提高砂性土在路床中的压实度进而降低路基沉降的方法与流程

2021-01-18 16:01:41|

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本发明涉及路床施工
技术领域：
，具体涉及到一种提高砂性土在路床中的压实度进而降低路基沉降的方法。
背景技术：
：平原地区地质多存在粘性土与砂性土。粘性土用于填筑时能够保证密实度满足要求，但是砂性土却难以保证密实度能够满足要求。砂性土指的是含砂土粒较多且具有一定粘性的土，压实后水稳性好，强度较高，毛细作用小，颗粒间无粘聚力，性质松散，主要由0.075～2毫米的颗粒所组成无塑性的土。砂性土不具粘着性和塑性，但透水性极强。砂性土层是良好的含水层。砂性土作建筑地基时易压密，沉降量小，但在水头及动荷载作用下，粉砂可能发生管涌及液化等不良工程地质现象。砂性土的天然密实程度是控制其工程地质性质的主要因素。压实度又称夯实度，是指工地实际达到的干密度与室内标准击实试验所得的最大干密度的比值，以百分率表示。路基路面压实质量是道路工程施工质量管理最重要的内在指标之一。只有对路基、路面结构层进行充分压实，才能保证路基路面的强度、刚度、稳定性以及平整度，从而延长路基路面的使用寿命。路基压实度是反映路基每一压实层的紧密强度，只有使每一压实层的紧密强度都符合规定，才能使路基的整体强度、稳定性和耐久性满足要求。如某一层压实度不合格就填筑上一层，则路基的整体强度、稳定性和耐久性将受到影响，此时再进行返工处理，则造成浪费且严重影响施工进度，延误工期。高速公路中土方路基占比较重，对于无粘性土壤或者粘性土极少的区域，遵循经济性就近取土原则，直接使用施工区域周围的砂性土。而砂性土在路床填筑中总会遇到聚合不紧密、压实度不达标、后期路基不均匀沉降等问题。因此，如何提高砂性土的压实度特性便具有十分重要的研究意义。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于提供一种提高砂性土在路床中的压实度进而降低路基沉降的方法，通过调整砂性土的含水率至最优含水率来达到提升砂性土的压实度、降低路基沉降的目的，并针对不同级配颗粒所对应的不同种类砂性土提出不同的压实度检测标准，保证砂性土的压实度特性满足功能要求。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：提高砂性土在路床中的压实度进而降低路基沉降的方法，包括如下步骤：(1)对取土料场的土样进行土工试验，以区分出砂性土的分类；通过击实试验得到砂性土的最大干密度；(2)碾压前预控取料场的料源砂性土的原始含水率在9％～11％；(3)砂性土在摊铺后、碾压前采取洒水车均匀洒水的方式，控制砂性土的含水率至最优含水率；具体步骤是先根据环境气温确定砂性土的最优含水率，再计算出需要补充的水的质量，具体计算公式为：ω最优＝αω0+β(t-25)/100(1)g＝s×δg＝s×1×h×ρdmax(ω最优—ω原始)/ρ水(2)式(1)和(2)中，ω最优表示砂性土的最优含水率；α、β均为修正系数；ω0表示25℃时砂性土的最优含水率16.0％；t表示环境气温，单位℃；g表示需要补充的水的质量，单位㎏；s表示砂性土的施工区域面积，单位㎡；δg表示单位面积需要补充的洒水流量，单位m3/㎡；h表示砂性土的摊铺厚度，单位m；ρdmax表示通过击实试验得到的砂性土的最大干密度，单位kg/m3；ω原始表示碾压前砂性土的原始含水率；ρ水表示水的密度，单位kg/m3；(4)对于细粒含量在20％以内的砂性土，碾压后仅检测其压实度k；对于细粒含量在20％以上的砂性土，碾压后同时检测其压实度k和空隙率vc。