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摘要:石灰改良膨胀土需加强对含水率,含灰率,颗粒细度三项施工参数的控制,使得石灰改良膨胀土填料取得预期效果,施工过程中应注意环境保护。
关键词:石灰改良膨胀土 施工
1 前言
膨胀土主要是由亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石等组成的,是具有干缩湿胀性、多裂隙性和超固结性的高塑性粘性土,随着含水率的变化会产生较强烈的体积和力学性质的变化,受气候影响明显,对工程危害极大,属不良填料,不能直接使用。然而膨胀土在我国广泛分布,在这些地区修建的普通铁路,膨胀土路基完好率仅为25 %,路基基床病害相当普遍。常见的病害有:基床翻浆冒泥、路肩鼓胀、路堑侧沟壁挤出等,边坡浅层滑坍和深层滑动的比率也较大,而且具有渐进性和长期性的特点,因此,在膨胀土地区修建铁路尤其是客运专线,就需从科研、设计、施工等方面共同对膨胀土做为填料、膨胀土低路堤、深路堑提出合理的处理方案。
对膨胀土的大规模研究始于上世纪中叶,通过多年的研究和实践人们发现:1、在膨胀土中掺入适量的石灰,其物理指标和力学特性能得到明显的改善,可以做为填料,与掺入其它固化剂(粉煤灰、水泥)相比经济上也较为合理,用路拌法、集中场地路拌法、厂拌法施工石灰改良膨胀土路基,都能取得较好的工程效果;2、低路堤与路堑设计、施工时需考虑干湿循环影响深度,从而确定换填,化学试剂改良,拱形骨架内植草等处理方案。本文就这两方面谈谈浅见。
2 石灰改良膨胀土施工工艺
石灰改良膨胀土的施工工艺主要目前有三种:路拌法、厂拌法、集中场地路拌法。
2.1 石灰改良膨胀土施工工艺流程
厂拌法是将待拌和的填料运至一个集中的拌和场地,将其进行破碎、并用稳定土拌和设备拌和,再将拌好的改良土运至待填的路基处,然后进行平整、摊铺压实的施工方法。厂拌法施工工艺流程见图I。
路拌法是直接将膨胀土填料运至需要填筑处,将其均匀摊铺,再均匀地撒布石灰然后用路拌机直接在其上进行拌和,拌和均匀后进行平整、压实的路基施工方法。路拌法施工工艺流程图见图2。
集中场地路拌法是在一个定点拌和场上,布灰,路拌机就地拌匀,然后再运至路基面进行摊铺平整、压实。其工艺流程与厂拌法相同。
2.2 石灰改良膨胀土施工工艺参数控制
路拌法、集中场地路拌法、厂拌法三种施工工艺都是为了增加混合料颗粒的比表面积,含灰率均匀,使石灰与土能充分接触并发生反应,以达到降低其胀缩性,增强其水稳性和耐久性的目的。
在施工过程中质量控制主要有三个参数:1、含水率;2、颗粒细度;3、含灰率及均匀性。
2.2.1 含水率控制
膨胀土粉碎拌和的过程中,受气温、粉碎拌和、膨胀土与石灰产生化学反应等因素的影响,含水率会降低。常需洒水重新拌和,既影响施工进度,又增加生产成本,所以在破碎拌和前,应按"稍高勿低"的原则控制膨胀土的含水率。
路拌法施工时,拌和前填料含水率应稍高于最佳含水率Wopt,一般控制在Wopt+2%～Wopt+4 %范围内(根据合宁膨胀土试验段研究成果建议)。
厂拌法施工工艺中,含水率的大小直接影响着其粉碎机械的粉碎功效和质量。因此为了使粉碎机械能正常发挥其能力,含水率宜控制在其最佳击实含水率附近,其粉碎效果较好,产量较高,大于15mm的颗粒含量较小。
2.2.2 颗粒细度控制
混合物颗粒粒径越小,比表面积越大,石灰与膨胀土接触越充分,其改良效果越好。在现有的铁路规范中对破碎拌和后颗粒粒径大小,没做规定,公路规范要求最大粒径不能大于15mm。合宁膨胀土路基试验段对拌和遍数与颗粒粒径的对应关系及颗粒粒径控制标准进行了研究,建议路拌法颗粒粒径控制标准定为大于15mm颗粒粒径含量小于20 %,厂拌法颗粒粒径控制标准定为破碎的颗粒粒径最大不得大于15mm。
2.2.3 含灰率及其均匀性控制
