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风积砂地区路基施工技术的应用研究

发布于:2015-06-29 15:16:29 来自:道路桥梁/道路工程 [复制转发]
针对锡林浩特沙地公路的特点,以风积砂为试验材料,对其本身的性质、特点以及路用性能进行了深入的研究,主要从以下几个方面对风积砂及以其为路基填料的施工技术进行研究:①根据风积砂特点,进行试验,确定适合的施工机械类型;②进行施工机械的组合试验研究,提出合理的组合方式;③对风积砂为填料路基施工工艺进行详细的试验研究;④针对以风积砂为填料路基的特点,提出质量控制的一些方法与手段;⑤对风积砂为填料路基的质量标准及评定方式进行探讨,以补充目前部颁标准在此方面的空白。
  1试验概况
  1.1试验材料及基本性质
  根据锡林浩特的实际情况,就风积砂作为路基填料的各项指标进行试验,得出风积砂作为路基材料的可行性。
  1.2材料的承载力试验
  根据《公路路基设计规范》要求,对各种路基材料进行承载比试验。
  1.2.1试验成果分析。风积砂由于黏粒含量很小,相对土质来说颗粒较大,成型浸水,其吸水量一般在200g左右,基本上填充于空隙中,所以膨胀量很小,平均为1.0%,对路基强度没有太大影响,不同种类风积砂在最大干密度状态下的CBR值变化范围见表1。
  

  通过试验结果分析可知:不同种风积砂由于本身组成的物质成分不同,级配不同,细度模数也有差别,最小达17.1%,相差2倍之多。这说明试样的最大干密度越大的,其成型后的结构、级配和其特有的物质成分就越精良,空隙率小,抵抗外界的破坏能力越强,抗剪强度高,稳定效果越好,因而CBR值也较大,筑路适宜性强。在填筑路基中CBR值达标的情况下,优选强度大的、最大干密度大的材料用于施工,施工后路基质量就相对较好。
  2风积砂的压实性能和工程特性
  2.1风积砂的工程特性
  风积砂具有干压实和饱水压实两大特性。
  2.2风积砂的压实性能
  目前工程中常用的压实方法有两种:①干法施工,就是在小于最佳含水量的情况下加砾石进行辗压;②饱水法施工,即在大于最佳含水量的情况下进行辗压。
  2.2.1风积砂最大干密度的确定方法。振动台法可以利用较小的压实功使风积砂的颗粒重新排列,从理论上说,振动法获得的最大干密度值应始终大于重型击实法获得的最大干密度值;但重型击实的压实功相对较大,因而对于一般黏性土,重型击实更适用一些。
  2.2.2风积砂路基的压实标准。现有规范中,建议对于风积砂路基的压实标准可在一般土方路基压实标准的基础上,压实度适当下浮1%~2%,即风积砂路基的压实标准适当降低。确定风积砂路基的压实标准,使其更加科学合理,更具有经济性。
  2.2.3压实标准的影响因素。
  2.2.3.1最大干密度的影响。最大干密度对压实度至关重要。需采用合理的方法来确定风积砂的最大干密度。
  2.2.3.2压实机械和施工工艺的影响。
  风积砂无黏性、黏聚力极小,碾压设备分层压实后,表面存在10cm左右的松散层,消耗了压实机械的部分压实功。且风积砂存在振密——振松——振密的过程,也就是说,经压实的风积砂若继续增加压实遍数有可能将导致已经压实的风积砂干密度下降,因而碾压遍数具有一定的影响。
  普通路基的施工机械在风积砂路基上无法行走,限制了大型拖式振动压路机的使用。每种压实机械有其较为固定的振动频率和压实功率,其机械性能影响对风积砂的作用力,进而影响风积砂的压实效果,当机械性能差时只能通过增加压实遍数来提高压实功方可压实风积砂。因而,确定风积砂压实标准应与施工机械相适应。
2.2.3.3路基稳定性要求的影响。风积砂具有压缩性小、稳定性强、沉降量小的优点,且受气温、含水量影响较小,而不受不利季节的影响,发生路基沉降、变形、路面裂缝等病害较少。因此,应有一定的压实标准,使得砂基压实度在这一标准情况下不至于机械台班投入过多,又能保证路基的稳定性。
