水量和消除其膨胀性的目的。土块不能和石灰充分结合仍是粘土块,特别是温度较低时,水分又不易蒸发,碾压后路基土层顶部片状土饼十分明显,大大影响路基质量。因此,可要求土块粒径控制在3cm以下,使土中水分易于蒸发,和生石灰粉充分结合,减少土块本身的膨胀率,有利于提高压实效率。当土的含水量小时,也要用路拌机拌合,避免造成扬尘污染环境。施工时应特别注意要经常检查拌合深度和均匀程度,避免素土夹层。压实时应控制在最佳含水量,如果掺灰拌和后含水量较小,则不能及时碾压,要洒水拌和均匀,达到最佳含水量时方可碾压。压实经检验合格后马上进行下一步的施工:1)避免水分的蒸发,避免含水量降低造成表面干裂,降低灰土的强度。2)对石灰土起到覆盖养生的作用。总之,各道工序要紧密衔接,连续施工,分段完成。土层压实后如果不能及时上土应采取覆盖措施。

  3.3检测评定

  为了准确说明膨胀土在掺灰前后路基承载力路基弯沉值、CBR值、压实度是否有所变化,在现场做了比较分析,具体为:

  上路床膨胀土路段路基改良前后关键参数对比表(掺灰率7%)

  

  弯沉值 CBR值 压实度 桩号 掺灰前 掺灰后 掺灰前 掺灰后 掺灰前 掺灰后 K1+120 305 120 35 108 68 97 K1+150 308 108 30 108 78 95 K1+170 280 150 33 110 76 96 K1+190 600 180 45 90 75 96 K1+210 540 120 35 88 80 96 K2+630 380 100 40 100 78 95 K1+250 600 158 40 98 79 96 K1+270 450 120 35 85 77 97 K1+290 480 120 37 90 80 97 K1+310 500 156 40 98 80 97 K1+330 500 156 41 100 78 96 K1+350 380 120 38 89 78 97

  根据《公路土工试验规程》、《公路工程路基施工技术规范》[4]现场分析得到,经过对比分析,膨胀土路段未掺灰前,膨胀土路段路基弯沉值明显高出设计值200,CBR值比规范值要低,压实度全部不合格,而这三项硬指标,是公路工程行业检测路基是否满足验收条件的常规指标,这些参数的不合格,直接对路基的质量进行了否决权,该项目通过掺灰很大程度提高了路基土的CBR值,且压实度,弯沉值大幅降低,通过多项试验检测和参照《公路土试减强规程》、《公路工程路基施工技术规范》,经过分析,得出改良后的CBR值,压实度,弯沉值满足公路技术规范要求。通过近4年来通车运行情况来分析,2007年通车运行后的沉降量说明到2008年后基本稳定,无明显增加,通过表观分析,该路段水泥砼路面未出现断板、裂缝,唧泥等病害,说明处理后的路基整体强度相对较稳定。改良路段符合技术强度等级要求,得出膨胀土路段掺灰对土的改良起到了较好的效果,体现出了有较好的经济价值和社会效益。

  4、结束语

  (1)对于膨胀土,石灰是一种很好的改良剂。一定剂量的石灰可使膨胀土体的膨胀性能显著降低,但这种降低并不是无限制的。试验路段采集的弱膨胀土经石灰改良处理后,土的颗粒组成、物理性质、胀缩特性等均有明显改善,强度得到提高。

  (2)掺入石灰改良膨胀土的过程就是降低其膨胀性,提高其强度的过程,随着石灰的掺入,膨胀土体的各项指标,路基沉降量的观测等,最优含水量和CBR值出现不同程度的提高,说明石灰改良膨胀土的方法是较好的。

  总之,膨胀土是影响道路施工的一种特殊土质,在实际工程中,其破坏力是巨大的。解决膨胀土的问题,应着重从影响其物理、力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑,从而通过改变土的力学性质达到处理的目的。本文通过咸宁长江产业园道路中处理膨胀土的措施应用,并取得了良好效果和经济效益,这对优化膨胀土地区路基设计与施工有一定的借鉴作用。

  参考文献:

  [1]廖世文,李斌。特殊地区公路-膨胀土地区[M]。北京:人民交通出版社,1993.[2]吴菊香,徐鼎平。石灰改良膨胀土在路基工程中的应用[J].矿业快报,2005,(9):76~78

  [3]徐敦美。膨胀土路基石灰改良施工工艺试验研究[D].四川:西南交通大学,2005

  [4]JTGE40—2007.公路土工试验规程

  [5]JTGF10—2006.公路路基施工技术规范


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