作为上述方案的进一步技术方案，步骤(1)中所述的土工试验包括检测土料cbr值、筛分试验、液限试验、塑限试验和击实试验。作为上述方案的进一步技术方案，步骤(2)中预控碾压前砂性土的原始含水率ω原始在9％～11％的具体方法为：采用烘干法及时跟踪土源的含水状况，控制取料场的料源砂性土的原始含水率ω原始在9％～11％；针对料源砂性土在不同时点出现的含水率大小变化，若含水率偏小，则采用挖水槽灌水对砂性土土料进行预闷处理，具体方法为清除料源的覆盖层后，开挖闷水槽，等到槽内水渗透进土体，土的含水量达到9％～11％即可；若含水率偏大，采用管井法降低地下水位，下挖料源处土体至地下水位层，将下挖处的集水抽排出去。作为上述方案的进一步技术方案，所述闷水槽的深为0.35m，宽为2m，长为7m，相邻两闷水槽的间距为0.8m。作为上述方案的进一步技术方案，步骤(3)中在碾压前采取洒水车均匀洒水的方式，控制砂性土的含水率至最优含水率的具体方法为：采取洒水车均匀洒水的方式，洒水车洒水出口朝向斜向上30～45度角，采用扁平出水口，提高水压至能喷出水雾，使能够分散湿润砂土层。作为上述方案的进一步技术方案，所述砂性土的摊铺厚度h为0.3m。作为上述方案的进一步技术方案，步骤(4)中所述的空隙率vc是指压实土体中空气的体积占总体积的百分率,其计算公式如下：vs+vw+vc＝100％(4)ρd/gs×100+ρd×ω+vc＝100(5)vc＝100-ρd(100/gs+ω)(6)其中，vs为压实土体中土的体积占总体积的百分率；vw为压实土体中水的体积占总体积的百分率；ρd为实测压实土的干密度，单位kg/m3；gs为土的比重；ω为碾压后现场土的含水率。作为上述方案的进一步技术方案，步骤(4)中所述的压实度k是指实测压实土的干密度ρd和标准击实试验得到的最大干密ρdmax之比，压实度k的计算公式如式(3)：k＝ρd/ρdmax(3)式(3)中，ρd为实测压实土的干密度，单位kg/m3；ρdmax表示通过击实试验得到的砂性土的最大干密度，单位kg/m3。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明通过调整砂性土的含水率至最优含水率来达到提升砂性土的压实度、降低路基沉降的目的，并针对不同级配颗粒所对应的不同种类砂性土提出不同的压实度检测标准，保证砂性土的压实度特性满足功能要求。本发明采用单因素变量控制，其他影响因素保持相同，在同样的外部条件下进行含水率对试验结果的研究。经多次类比试验，可得出对不同砂性土的最优含水率、最佳检测标准的组合形式。根据环境气温、施工面积、土料原始含水率、最优含水率等因素综合考虑，得出环境因素与洒水流量之间的关系，通过改变洒水方式、洒水流量、调整含水率及压实度检测标准来控制路床压实度特性，具有适时指导现场施工的意义。最终形成一套针对不同砂性土以控制洒水方式、洒水流量的方式接近最优含水率进而提升砂性土压实度特性的新工艺。附图说明图1为砂性土的最优含水率与气温关系曲线图。图2为砂性土的最大干密度与最优含水率关系曲线图。图3为土样的击实曲线。具体实施方式以下对本发明的具体实施方式作进一步具体说明，以便对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的了解。但是，需要说明的是，对这些实施方式的说明是示意性的，并不构成对本发明的具体限定。本发明针对砂性土的性质和压实度检测方法进行研究。国内出现的研究方向多是提高路基中砂性土压实度的方法，本发明着眼点是在掺拌水泥后的改良土在提升路床压实度后来降低路基沉降的方法。本发明主要针对如何精确调整砂性土的含水率大小以及压实度检测标准在采用压实度法与空隙率控制法时两者的优劣及各自的使用范围。