淺談風積沙路基填筑的關鍵施工技術

杜國發 嚴少發

1 工程概況

新建甘旗卡—庫倫鐵路工程經過內蒙古自治區東北部的通遼市科爾沁沙地,全線風沙地區路基23處,總長47.891 km。有密集的新月形沙丘鏈群與格狀沙丘(蜂窩狀沙丘)交替分布。風積沙路基施工是影響工程質量的一個關鍵因素。在施工中,我們通過現場操作驗證等手段,結合風積沙的特性,確定并完善了相對科學的風積沙路基的關鍵施工工藝。

2 風積沙的特性

2.1 風積沙的基本物理化學性質

試驗表明:內蒙古自治區甘庫鐵路工程所在地區的風積沙一般具有結構松散、級配不良、孔隙率大、透水性強、保水性較差、水穩性好、粘聚力小甚至無粘聚力、抗剪強度低的特點,其礦物成分以石英、長石、云母為主,易溶鹽含量很小,其化學性質呈微堿性,無腐蝕性。自然狀態下的風積沙,其含水量很低,最低不足1%,最大不超過5%;干容重一般為1.4 g/cm3,濕容重大約為1.5 g/cm3,壓實后的最大干密度可達1.76 g/cm3～2.0 g/cm3,為天然狀態下的1.2倍～1.4倍。

風積沙的顆粒組成一般很細且十分均勻,其不均勻系數Cu一般在2.6～3.1左右、曲率系數Cc在0.9～1.6左右,粒徑在0.25mm～0.074mm含量可占到總量的85%～95%,即顆粒粒徑的分布比較集中,級配曲線較陡,屬于顆粒級配不良砂,有時,風積沙也會含有一定塑性成分。從取樣12組試樣的分析結果來看,其液限一般在20左右,塑限一般在15左右,塑性指數一般在4～7之間。但不管是否含有塑性成分,取樣63組試驗數據得到的顆粒級配曲線都比較陡,顆粒級配比較相近,離散性不大。

2.2 風積沙的基本力學性質

由于風積沙上述特殊的物理性質,它的壓縮變形小,壓縮量與荷載呈指數關系:回彈模量較大(一般在70 MPa～90 MPa),在荷載反復作用下其值可大于100 MPa;常規的重型擊實無法測出其最大干密度,CBR值也無法測出;粘聚力c值很小,在干燥狀態下幾乎為零,在有一定含水量的情況下,由于毛細作用產生的吸力,表現出一定的假粘聚力。

3 風積沙路基填筑的關鍵施工技術

3.1 風積沙最大干密度的確定

目前國內沒有成熟的沙區路基施工技術規范、施工工藝和方法,風積沙作為路基填料,其最佳含水量和最大干密度如何確定,現行規范中仍沒有明確規定。為適應甘庫鐵路風積沙路基的需要,確保風積沙填筑路基的工程質量,必須合理確定風積沙的最大干密度。在室內通過風積沙在不同的含水量情況下使用表面振動壓實儀法和擊實試驗法取得試驗數據,在室外通過修筑試驗路,用不同的機具組合進行風積沙路基的壓實試驗,來對室內試驗數據進行驗證。經驗證,用擊實試驗法得到的最大干密度偏小,用飽水表面振動壓實儀法得到的最大干容重與實際比較接近,所以推薦用飽水表面振動壓實儀法作為確定風積沙最大干容重的標準試驗方法。

3.2 風積沙的上料、布料

在上料、布料過程中,因風沙路基自身粘聚力太小,載重車輛輪胎容易陷入路基砂體而影響施工順利進行。對此,一方面選用自重較輕的運輸車輛,另一方面,結合本工程特點,線間在填筑完成并經檢驗合格后的路基中央修建1條厚0.2 m,寬4 m的運料通道,經碾壓密實后,便于自卸車、灑水車等在后續工作中不至于陷車而影響施工進度。

