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1、膨胀土填芯路基施工工法申报单位：山东鲁桥建设有限公司申报时间：二O二年四月膨胀土填芯路基施工工法山东鲁桥建设有限公司徐景岩 郭瑞鹏 李景军 陈凯军 郭明章1. 前言膨胀土在我国分布极广，目前已在20 多个省、市、自治区发现 膨胀土。其主要分布在云贵高原至华北平原间各流域形成的平原、盆 地、河谷阶地以及河间地块和丘陵等地区。其中，珠江流域的东江、 桂江、郁江、南盘江水系，长江流域的长江、汉水、嘉陵江、岷江、 乌江水系，淮河、黄河、海河流域各干支流水系等地区膨胀土分布最 为集中。由于膨胀土具有明显的胀缩性、超固结性和多裂隙性，如直 接用以填筑路基或在改良和填筑施工过程中质量控制不当，都会对路 基稳
2、定性带来相当大的危害。因此，在大规模、高标准公路建设的工 程实施中，必须高度重视膨胀土改良技术和改良膨胀土路基施工技 术。临枣高速公路项目地处山东省南部，路线内丘陵顶部及丘间洼地 相对较为平坦，多辟为耕地，属膨胀土集中地区，该项目路基填筑方 量大，仅临枣高速五合同段借土填方就达326 万方，土源极其紧张。 经勘察表明五合同K64+207K66+404段可利用的土场全为弱膨胀 土。在建设单位、监理和设计单位的支持下，我公司与山东省交通科 研所针对膨胀土路基施工进行了技术攻关，在充分考虑技术、安全及 临枣高速建设具有的特殊性质、外部条件等的前提下，根据现场土性 分析、施工条件、结构特点的不同，制定
3、了一套新型施工方法膨 胀土填芯、改性土包边方案。该方案首先在临枣五合同进行了试验性 施工，并在试验施工中开展了“膨胀土填芯路基施工质量控制”项目 科学试验研究工作，对改性土包边膨胀土路基施工工艺进行了探索和 研究，试验证明膨胀土填芯路基施工方案既能满足规范要求，保证工 程质量，又能节约工程投资。经过试验段施工，我们对膨胀土填芯路 基施工方案进行了总结、完善，并在随后整个临枣高速公路的膨胀土 路基施工中得到全面推广和应用。2. 工法特点包边法是一种路基结构性措施，包括路基两侧的包边、以及膨胀 土土芯的上、下封层处理，通过将未加处理的膨胀土芯与外部环境一 定程度的隔离和平衡，降低了环境湿度变化、大
4、气降水、地下水位变 化对膨胀土芯的影响，从而保证路基整体的稳定性。其特点如下：2.1 膨胀土土芯直接利用膨胀土填筑，避免了远距离取土，降低 了直接工程费用，生态环保效益良好。2.2膨胀土包边结构，在路基填土高度为68m、弱膨胀、路基 坡度为1:1.51:1.75、上下封层结构合理的前提下，结构稳定性良 好。2.3使用改性膨胀土包边，中间直接填筑素膨胀土进行路堤施工， 路基可全断面同时布土、推平、碾压等，只在碾压前增加了改性土包 边路拌施工工序，施工方便快捷。2.4实施前应根据工程地质情况及环境条件进行室内土工试验和现场生产性试验，确定改性土和膨胀土施工的最佳施工技术参数和施 工工艺，以指导现场
5、施工。3. 适用范围本工法适用于高速公路、一级公路、铁路、机场等工程的膨胀土 路基施工，也可用于膨胀土路基的病害加固处理。4. 工艺原理改性处理是利用石灰、水泥或其他固化材料通过与膨胀土的物理 化学作用对膨胀土进行处理，以达到抑制土体膨胀，减弱收缩，增加 力学强度，提高水稳性等目的。改良后的膨胀土可达到非膨胀土的各 项指标要求，从而可用于路堤填筑施工。本工法突破了常规的膨胀土路基施工方法，借鉴了国内最新的膨 胀土治理技术，通过试验确定了膨胀土的物理性质，工程性质，提出 了膨胀土填筑路基的化学处治技术，使膨胀土直接用作路基填料进行 了全新的评价，扩大了膨胀土的利用范围，提高了取土场的利用率， 节
6、约了工程造价，有利于生态环境的保护。5. 施工工艺流程及操作要点5.1 膨胀土的特性及判别5.1.1 膨胀土的特性膨胀土是一种遇水急剧膨胀，失水则严重干缩的高塑性粘土，它含有蒙脱石及伊利石、高岭石等膨胀性矿物，具有很强的亲水性、持 水性和很高的可塑性及粘聚性，工程力学性质极不稳定。5.1.2 膨胀土的判别膨胀土根据其膨胀率大致可分为强、中、弱三级，一般在设计文 件中也有规定，也可取样通过试验而定。按照自由膨胀率、液限和塑 性指标，膨胀土的判定及分类见表 1。填料膨胀土等级判定标准 表 1膨胀潜势等级指标弱膨胀土中膨胀土强膨胀土液限（）40 5050 7070塑性指数15 2828 4040自由