常规检测压实度的方法为灌砂法，此工艺研究在国内属于技术较为纯熟的部分。采用压实度法结合空隙率控制法可进一步对路基压实度特性进行准确控制。首先，对施工现场的土样进行常规土工试验，包括筛分试验，液、塑限试验，击实试验，其中筛分试验，液、塑限试验是砂土定性及定名的两个必备因素，对其定性后再次研究。对施工现场土样取土后分析如下表1.1和表1.2：表1.1：土样的筛分试验和液、塑限试验数据表表1.2：土样在实验室内进行的击实试验数据表液、塑限的测定按照《公路土工试验规程》中的液限和塑限联合测定法对各土样进行液、塑限试验，得到其液限、塑限和塑性指数。压实度检测采用灌砂法，松铺厚度控制在30cm，在施工现场进行压实试验研究后发现砂性土在松铺厚度为30cm时，压实度厚度为22.9cm。增加松铺厚度，压路机会对砂性土底层的压实功能减弱，影响压实效果；若减少松铺厚度，最终的压实厚度将小于20cm，而灌砂法要求坑深为20cm，这样就会影响压实度检测。松铺厚度综上考虑定为30cm。压路机选择同种国产轮胎式光轮压路机sr20，激振力350/220(kn)。结合表1.2的土样击实试验数据可分析得出，当土样的含水率较小时，砂性土的粒间引力使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构，土中空隙大都互相连通，水少而气多，在一定的外部压实作用下，虽然土孔隙中的气体容易被排出，密度可以增大，但由于水膜润滑作用不明显以及外部不足以克服粒间引力，土粒相对移动不容易，因此压实效果比较差。当含水率逐渐增加，水膜变厚，引力缩小，水膜又起着润滑作用，外部压实功比较容易使土粒移动，压实效果渐佳。当土中含水率过大时，孔隙中出现了自由水，压实功不可能使气体排出，压实功一部分被自由水所抵消，减小了有效压力，压实效果反而减低。由压实试验可得出结论：砂性土在最优含水率下压实效果最好。碾压前砂性土的原始含水率控制不易掌握，在施工现场通常使用外观鉴定，即：将砂性土握在手中，能成团不粘手，离地1m高放开手，使土自由落地，能松散打开，即认为已接近最优含水率，称之为“攥之成团，落地开花”。如落地不松散则含水率过大，需采用翻松法蒸发多余水分；若攥之不成团则水分不够，需补水。为在研究过程中能够保证精确度，采用烘干试验方法确定碾压前砂性土的原始含水率。经研究得出下列公式(1)：ω最优＝αω0+β(t-25)/100(1)其中，ω最优表示砂性土的最优含水率，α、β均为修正系数，t表示环境气温，ω0表示25℃时砂性土的最优含水率16.0％。α、β与温度t的关系如下表1.3所示：t(℃)567891011α1110.5109.598.58β8.18.18.18.18.18.18.1t(℃)12131415161718α7.576.565.554.5β8.18.18.18.118.128.138.14t(℃)19202122232425α43.532.521.51β8.158.188.218.268.358.5不取值t(℃)26272829303132α1.522.533.544.5β-7.45-7.5-7.6-7.7-7.7-7.7-7.7表1.3：α、β与温度t的关系由公式(1)得出了如图1所示的砂性土的最优含水率ω最优与气温t关系曲线图。砂性土的最大干密度与最优含水率ω最优存在如图2所示的曲线关系。最优含水率ω最优、砂性土的施工区域面积s(㎡)、砂性土的摊铺厚度h(m)、洒水量g(㎏)关系如下列公式(2)：g＝s×δg＝s×1×h×ρdmax(ω最优—ω原始)/ρ水(2)公式(2)中，δg表示单位面积需要补充的洒水流量(m3/㎡)；ω原始表示碾压前砂性土的原始含水率，ω原始固定控制在10％左右(9％～11％均可)；ρ水表示水的密度kg/m3。