  3风积砂路基施工技术
  3.1沙漠地区环境对施工的影响
  3.1.1气温对施工的影响。沙漠地区冬季寒冷并且漫长,春秋多大风并伴有沙尘飞扬,夏季又多有强阵雨等天气。这些极大的影响公路施工工期,使得一年中适合建设的有效天数较少,增加了建设周期,同时,这些天气还会造成沙害、水毁等干扰施工。沙漠地区气候干燥,风积砂天然含水量只有1%~2%,沙漠地区的取水相对困难,只能在风积砂天然含水量的条件下进行施工。
  3.1.2风对施工的影响。沙漠地区影响施工的风沙灾害有以下形式:①风蚀。主要破坏公路路基及边坡,引起防护体系外露甚至倒塌,如果不防护,大风时可将已完工的填方路基吹得所剩无几。②风积砂降落、堆积形成积沙,掩埋建设中的路基、路面及附属设施。③沙垅、沙丘前移压埋公路。
  3.1.3降雨对施工的影响。风积砂颗粒细小,在水的作用下路基风积砂颗粒易被水流带走,产生水毁病害。且沙漠地区的降雨特点是降雨少而集中,多为强降雨,风积砂路基发生水毁主要有以下几种类型:①边坡冲刷,雨水从路基边坡散排时将边坡风积砂或包边土带走形成沟槽,路基破坏。②路基掏蚀,雨水从封层浸入风积砂路基内部,并将风积砂携带出路基。路基内部掏蚀成洞,随后塌陷。这种危害突然,危害性较大。③路基冲毁,雨水在风积砂路基表面形成汇流,水流流出路基处,因水流较大将路基风积砂大量携带造成路基比较大的破坏。
  3.2风积砂特性对施工的影响
  风积砂路基施工的影响主要表现在以下几个方面:①一般的压实机械、施工机械都不能直接在风积砂行走,只能选用推土机、自行双驱压路机等较轻型施工机械进行施工。②平地机无法进行风积砂路基顶面的整平,只能选用小型推土机由人工配合进行,整平效果和精度较差,并且施工的进度也较慢。③需要在风积砂表面再摊铺一层封层以便施工机械行走,增加了工程造价。④易形成翻浆等病害,增加了路基施工难度。
  3.3碾压厚度分析
  根据能量理论的理论转换原理分析压实风积砂的碾压厚度。同时,假设计算碾压厚度以下为刚性基础,有效功全部作用到碾压厚度范围内的风积砂上。计算结果见表2。对于振动压路机实际施工时的压实厚度还应再考虑风积砂路基表面10cm的松散厚度。
  

  4 风积砂路基施工机械类型选择
  4.1沙漠环境对施工机械的要求
  高热、大风和干燥是沙漠环境的主要特征,沙漠环境对工程机械提出了特殊要求。①松软的沙漠地表,要求工程机械车辆的行走装置有足够的附着力。②多风沙的沙漠环境,常常堵塞发动机的空气滤清器,必须考虑采用多级滤清或采用新的结构形式。③沙漠工程机械应具有功率大,转弯灵活,爬坡性能好等特点。车架应具有悬架浮动性能,机械还应具有涉水和超越沼泽地的行驶能力。④必须保证发动机有性能可靠的冷却系统,以克服离地表1m处60℃以上的辐射高温。⑤装备性能可靠的无线电通讯系统是必不可少的重要安全措施。⑥安装液压绞盘,以便在陷入不测环境时车辆之间进行互救或自救。⑦沙漠中要求工程机械具有优良的低温启动性能,一般要求应具备-40℃条件下可靠启动的能力。⑧要求冬夏温差极大的作业条件下,驾驶室必须安装空调和保持良好的密封性能,驾驶室内安装必要的生活设备,如能储存一周饮水与食品的储藏柜。⑨履带式工程机械必须设置全密封润滑履带和高架驱动轮,在地表温度70℃左右条件下,黄油嘴加注方式应能保证润滑要求。10 选择可靠性指标高的工程机械整机进行沙漠适应性改造,把机械故障率降到最低。
4.2适合风积砂路基施工的机械
  4.2.1挖方机械。通常风积砂的挖方机械设备有推土机、装载机、挖掘机等。
  4.2.2装运机械。装运风积砂主要采用装载机配合自卸汽车运输或者推土机配合铲运机。当运距较近时可用装载机或推土机配合铲运机或推土机直接运送风积砂。