含灰率的控制包括两个方面,一是含灰率应满足设计要求,考虑到施工中石灰的损耗,一般施工含灰率比设计含灰率大0.5%;二是含灰率应均匀。
在路拌法中,含灰率的均匀取决布灰的均匀性和合适的拌和遍数。布灰的均匀是使整个拌和区含灰率均匀的前提,因为路拌机只能使局部地区的上下层拌和均匀,可通过在布灰前平整作业面,划方格网进行控制;而合适的拌和遍数是使整个拌和区含灰率均匀的保证,也是控制施工成本的主要因素之一。
厂拌法中,可以根据设计提供的含灰率设定计量设备,易于控制改良土的含灰率。但是应注意,石灰扬尘易造成润滑部件损毁,从而导致含灰率的改变。因此应定时对稳定土拌和设备出料口的改良土做含灰率的检测,确保工程质量。
2.3 石灰改良膨胀土三种施工方法特点比较
2.3.1 施工作业面。路拌法所拥有的布灰拌和的工作面比较多,但拌和时存在死角,需要人工拌和或用厂拌法改良的填料替代进行填筑,且易形成素土夹层。集中场地定点路拌法所拥有的布灰拌和工作面较少,如果是在取土场进行布灰拌和,可以清表平整后直接布灰拌和,然后把粉碎拌和合格的填料直接运到填筑面进行填筑,如果是另选场地拌和时,就需把土倒运到拌和场地进行粉碎拌和,然后把粉碎拌和合格的填料运到填筑面进行填筑,比路拌法多了一个倒运过程;厂拌法与集中场地定点路拌法一样。
2.3.2 施工质量。厂拌法比路拌法粉碎的颗粒细、掺灰剂量准确、均匀,生产集中,施工工序明确,质量易控制的特点,但厂拌法施工强度相对比路拌法高,产量低。路拌法填筑施工掺灰量的准确性及均匀性较难控制。且人工摊铺石灰工效不高,若用石灰撒布车撒布石灰工效高,计量准确,均匀性好,但国内没有厂家生产此设备。
2.3.3 施工效率。厂拌法粉碎、拌和一遍的产量,平均可达到220t/h(与稳定土拌和设备能力有关),产量不高,对施工进度有一定影响。路拌法粉碎、拌和,1台路拌机实际产量可达到360t/h(国产的机械粉碎、拌和4遍),产量远远大于厂拌法施工。集中场地定点路拌法产量受场地大小的影响较显著,如果场地大小合适,能充分发挥路拌机的能力,达到路拌机标定产量。
2.3.4 环境影响。厂拌法对环境具有一定污染,但若封闭作业,可减少扬尘,目前有一种稳定土拌和设备从进料到出料均在封闭环境下作业,对环境影响极小。路拌法,对环境的污染主要发生在布灰和拌和阶段,其工作面呈线形,对环境污染面广,且无法封闭作业。集中场地定点路拌,布灰和拌和集中在一处,对环境污染危害比路拌法小,且可进行半封闭施工,在布灰拌和场所四周修建隔离设施。
2.3.5 经济比较。厂拌法所需成本最高,集中场地定点路拌法次之,路拌法最低。合宁全椒膨胀土试验段研究成果之一:路拌法石灰(5 %)改良土的单价为43.7元/m3;集中场地定点路拌法石灰(5 %)改良土单价为51.3元/m3;厂拌法石灰(5 %)改良土单价为63.6元/m3。
3 石灰改良膨胀土质量检测及控制标准(时速200km/h)
(1)石灰改良膨胀土的含灰率及颗粒粒径控制及验收标准应符合表1的规定
(2)石灰改良膨胀土基床底层质量检验标准
当采用A、B、C组填料及改良土作为基床底层路基填料的质量检验标准如下:地基系数K3。(MPa/m)≥110;压实系数K≥0.95 。
(3)石灰改良膨胀土基床底层以下路堤质量检测标准
当采用A、B、C组填料及改良土作为基床底层以下路基填料的质量检验标准如下:地基系数K3。(MPa/m)≥90;压实系数K≥0.90 。
4 膨胀土路基施工注意事项
4.1 环境保护
石灰改良膨胀土施工中,容易造成对环境的污染。石灰是碱性物质,其扬尘,碱化土壤,降低农作物的产量,破坏自然环境。因此加强对石灰扬尘的控制,切实保护自然环境,是石灰改良膨胀土施工中应注意的首要问题。