3.3 碾壓設備的選擇

在采用ZY18型壓路機進行碾壓時,壓路機受到砂土沉陷引起的行駛阻力和碾輪前壅土現象造成的阻力而無法行走。因此,采用普通壓路機無法完成碾壓作業。

改用JIONTARK-YZTY20K型拖式振動羊足碾(自重200進行碾壓,牽引采用山推T160型推土機,在填砂路基上進行了來回4遍碾壓,其碾壓輪跡深度達12 cm,這凸出的12 cm砂土相當松散。其原因是羊足碾的羊角在行走時,將路基面層的砂土擠壓上來,造成松散狀。對采用羊足碾碾壓4遍的路基進行了K30試驗,其檢測出的K30值為38 MPa/m,而對旁邊只是采用山推T220型推土機進行了2遍碾壓的部位同樣進行K30試驗,所檢測出的K30值為48MPa/m。這說明羊足碾不僅沒有達到碾壓密實的作用,反而因為其特有的羊足行走,擾動了砂土本來的穩定性,造成了不密實。因此采用拖式振動碾(羊足碾)不合適。

采用推土機碾壓可解決在砂地上的行走問題,同時,因推土機的齒塊嵌入沙層,增大了對砂土的單位面積壓力值,事實上起到對砂土的插入搗固作用。通過現場試驗,原地面未碾壓前的地基系數很低,孔深8 cm和18 cm處,天然地基系數K30值分別為29MPa/m和37MPa/m,而經過TY220推土機碾壓7遍后,地基系數有顯著提高,分別達到145MPa/m和140M Pa/m,說明推土機對地基的壓實作用明顯。故采用推土機作為壓實機械對風沙路基施工是合適的,且以自重噸位大為宜。經過試驗得知,推土機功率不應小于140馬力。

同時,為了達到更好的效率組合,本工程采用了重型前后輪驅動振動壓路機,以18 t～25 t為宜,激振力在250 kN～300 kN。

3.4 土工格柵的鋪設

土體一般具有一定的抗壓強度,但抗剪強度很低,如果在土體中加土工格柵,以土工格柵為抗拉構件,與土產生互相摩擦作用,限制其上下土體及土體的側向變形,等效于給土體施加了側壓力增量,從而增強土體內部的強度和整體性,獲得準粘聚力和增大其內摩擦角,提高土體的抗剪強度。土工格柵作為路堤加筋作用時,它除了可以提高地基承載力和增加了路堤的穩定性以外,最主要的作用就是減少堤底的差異沉降。

1)鋪設要求:首先基層面要進行整平碾壓,平整度不大于50mm,壓實度達到規范要求。表面嚴禁有碎石、塊石等堅硬凸出物。其次選擇合格的土工格柵,在測定的范圍內進行鋪設。將土工格柵平鋪于基層面上,鋪設寬度和其他尺寸按設計要求設置。用自制U形扒釘從一端向另一端依次固定。扒釘間距5 m,土工格柵接縫處用4根扒釘固定。土工格柵沿路線縱向鋪設,橫向接縫時重疊寬度不小于50 cm。在鋪設接頭時,根據路基縱坡低的一幅在下,高的一幅在上,鋪設過程中,應將土工格柵拉緊鋪平。2)鋪設的質量指標:土工格柵鋪設時應拉平拉直,幅與幅之間沒有搭接,鋪設時與路基面密貼不容許有褶皺。鋪好后應及時填筑填料,不得長時間受陽光直接曝曬。土工格柵鋪設完成后首先要進行自檢,自檢合格后報監理檢查、簽證,合格后進行上料、攤鋪、填筑。鋪設攤平時,嚴禁各種機械設備在裸露的土工格柵上通行作業,卸土后土工格柵幅寬范圍內由人工鋪土并攤平,防止被機械設備碾斷以保證土工格柵平整,不起鼓,不起皺。

4 結語

由于風積沙無粘聚性,表面松散,級配差,壓實較為困難且難以形成強度較大的整體,因此給施工帶來諸多不便。但只要我們能充分認識和利用風積沙的各種特性,并采取有效的措施,抓住關鍵施工技術,就能使其發揮最大的作用,成為良好的路基材料,以得到廣泛應用。那么,在少砂石料而風積沙資源豐富的地區,可以就地取材,節省造價,提高社會和經濟效益。

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