  4.2.3路基压实机械。双驱动的自行式胶轮羊足振动压路机和光轮振动压路机均可使用。拖式羊足振动压路机、拖式振动碾在推土机拖动下前进时压路机轮前有拥沙现象,后退时不能振动且方向难以控制,若原地振动短时间内可产生沙基下沉现象,形成小坑,可见拖式振动压路机不能满足施工要求。路基压实机械可使用前后轮驱动的自行式胶轮羊足振动压路机、振动光轮压路机和推土机。常用的有12t和18t振动压路机,或双驱动10t羊足碾振动压路机。
  推土机只能作为振动压路机碾压前后的稳压、终压机械。
  高速公路、一级公路风积砂路基的施工中采用振动压路机作为风积砂路基压实的主要机械;中型、大型推土机,作为风积砂的挖运、摊铺、整平及稳压和终压机械。同时,大型推土机也可以进行风积砂路基压实施工;小型推土机主要用于风积砂路基顶面的整平施工。
  二级及以下公路结合实际情况可以采用小型推土机进行风积砂路基压实施工,但是应尽可能采用振动压路机或中型、大型推土机进行压实施工。
  4.2.4路基整平机械。小型推土机宜作为风积砂路基的摊铺和顶面整平机械。风积砂路基常采用人工配合小型推土机摊铺整平。
  4.2.5洒水设备。洒水车在风积砂路基上无法行走,不适合作为洒水设备,在水坠法施工时,可以采用路基旁打井解决工程用水。
  4.3压实机械的参数选择
  4.3.1推土机的参数选择。推土机主要靠自身重力产生的表面静压力来压实风积砂,因此,对推土机应该选择自重大、履带接地压力大的型号。同时为满足挖沙推沙要求,应选择附着力大,通行性好,爬坡能力强的大功率履带式铲刀推土机,土方调运时推土机功率应不小于120马力,摊铺整平时推土机功率不小于70马力。
  4.3.2双驱动振动压路机。双驱动振动压路机是风积砂路基压实的主要设备,自重大一些的振动压路机有利于压实,因而振动压路机除双驱动外,应选择自重不小于12t的压路机。并宜选择振动频率为30Hz的压路机。
  4.3.3振动加速度。振动加速度是振动频率和振幅的函数。根据室内试验研究结果,对于风积砂的压实,要求振动设备的振动加速度在4g以上,考虑压路机的实际工作能力,设定压路机的工作加速度为4g~7g。根据加速度和振幅、频率的计算公式可以得到压路机的振幅范围为1.2mm~2mm。
  4.3.4振动压路机的工作速度。在振动压实过程中,土的颗粒由静止状态变化为运动状态要有一个过渡过程。过渡过程持续的时间长短与土的颗粒之间黏聚力、吸附力的大小有关,也与振动压路机的线压力有关。线荷载越大,过渡过程所需的时间越短。
  对于风积砂,为了克服风积砂颗粒间的黏聚力、吸附力,假设至少有x次有效的强迫振动,才足以使风积砂颗粒处于运动状态。
  根据上式,当压路机速度加倍时,碾压遍数也要加倍,因此,压路机应有一个最佳碾压速度,根据经验,选择6km/h作为风积砂路基的碾压速度。同时,一般压路机的设计在强振(激振力380kN)时的设计时速也为6km/h左右。
  综上所述,在沙漠中振动压路机应选择双驱动的振动压路机或履带式推土机,具有高振幅、低频率(振幅在0.4mm以上,频率在30Hz~45Hz)的振动特性,振动压路机自重应不小于12t。
  4.4风积砂路基施工机械组合
  4.4.1风积砂路基施工机械配套原则。①与工期一致性。既能加快工程进度,又不会造成机械台班的浪费。②经济合理性。应尽可能使机械设备组合系统最佳、购置费用低。要防止单纯为了减少机械费用投入,选择性能落后、价格低廉的机械;也要避免片面追求配套率、高性能,不考虑实用和经济合理性的选型行为。
  4.4.2风积砂路基施工机械选配。施工机械的配备,根据施工标段的工程量、工期、取弃沙运距及设备能力等因素综合确定,并制定切实可行的机械施工作业方案,最大限度地满足机械产量要求,充分发挥机械效率。根据依托工程施工调查,不同地区、不同公路等级风积砂路基一个施工作业面施工机械组合应有不同,表3是沙漠公路路基压实为例的机械组合。
  

5风积砂路基的施工工艺
  5.1路基的施工