为了保护自然环境,在改良膨胀土施工过程中,减少甚至避免石灰扬尘,需从两个方面着手,一是思想上高度重视,管理上加强监督;二是在技术上严格把关。石灰改良膨胀土施工中,需要各级负责人思想上高度重视对环境的保护,加大在环境保护方面的投资力度,能把各项环保措施落实到位。技术上,应对石灰在运输、储存、磨细、消解、撒布、拌和等各环节制定相应环境保护措施。制定的原则是尽量避免石灰扬尘。另外,与石灰接触的工作人员,需穿戴防护工作服。
4.2 雨、雪天气施工防护措施
施工前,应与地方气象部门联系,掌握当地的气候变化情况,避免雨季施工,并在雨、雪天气做好防护措施。施工前在路基(路堑)边坡范围外挖临时排水沟使雨水能及时排走,施工过程中,应保持临时排水系统的完善和畅通,同时应备适量的防水材料(如彩条布),能满足雨、雪天气时,对高路堑边坡、集中定点路拌场地等受雨水影响大的部位的表面覆盖,雨停后能立即恢复生产,把雨雪天气对施工的影响降到最低程度。
4.3 边坡的临时防护
边坡的防护是指在施工期间设计防护措施没施工完成前的临时防护,包括路堑边坡和路堤边坡临时防护。
4.3.1 路堑边坡临时防护
(1)天沟开挖后,应及时砌筑封闭,严禁裸露时间过长,以防雨水由开挖处下渗,导致路堑边坡坍塌。
(2)堑顶附近严禁弃土或堆放建筑材料。边坡应及时防护,当不能及时防护时,应适当预留一定厚度的保护层。
(3)应准备足够的防雨材料,用于雨天覆盖边坡,同时路堤两侧临时排水沟保持畅通。
4.3.2 路堤边坡临时防护
(1)路堤因填筑压实需要而加宽的50cm,在刷坡时,若不能及时修筑永久性防护设施,应留l0cm左右,直到修筑永久性防护设施时才刷到设计位置。
(2)当基床表层级配碎石施工完成后,永久性防护设施没修筑完成前,可在路基面沿路肩线修筑临时截水槽,在边坡上修筑临时排水沟,把雨水集中引导排放。
5 结语
石灰改良膨胀土路基施工需加强施工过程控制,尤其是含水率、含灰率、颗粒细度三项施工参数的控制,使得石灰改良膨胀土填料取得预期效果,达到路基对稳定性与耐久性要求。施工过程中应注意环境保护与临时排水设施的修建,低路堤、深路堑需考虑干湿循环的影响,及时排水,及时防护,及时封闭。
关键词:石灰改良膨胀土 施工
1 前言
膨胀土主要是由亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石等组成的,是具有干缩湿胀性、多裂隙性和超固结性的高塑性粘性土,随着含水率的变化会产生较强烈的体积和力学性质的变化,受气候影响明显,对工程危害极大,属不良填料,不能直接使用。然而膨胀土在我国广泛分布,在这些地区修建的普通铁路,膨胀土路基完好率仅为25 %,路基基床病害相当普遍。常见的病害有:基床翻浆冒泥、路肩鼓胀、路堑侧沟壁挤出等,边坡浅层滑坍和深层滑动的比率也较大,而且具有渐进性和长期性的特点,因此,在膨胀土地区修建铁路尤其是客运专线,就需从科研、设计、施工等方面共同对膨胀土做为填料、膨胀土低路堤、深路堑提出合理的处理方案。
对膨胀土的大规模研究始于上世纪中叶,通过多年的研究和实践人们发现:1、在膨胀土中掺入适量的石灰,其物理指标和力学特性能得到明显的改善,可以做为填料,与掺入其它固化剂(粉煤灰、水泥)相比经济上也较为合理,用路拌法、集中场地路拌法、厂拌法施工石灰改良膨胀土路基,都能取得较好的工程效果;2、低路堤与路堑设计、施工时需考虑干湿循环影响深度,从而确定换填,化学试剂改良,拱形骨架内植草等处理方案。本文就这两方面谈谈浅见。
2 石灰改良膨胀土施工工艺
石灰改良膨胀土的施工工艺主要目前有三种:路拌法、厂拌法、集中场地路拌法。
2.1 石灰改良膨胀土施工工艺流程
厂拌法是将待拌和的填料运至一个集中的拌和场地,将其进行破碎、并用稳定土拌和设备拌和,再将拌好的改良土运至待填的路基处,然后进行平整、摊铺压实的施工方法。厂拌法施工工艺流程见图I。