根据现场气温t计算出砂性土的最优含水率ω最优，由击实试验得到砂性土的最大干密度ρdmax，由公式(1)和(2)来控制砂性土每平米施工区域的洒水量g，达到精确控制施工现场砂性土的压实度特性的目的。表1.4：试验段压实度参数表如表1.4所示，通过对比分析两种原始含水率的砂性土的压实效果，从含水率角度讲，编号1的砂性土偏干，在缺少充分润滑的情况下，压路机的压实功很难克服土粒间的表面摩擦力和相互咬合力。反观2号砂性土的含水率刚刚超过最优含水率ω最优，土粒间结合水膜变厚，联结力减弱，水在土粒间起着润滑作用，使土的内摩擦力阻力减少，因此，同样的压实功可以得到较高的压实度。因此，含水率对砂性土粒间引力影响较大，在压实前应将含水率控制在最优含水率ω最优的水平。我国现行路床压实标准只控制土体的干密度，指导思想是干密度越大，土体强度越高，其稳定性也越好。但并未考虑土体的粘聚力和水对路床强度及稳定性的影响，比较难保证砂性土在路床中的压实质量。执行现标准，不能保证高速公路在使用中不产生沉降、变形，路床设计强度指标和路床压实施工标准压实度之间没有直接关系，而且在土质多变路段，室内击实试验周期较长，难以及时指导施工，且由击实试验获得的标准最大干密度ρdmax存在人为误差因素。国内对合理的路基、路床标准进行了探讨，王佳杰、张春峰、李宁在《粉土路基压实控制与效果评价技术研究》中提出高速公路路基、路床压实度检测标准，能够很好地检测压实效果，符合中国实际的压实标准，见下表1.5。土中粒径小于0.074mm颗粒(细粒土)的含量(％)压实度检测指标0-20k20-50k；vc＜13％50-100k；vc＜8％表1.5：工程所采用的压实度检测标准该压实度检测标准中，首先根据75μm筛的通过量对土进行分类，对不同的土质采用不同的检测方法：对75μm筛的通过量大于20％的土(相当于粘性土和粉性土)，对压实度k和空隙率vc同时检测；对75μm筛的通过量小于20％的土(相当于砂性土)，仅对其压实度k进行检测。压实度k的计算采用干密度的比值，即实测压实土的干密度ρd和标准击实试验得到的最大干密ρdmax之比，压实度k的计算公式如式(3)：k＝ρd/ρdmax(3)空隙率vc是指压实土体中空气的体积占总体积的百分率。空隙率法控制细粒土的压实，通过做土的颗粒比重试验确定土的颗粒密度，再测出现场土的干密度和含水率，就可算出土的空隙率。空隙率vc的计算公式如下：vs+vw+vc＝100％(4)ρd/gs×100+ρd×ω+vc＝100(5)vc＝100-ρd(100/gs+ω)(6)其中，vs为压实土体中土的体积占总体积的百分率；vw为压实土体中水的体积占总体积的百分率；ρd为实测压实土的干密度(kg/m3)；gs为土的比重；ω为碾压后现场土的含水率。由上式(6)可知，空隙率vc不仅与干密度ρd有关，也与碾压后现场土的含水率ω有关。干密度ρd与压实含水率ω越大，空隙率vc就越小。该压实度检测标准综合考虑了干密度ρd和路床成型时的含水率ω两方面的因素。细粒(指土中粒径小于0.074mm的颗粒)成分含量少的土(砂性土和塑性指数不大的砂砾土、碎石土)在施工碾压时，其密度对含水率不敏感，可以放宽对含水率的控制，在投入使用后，水的侵入不会使土体发生明显的膨胀或者湿陷，含水率减少，土体亦不会明显收缩；此类土稳定性好，压实状态受水的影响较小，仅检测其压实度(称其压实度法)对于控制压实质量是合适的。