蒙华铁路膨胀土改良土路基填筑施工工艺研究

蒙华铁路膨胀土改良土路基填筑施工工艺研究

骆斌

中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430072

【摘要】膨胀土在我国广泛分布，对工程质量危害极大。本文以蒙华铁路改良土路基试验段为研究对象，通过一系列的室内试验与现场填筑施工试验对改良土路基填筑施工参数进行了研究，主要研究了改良土填料的含水率范围、掺灰比、松铺系数及碾压参数，其研究成果可为类似工程提供一些参考。

【关键词】改良土；路基填筑；施工工艺

1引言

1.1概述

膨胀土主要是由强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成的，具有显著的吸水膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩硬裂两种往复变形的特性，受气候、水文条件影响显著，对工程质量危害极大。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。

1.2国内外研究现状

1959年，美国首次膨胀性黏性土学术会议在科洛多拉州召开，此外国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会及许多地区性的学术会议都将膨胀土工程问题列为议题。多国都先后组织力量专门研究膨胀土的工程性质，制定有关的规范。上世纪50年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都粘土膨胀危害问题。70年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究试验基地。80年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范。1994年在武汉召开的“中加非饱和膨胀土学术研讨会”标志我国非饱和膨胀土理论研究达到了一个新的高度。

1.3研究的目的及意义

目前我国还没有在膨胀土地基或膨胀土改良填料的路堤上新建重载铁路的实践和经验，对膨胀土地基和改良后填料的稳定性及强度控制指标、检验方法等均缺乏相应的数据可依。因此，有必要选取代表性工点开展填料改良、填筑工艺、质量控制等开展系统试验研究，优化设计、指导三荆段膨胀土路基施工。

2试验段工程概况

试验段路基位于河南省邓州市高集乡，填高8.2～10.2m，基床底层及本体均采用弱、中膨胀土改良土填筑。基底为可塑的粉质黏土，承载力较好，具有中等膨胀性。

3试验段路基填筑施工工艺研究

3.1试验段填料分布状况及工程性质

试验段填料主要来源为大山寨取土场，其表层广泛分布一层厚0.3～0.5m的种植土，上为Q₃^al+pl黏土夹粉质黏土，平均厚度约8~15m，下为Q_2~3^al+pl中粗砂和砾砂，局部夹细圆砾土和粉细砂，埋深8-15m，厚度约8~20m。

根据化验结果显示，大山寨取土场在地表以下6-12m以内大量分布强膨胀土，往下1-4m为中、弱膨胀土，中部为中砂、砾砂，局部夹杂粉细砂和细圆砾土，厚度8~15m，下部为粉质黏土胶结层，平均埋深25m以上。

膨胀性指标试验结果

3.2改良方案选择及室内改良试验

基床以下路基本体改良土填料要求为7d饱和无侧限强度≥250kPa，基床底层要求为7d饱和无侧限强度≥350kPa。综合考虑不同改良材料对改良工艺要求的差异、经济性及现场适用性，初步确定以水泥做为改良剂，在此基础上进行了不同水泥掺量的配合比试验，结果显示，膨胀土水泥掺量在2%及以上时，其改良土试件泡水后不发生崩解，且7d饱和无侧限抗压强度值均大于1MPa，适当提高水泥掺量时，7d饱和无侧限抗压强度也随之提高，最大可达到3.9MPa。

结合室内试验结果及试验段填料的来源，初步确定试验段弱、中膨胀土水泥改良的方案为：路基本体掺3.5%水泥，基床底层掺5%水泥。

3.3现场填筑施工工艺研究

3.3.1工艺流程

蒙华铁路煤运通道三荆段改良土路基填筑、压实施工的工艺流程，从路基施工的普遍规律性出发，归纳为“三阶段”、“四区段”、“八流程”。

1）三阶段

改良膨胀土路基填筑、压实施工的全部工艺流程划分为三个阶段。即：路基填筑、压实施工准备阶段；路基填筑、压实施工阶段；路基填筑、压实施工后的整修验收阶段。

2）四区段

为了使路基填筑的每一个独立施工单元建立严密的施工秩序，形成优质、高效的施工流水作业，将整个单元内的路基填筑、压实施工，分为填土、整平、压实、检测四个区段，同时进行平行作业。