路拌法是直接将膨胀土填料运至需要填筑处,将其均匀摊铺,再均匀地撒布石灰然后用路拌机直接在其上进行拌和,拌和均匀后进行平整、压实的路基施工方法。路拌法施工工艺流程图见图2。
集中场地路拌法是在一个定点拌和场上,布灰,路拌机就地拌匀,然后再运至路基面进行摊铺平整、压实。其工艺流程与厂拌法相同。
2.2 石灰改良膨胀土施工工艺参数控制
路拌法、集中场地路拌法、厂拌法三种施工工艺都是为了增加混合料颗粒的比表面积,含灰率均匀,使石灰与土能充分接触并发生反应,以达到降低其胀缩性,增强其水稳性和耐久性的目的。
在施工过程中质量控制主要有三个参数:1、含水率;2、颗粒细度;3、含灰率及均匀性。
2.2.1 含水率控制
膨胀土粉碎拌和的过程中,受气温、粉碎拌和、膨胀土与石灰产生化学反应等因素的影响,含水率会降低。常需洒水重新拌和,既影响施工进度,又增加生产成本,所以在破碎拌和前,应按"稍高勿低"的原则控制膨胀土的含水率。
路拌法施工时,拌和前填料含水率应稍高于最佳含水率Wopt,一般控制在Wopt+2%～Wopt+4 %范围内(根据合宁膨胀土试验段研究成果建议)。
厂拌法施工工艺中,含水率的大小直接影响着其粉碎机械的粉碎功效和质量。因此为了使粉碎机械能正常发挥其能力,含水率宜控制在其最佳击实含水率附近,其粉碎效果较好,产量较高,大于15mm的颗粒含量较小。
2.2.2 颗粒细度控制
混合物颗粒粒径越小,比表面积越大,石灰与膨胀土接触越充分,其改良效果越好。在现有的铁路规范中对破碎拌和后颗粒粒径大小,没做规定,公路规范要求最大粒径不能大于15mm。合宁膨胀土路基试验段对拌和遍数与颗粒粒径的对应关系及颗粒粒径控制标准进行了研究,建议路拌法颗粒粒径控制标准定为大于15mm颗粒粒径含量小于20 %,厂拌法颗粒粒径控制标准定为破碎的颗粒粒径最大不得大于15mm。
2.2.3 含灰率及其均匀性控制
含灰率的控制包括两个方面,一是含灰率应满足设计要求,考虑到施工中石灰的损耗,一般施工含灰率比设计含灰率大0.5%;二是含灰率应均匀。
在路拌法中,含灰率的均匀取决布灰的均匀性和合适的拌和遍数。布灰的均匀是使整个拌和区含灰率均匀的前提,因为路拌机只能使局部地区的上下层拌和均匀,可通过在布灰前平整作业面,划方格网进行控制;而合适的拌和遍数是使整个拌和区含灰率均匀的保证,也是控制施工成本的主要因素之一。
厂拌法中,可以根据设计提供的含灰率设定计量设备,易于控制改良土的含灰率。但是应注意,石灰扬尘易造成润滑部件损毁,从而导致含灰率的改变。因此应定时对稳定土拌和设备出料口的改良土做含灰率的检测,确保工程质量。
2.3 石灰改良膨胀土三种施工方法特点比较
2.3.1 施工作业面。路拌法所拥有的布灰拌和的工作面比较多,但拌和时存在死角,需要人工拌和或用厂拌法改良的填料替代进行填筑,且易形成素土夹层。集中场地定点路拌法所拥有的布灰拌和工作面较少,如果是在取土场进行布灰拌和,可以清表平整后直接布灰拌和,然后把粉碎拌和合格的填料直接运到填筑面进行填筑,如果是另选场地拌和时,就需把土倒运到拌和场地进行粉碎拌和,然后把粉碎拌和合格的填料运到填筑面进行填筑,比路拌法多了一个倒运过程;厂拌法与集中场地定点路拌法一样。
2.3.2 施工质量。厂拌法比路拌法粉碎的颗粒细、掺灰剂量准确、均匀,生产集中,施工工序明确,质量易控制的特点,但厂拌法施工强度相对比路拌法高,产量低。路拌法填筑施工掺灰量的准确性及均匀性较难控制。且人工摊铺石灰工效不高,若用石灰撒布车撒布石灰工效高,计量准确,均匀性好,但国内没有厂家生产此设备。
2.3.3 施工效率。厂拌法粉碎、拌和一遍的产量,平均可达到220t/h(与稳定土拌和设备能力有关),产量不高,对施工进度有一定影响。路拌法粉碎、拌和,1台路拌机实际产量可达到360t/h(国产的机械粉碎、拌和4遍),产量远远大于厂拌法施工。集中场地定点路拌法产量受场地大小的影响较显著,如果场地大小合适,能充分发挥路拌机的能力,达到路拌机标定产量。