细粒成分较多的土(粘性土及塑性指数较大的土)，水的浸入使土的含水率增加；若超载压力小时，体积发生膨胀(膨胀率和初始含水率有关，原始含水率越小，膨胀率越大)，单位体积内颗粒的含量减少，因此干密度减少，土的承载力降低；若超载压力大时，则可能发生湿陷而引起沉降；相反，当土体含水率变小，体积发生明显收缩，引起土体开裂。对于细粒含量大于20％的土，不适宜单纯采用空隙率vc作为压实度检测指标。另一方面，空隙率vc越小越好，由式(6)可知，空隙率vc越小，干密度ρd将越大，但这与压实度法要求干密度稳定在最大干密度附近相冲突。从上式(6)可以看出，ρd(100/gs+ω)越大，vc就越小，而100/gs是常量，也即ρd×ω越大，vc越小。编号1组数据2组数据3组数据120.33624.56832.424219.35227.33432.505表1.6：干密度ρd和含水率ω相乘表由表1.6可看出，在如图3所示的击实曲线上，随含水率ω增加，ρd×ω随之增加，这样空隙率vc就会减少，此时土体的状态偏离最大干密度也越远。土体压实后，其稳定性虽好，但其强度变得很小，压实质量反而不好。因此，对于细粒含量大于20％的土，同时检测压实度k和空隙率vc将更符合质量要求。另一方面，单纯vc标准的推广费时费力。我国一直采用的是压实度标准，如果改用vc，无论是从规范修改上，还是从道路管理、设计、施工方面来讲，都要消耗大量的人力、物力、财力。而本发明研究的双因素压实标准，只是对现行压实标准的补充，对原来压实度标准有很好的兼容性，可以很容易从单因素标准上升到双因素标准，推广起来也不是很难；而且也符合推广的渐进性，容易让人接受。对应本发明，路床的整个摊铺过程如下：步骤1：对取土的料场的土源进行定性，以区分砂性土和粘性土。首先，对现场所使用的取土料场取样进行土工试验，每1000m2取样2组。根据试验结果对取料区域进行划分并编号。土工试验检测项目包括但不限于土料cbr值(californiabearingratio，中文名加州承载比，通常以材料抵抗局部荷载压入变形的能力来表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示cbr值。)、筛分试验、液限试验、塑限试验、击实试验以确定料源能否满足压实度、承载力标准，对满足指标的料源根据筛分试验和液、塑限试验结果划分为砂性土和粘性土。砂性土、粘性土的分类指标如下表1.7：名称粒组的颗粒含量朔性指数ip砂砾粒径大于2mm的颗粒含量25％～50％粗砂粒径大于0.500mm的颗粒含量＞50％中砂粒径大于0.250mm的颗粒含量＞50％细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量＞85％粉砂粒径大于0.075mm的颗粒含量＞50％粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量＜50％≤10粘性土粒径大于0.075mm的颗粒含量＜50％＞10表1.7：砂性土、粘性土的分类指标步骤2：预控土源含水率的方案，包括控制含水率大小的方法。砂性土(指表1.7中的砂砾、粗砂、中砂、细砂、粉砂、粉土)具有易吸水、透水性强的特性，对料源进行含水率监控具有提前预控改善土源质量的重要意义。采用烘干法(烘干法是指最常用的测定土壤含水率的标准方法。将土壤样品置于105℃下烘干至恒重，此时土壤有机质不会分解，而土壤中的自由水和吸湿水全被驱除。计算土壤失水质量与烘干土质量的比值，即为质量含水率，以百分数或小数表示。测定重复2～5次，取平均值。)及时跟踪土源的含水状况，控制料场料源的原始含水率ω原始在10％上下浮动(9％～11％均可)。