3）八流程

改良膨胀土路基填筑、压实施工工艺各个阶段的具体作业，由施工测量、地基处理、填料制备、分层填土、摊铺整平、碾压密实、检验签证、整修验收等八个流程组成。

3.3.2施工机械配置

在实施改良膨胀土路基填筑、压实施工工艺中，充分考虑一机多用的原则，试验段选用如下的主要作业机械组合：

（1）卡特336D型挖掘机，用于卸料、初步摊铺与路基刷坡；

（2）戴纳派克CA602D型震动压路机，用于路基碾压；

（3）TY220型推土机，用于土料的初步整平；

（4）G740VHP型平地机，用于土料的精确整平；

（5）LSS220型压路机，用于土料的快速静压；

（6）自卸汽车，用于土料的运输与自卸；

（7）洒水车，用于路基的洒水养生。

3.3.3施工作业参数研究

在现场填筑施工工艺试验中，对路基本体及基床底层填筑、压实的施工作业参数进行了研究，主要包括：改良土填料的含水率、水泥掺量、填料层的松铺厚度及碾压参数。

1）填料含水率

通过对大山寨取土场土样进行击实试验得出其含水率与其干密度的关系曲线如下图所示。

含水率与其干密度的关系曲线

从图中的曲线的凸形特征可知：

改良膨胀土路基填料的实际含水率与最优含水率的偏差越大，则它的击实干密度越小，改良膨胀土路基填筑、压实的效果就越差。

路基工程施工的实践经验证明，相对于最优含水率的实际含水率偏差，客观上存在着一个正负偏差的容许范围，通常在-1%~3%之间。根据现场施工实际情况，改良膨胀土的实际含水率指标值，宜稍高出其最佳含水率的1%，即15%~19%为宜，此时，可较为容易的将压实系数分别控制在路基基床底层K≥0.93、路基本体K≥0.90的要求范围内。

2）改良土填料的水泥掺量

采用弱、中膨胀土进行现场填筑工艺试验，结果如下：

（1）采用掺量为3.5%～7%的水泥进行改良时，路基压实度K范围为0.902～0.995、地基系数K30＞160MPa/m，满足要求。

（2）采用掺量为5%～7%的水泥进行改良时，7天饱和无侧限抗压强度qu＞1.25MPa，均可满足要求。

（3）现场取土拌合作业完成后，取样进行室内试验，采用掺量为3.5%和4.5%的水泥进行改良时，7天饱和无侧限抗压强度试样约40%发生崩解。采用掺量≥5%的水泥进行改良时，7天饱和无侧限抗压强度试样无崩解，且强度在1.25MPa以上，满足要求。

对于室内试验与现场取样试验结果不符的现象究其原因，主要区别在于现场对填料颗粒粒径控制方面，根据《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2010）规定室内配合比试验颗粒粒径按≯5mm控制，而根据《铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10414-2003）规定改良土填料粒径按≯15mm控制，由于粒径的差异，相同掺量的水泥拌合均匀性、化学改良作用差异较大，导致室内配合比试验与现场填筑工艺试验出现差异。

综上所述，确定现场施工时改良土制备的水泥掺量应≥5%。

3）填料层的松铺厚度

在路基填筑试验段施工现场，将合格的改良膨胀土路基填料分别按35cm、40cm、45cm三种松铺厚度，摊铺在路基填筑面上，每种松铺厚度铺设60m长。使用戴纳派克CA602D型震动压路机，以2.5km/h的速度先静压1遍，再弱振动碾压2遍，强振2遍，最后静压1遍。碾压前的厚度是推土机的初平厚度，碾压后的厚度是达到或接近最大压实密度时的厚度。在作业平面的固定位置上均匀分布10个厚度测点，通过测量个测点的原有基面标高、摊铺初平后标高、压实面的标高及其高差，分别获得松铺层与压实层的厚度值。

松铺厚度分别为35cm、40cm、45cm时，按上述改良膨胀土路基填筑、压实工艺试验方法，实测得到的改良膨胀土路基填料层碾压前、后厚度值及其松铺系数记录总结如下：

松铺系数统计表

分析表中数据可以看出，松铺厚度在35~45cm之间时，平均压实厚度为33~36cm，松铺系数为1.17~1.24，压实度大于0.94，地基系数大于160MPa/m。满足路基本体的填筑压实质量要求，从技术上分析，取35~45cm的松铺厚度是可行的。结合工效、填料制备效率及成本，最佳松铺厚度可确定为40cm，松铺系数1.21，分层压实厚度约34cm。

4结论

1）填料含水率的范围

大山寨取土场土料的天然含水率宜控制在15%~19%，拌合后的改良土填料含水率宜控制在16%~20%。

2）掺灰比确定

现场改良土制备的水泥掺量应≥5%。

3）松铺系数的确定

改良土松铺40cm压实后为34cm，松铺系数为1.21。

4）碾压参数的确定

松铺厚度为40cm，采用碾压遍数组合为：静压1遍+弱振1遍+强振2遍+静压1遍；压路机行进速度为：静压：4km/h、弱振：3km/h、强振：2km/h。

5）经济合理的机械配置

一个作业面配置1台挖掘机（就近的两个作业面可并用）、1台推土机、1台压路机、1台平地机（就近的两个作业面可并用）、1台洒水车（就近的作业面并用）、1台装载机（就近的作业面并用）、15台自卸汽车。

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作者简介：骆斌（1989-），男，安徽芜湖人，2015年毕业于武汉大学，水利水电工程专业，硕士，工程师，现从事铁路地质勘察与路基设计工作。

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