2.3.4 环境影响。厂拌法对环境具有一定污染,但若封闭作业,可减少扬尘,目前有一种稳定土拌和设备从进料到出料均在封闭环境下作业,对环境影响极小。路拌法,对环境的污染主要发生在布灰和拌和阶段,其工作面呈线形,对环境污染面广,且无法封闭作业。集中场地定点路拌,布灰和拌和集中在一处,对环境污染危害比路拌法小,且可进行半封闭施工,在布灰拌和场所四周修建隔离设施。
2.3.5 经济比较。厂拌法所需成本最高,集中场地定点路拌法次之,路拌法最低。合宁全椒膨胀土试验段研究成果之一:路拌法石灰(5 %)改良土的单价为43.7元/m3;集中场地定点路拌法石灰(5 %)改良土单价为51.3元/m3;厂拌法石灰(5 %)改良土单价为63.6元/m3。
3 石灰改良膨胀土质量检测及控制标准(时速200km/h)
(1)石灰改良膨胀土的含灰率及颗粒粒径控制及验收标准应符合表1的规定
(2)石灰改良膨胀土基床底层质量检验标准
当采用A、B、C组填料及改良土作为基床底层路基填料的质量检验标准如下:地基系数K3。(MPa/m)≥110;压实系数K≥0.95 。
(3)石灰改良膨胀土基床底层以下路堤质量检测标准
当采用A、B、C组填料及改良土作为基床底层以下路基填料的质量检验标准如下:地基系数K3。(MPa/m)≥90;压实系数K≥0.90 。
4 膨胀土路基施工注意事项
4.1 环境保护
石灰改良膨胀土施工中,容易造成对环境的污染。石灰是碱性物质,其扬尘,碱化土壤,降低农作物的产量,破坏自然环境。因此加强对石灰扬尘的控制,切实保护自然环境,是石灰改良膨胀土施工中应注意的首要问题。
为了保护自然环境,在改良膨胀土施工过程中,减少甚至避免石灰扬尘,需从两个方面着手,一是思想上高度重视,管理上加强监督;二是在技术上严格把关。石灰改良膨胀土施工中,需要各级负责人思想上高度重视对环境的保护,加大在环境保护方面的投资力度,能把各项环保措施落实到位。技术上,应对石灰在运输、储存、磨细、消解、撒布、拌和等各环节制定相应环境保护措施。制定的原则是尽量避免石灰扬尘。另外,与石灰接触的工作人员,需穿戴防护工作服。
4.2 雨、雪天气施工防护措施
施工前,应与地方气象部门联系,掌握当地的气候变化情况,避免雨季施工,并在雨、雪天气做好防护措施。施工前在路基(路堑)边坡范围外挖临时排水沟使雨水能及时排走,施工过程中,应保持临时排水系统的完善和畅通,同时应备适量的防水材料(如彩条布),能满足雨、雪天气时,对高路堑边坡、集中定点路拌场地等受雨水影响大的部位的表面覆盖,雨停后能立即恢复生产,把雨雪天气对施工的影响降到最低程度。
4.3 边坡的临时防护
边坡的防护是指在施工期间设计防护措施没施工完成前的临时防护,包括路堑边坡和路堤边坡临时防护。
4.3.1 路堑边坡临时防护
(1)天沟开挖后,应及时砌筑封闭,严禁裸露时间过长,以防雨水由开挖处下渗,导致路堑边坡坍塌。
(2)堑顶附近严禁弃土或堆放建筑材料。边坡应及时防护,当不能及时防护时,应适当预留一定厚度的保护层。
(3)应准备足够的防雨材料,用于雨天覆盖边坡,同时路堤两侧临时排水沟保持畅通。
4.3.2 路堤边坡临时防护
(1)路堤因填筑压实需要而加宽的50cm,在刷坡时,若不能及时修筑永久性防护设施,应留l0cm左右,直到修筑永久性防护设施时才刷到设计位置。
(2)当基床表层级配碎石施工完成后,永久性防护设施没修筑完成前,可在路基面沿路肩线修筑临时截水槽,在边坡上修筑临时排水沟,把雨水集中引导排放。
5 结语
石灰改良膨胀土路基施工需加强施工过程控制,尤其是含水率、含灰率、颗粒细度三项施工参数的控制,使得石灰改良膨胀土填料取得预期效果,达到路基对稳定性与耐久性要求。施工过程中应注意环境保护与临时排水设施的修建,低路堤、深路堑需考虑干湿循环的影响,及时排水,及时防护,及时封闭。