  5.1.1振动压路机分层碾压工艺。此种施工工艺适用于振动压路机在天然含水量状态下风积砂分层碾压,也适用于雨后路基的压实。具体施工工艺如下:①施工前准备工作。②原地表处理。③推送填料。④摊铺填料。⑤推土机稳压。⑥振动压路机碾压,分为3个步骤:第1步,压实应根据试验段提供的松铺厚度和控制压实遍数进行。经压实度检验合格方可转入下一道工序,不合格时应进行补压再做检验,直到合格为止。振动压路机一般碾压6遍以上。碾压时轮迹重叠不应小于1/3,轮迹布满一个作业面为一遍;第2步,采用15t以上前后轮驱动振动压路机进行碾压。碾压时先慢后快,采用强振进行振动碾压;第3步,压路机的碾压行驶速度开始时不超过4km/h,碾压时直线段由两边向中间,小半径曲线段由内侧向外侧,纵向进退式进行。前后相邻两区段应纵向重叠20m以上,达到无漏压、无死角,确保碾压均匀。⑦推土机终压。推土机终压压实工艺与推土机稳压相同,轮迹应重叠单轮宽度1/2以上,终压2遍。⑧检测。压实度检测对天然含水量条件下采用普通环刀法、灌沙法、表面波密度仪测定风积砂干密度。无含水量条件下采用洒水环刀或改进环刀法。计算压实度、固体体积率等,压实质量以压实度控制。压实度应达到规定的标准,若不符合要求必须进行补压,直到合格,方可进行下一道工序的作业。
  5.1.2推土机分层碾压工艺。此种压实工艺适用于采用推土机在天然含水量状态下分层压实风积砂的填方路段。
  5.1.3水坠法碾压工艺。此种压实工艺适用于水源充足的风积砂路基填方路段和通道、桥头及其他构造物台背处路基的压实。水坠碾压法施工可分为水坠加推土机碾压和水坠加振动压路机碾压两种方法,两种方法施工工艺相似。
  5.1.4零填及路堑路床的压实工艺。零填及路堑路床的压实工艺与推土机或振动压路机在天然含水量状态下的压实工艺相似。对于零填及路堑路床的压实处理深度为80cm,即对于零填及路堑路床达到设计标高后再下挖80cm,再按推土机或压路机在天然含水量状态下的压实工艺分层回填碾压达到设计标高。在路基顶部风积砂的压实度应达到规定要求的压实标准。
  5.1.5半填半挖路基的压实工艺。
  对于半填半挖路基,当地面横坡缓于1∶5且基底经处理符合要求后,可直接在经处理的地基上分层填筑路堤。地面横坡陡于1∶5时,原地面应挖成台阶(台阶宽度≥2m)并进行压实。填筑应由最低一层台阶填起,逐台向上填筑,分层压实。所有台阶填完之后,即可按填方路基进行。
  5.2风积砂路基封层施工
  沙基作为上层结构的承重层和路面施工的工作界面,要求具有一定的平整度和强度要求。然而,当沙基施工完成后,由于气候干燥、风的作用及沙基本身保水性差等因素,造成沙基表面出现10cm左右的松散层。一方面影响了施工机械和施工车辆的正常通行;另一方面破坏了沙基顶面,形成车辙和坑槽。因此,为保证路面作业的顺利展开,同时保证路基路面的整体性,有必要设置沙基封层。
  5.3路基封层的作用和类型
  设置封层的优点,一是提高路基的平整度,为路面的施工提供便利条件;二是可以保证路面底基层的施工厚度。封层作用具体如下:①满足规范所要求的路基中间验收强度指标和外形几何尺寸;②满足路面施工机械和施工车辆的正常作业;③减少风蚀对风积砂路基的破坏。
  封层类型主要有:素土封层、石灰土封层及天然砂砾封层。
  6结论
  笔者主要研究了沙漠地区风积砂路基施工适用的机械类型及合理组合和施工工艺、方法及质量控制等。具体结果有:①通过试验确定风积砂共振频率一般为25Hz~35Hz,据此确定振频为30Hz的施工压路机类型;②进行施工机械的组合试验研究,提出合理的组合方式;③对风积砂为填料路基施工工艺进行试验研究,提出了具体程序和步骤;④针对风积砂为填料路基的特点,提出质量控制的一些方法与手段;⑤对风积砂为填料路基的质量标准及评定方式进行探讨,提出以风积砂为填料的路基压实度可比普通路基压实度降1%~2%的观点。


这个家伙什么也没有留下。。。

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