针对料源在不同时点出现的含水率大小变化，若含水率偏小，则采用挖水槽灌水对土料进行预闷处理，具体方法为清除料源的覆盖层后，挖深为0.35m、宽2m、长7m、间距0.8m的闷水槽，等到槽内水渗透进土体，土的含水率达到10％左右即可(9％～11％均可)。若含水率偏大，采用管井法降低地下水位，下挖料源处土体至地下水位层，对下挖处的集水采用水泵抽排出去，这样能够保证土的含水率在最优含水率上下浮动。步骤3：遵循“三阶段、四区段、八流程”(三阶段是：准备阶段、施工阶段、整修阶段；四区段是：填土区段、整平区段、碾压区段、检验区段；八流程是：测量放线、地基处理、分层填土、摊铺平整、洒水晾晒、碾压密实、检验签证、路基整修。路基填筑压实按照三阶段、四区段、八流程的施工工艺组织施工。)工艺组织，施工关键点为洒水方式与洒水量的控制，以及层厚、压路机的碾压方式。步骤3是含水率控制的关键步骤，因烘干法无法及时对现场砂性土的湿度进行检测，需要靠肉眼结合经验判断砂性土的含水率是否达到最优含水率，利用步骤2所述的施工方法可最低限度地降低砂性土的含水率因过高或过低造成的质量风险。本步骤3中采用气温追踪方式在每日的固定时点控制洒水的工艺，可满足最佳时点控制含水率接近最佳的目的，具有实时、便捷、精确的优点，能快速指导砂性土的施工工艺流程。具体实施细节为：(1)采用电子气温计精确测定施工现场的气温，然后根据如图1所示的最优含水率ω最优与气温t关系曲线图确定砂性土的最优含水率，根据公式(2)可确定砂性土达到最优含水率时需补充水的体积。在摊铺后、碾压施工前采取洒水车均匀洒水的方式，即可完成在施工现场不做土工试验的情况下，控制填筑土层的最优含水率，达到控制压实度的目的。(2)控制洒水车的洒水方式，洒水车洒水出口朝向斜向上30～45度角，采用扁平出水口，提高水压至能喷出水雾，能够分散湿润砂土层为优。中间洒水保持不间断，转向应利用大角度转弯，成“曲别针”型回环前进，完成区域洒水。(3)路床上土采用与路基类似的工艺流程，自卸车内的砂性土采用进占法卸料，不破坏路床基础；控制松铺层厚在30cm左右，压实厚度为25cm左右，一般可满足压路机的有效压实深度；压路机作业高频、低频振动和振幅大小应在进退时保证不至土层振散、无法聚团，以大面平整无凹凸不平感为合格。(4)关键步骤是保证取土料场的含水率在一定范围内浮动，属于受控状态。对取土料场监测的频次应适度增多，若同时点、同地点气温出现5℃以上的变动时，应对取土料场规划各区域进行含水率复测，调整干湿变化至控制范围内。(5)将砂性土填筑在路床顶面以下一定范围内，并分层压实，达到均匀、密实。下层摊铺前，对本层按表1.5所示的压实度检测标准对应地进行检测试验，使细粒土含量不同的土料能够在最优含水率下采取适用的检测标准，满足路床质量要求，保证压实特性，路基、路床沉降检测状态可控。验收合格后及时洒水养护，以表面全部湿润为最佳状态。下层土料也应及时填筑，防止层与层间不连续，产生夹层。(6)路床中水泥土采用路拌法；路床水泥土上料采用冷再生机进行水泥土掺拌，可精确控制水泥土掺量，满足灰剂量要求。路床作为路面层的承重层，荷载受路面直接传递，路床压实度能够保证，路面便能够在行车大负荷的不断作用下，不致产生不均匀沉降，增强路面使用寿命，舒适性及安全性。砂性土采集便宜，可取材范围较广，其本身透水性强、稳定性好、毛细上升高度小，是一种良好的路床回填材料，在最优含水率、机械配置、工艺流程、检测标准下，可获得极高的社会效益和经济效益。本发明在平原地区高速公路均可广泛推广使用，或砂性土蕴藏量丰富区域也可适用。以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之类。当前第1页1 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