7、膨胀率（）35 5555 80800.002mm胶粒含水量（）50标准吸湿含水率（）2.5Wsl6.84.8Wsl6.83 16.85.2 取土场土样分析项目部对K64+207K66+404段路基填筑所用取土场南刘村取土 场进行了土质调查，采用洛阳铲探查，将该取土场划分为4个取土区， 即西南1区，东南2区，西北3区，东北4区，每个区取3个断面， 每个断面3个点，共36个点，探取深度2.3米；经试验检测，取出 的土样均为高液限粘土及弱膨胀土。试验结果见表2。取土场膨胀土性能指标表 2取土区西南1区东南2区西北3区东北4区液限（）53624641塑性指数（）34392926自由膨胀率（）44525
8、0425.3 包边法相关参数的确定改性膨胀土包边，宜采用减缓坡度，一般坡度采用1.51:1.75; 且路基高度相对较低，一般为6m8m的情况，否则宜采用分段台阶 形式。改性土环境湿度的影响深度一般为0.8m1.5m，考虑到边坡附 近宽度1.5m范围内，受边界干扰较大，压实度不稳定，包边厚度宜 大于2.5m, 一般采用3.0m3.5m。路床和上路堤1.5m需采用粘土或 改性土封层，底面一般设臵隔离毛细和起到排水作用的下封层，厚度 一般不小于 50cm。本地区石灰产量少，成本较高，且对空气污染较大，经过对比分 析后决定采用水泥进行膨胀土的改性处理。临枣高速公路K64+207 K65+060段路基填
9、筑高度为6.0m，路基 边坡为 1:1.5，包边区域采用“水泥改性膨胀土”填筑，中间素膨胀 土直接填筑，水泥改性土包边厚度为 3.5m。5.4 包边土改良试验5.4.1水泥的改良膨胀土作用机理水泥改良膨胀土能大幅度地提高膨胀土的稳定性和耐久性。掺入 水泥后，膨胀土的化学组成以及内部结构发生变化，从而引起膨胀土 的强度、胀缩性等特性发生改变。水泥对膨胀土物理力学性能的影响 主要体现在以下 3 个方面：（1）团粒作用: 水泥水化反应的胶凝产物将土颗粒粘结起来， 提高了土体的稳定性和耐水性。（2）离子交换作用: 水泥与膨胀土发生离子交换作用改变了膨胀土颗粒与水分子的作用力。（3）凝硬反应和碳酸反应:
10、 水泥凝硬反应以及氢氧化钙与空气 中的二氧化碳发生反应生成耐水的碳酸钙，提高了膨胀土的强度。5.4.2 试验方案及结果改良试验采用水泥掺灰比例为 3%、4%、5%、6%、7% （ 干土质量 百分比） 。掺灰后膨胀土样的制备按照扰动土样的制备程序重新制 备。对掺水泥后的膨胀土进行了界限含水量、自由膨胀率、强度等试 验。击实试验采用重型电动击实仪。通过击实试验得到最大干密度和 最佳含水量，在此基础上重新制备土样进行强度试验，土样在保湿器 中养护 28 天，采用快速直剪法进行试验。经过室内掺灰试验对比分析后，确定路床下上封层为150cm，采 用水泥剂量4% “水泥改性膨胀土”填筑，下封层为50cm，
11、采用水泥 剂量 3% “水泥改性膨胀土” 填筑，包边区域采用水泥剂量 5% “水泥改性膨胀土” 填筑，参见以下包边断面图。V50下封层 改良膨胀土长度单位cm；路床顶面上封层 改良膨胀土二150膨胀土芯膨胀土芯、/ / /图 1 水泥改性土包边填筑示意图5.5 改性土的施工拌和方法在国外，改性土的施工方法主要有三种。第一种方法是就地拌合 法或称路拌法。采用这种方法时，先将要改良的土（沿线路挖的或从 附近取土坑中挖的膨胀土）摊铺在下承层上，整形后在其上摊铺掺入 料，然后用路拌机进行拌合，并进行整平和压实。第二种方法是用移 动式拌合机沿线拌合。这种方法经常用于大的工程，在国外使用的最 多。第三种方
12、法是中心站拌合法或称集中拌和法，即集中在某一场地 （通常在取料厂），用固定式拌合机拌合石灰土混合料，用自卸卡车将 拌成的混合料运送到铺筑工地，然后进行摊铺和压实。根据现场施工 的机械配备情况，采用德国宝马路拌机（MPH100）拌和。5.6 施工工艺流程及操作要点 由于中部填筑未改性土施工为常规方法，故以下仅叙述改性土的 施工工艺。改性土施工工艺流程为：填筑材料及地基试验、检验一现场生产 性试验一基底处理一土场取土一布土一初平一路拌一精平一碾压- 检测。其操作要点为：5.6.1 试验室室内外试验包括填筑所用土料的土性试验、液塑限、土的颗粒分析、击实试 验（包括不性良土、水泥土的不同含水率、不同掺
13、合比状况下的击实）、 土的承载比、填方区的地基承载力试验等。5.6.2 现场生产性试验通过现场生产性试验确定水泥掺用比例、松铺厚度、最佳含水率、 压实机械的压实遍数、改性土的压实度等路堤填筑施工技术参数，以 此参数指导施工。5.6.3基底处理路基施工前先做好截水沟、排水沟等排水及防渗设施，水沟的断面为80X 80cm。地面横坡缓于1： 5时，清除地表草皮、腐殖土后， 原地面经压实，验收合格后，可直接在地面上填筑路基。地面横坡陡于 1： 5 时，在清除地面草皮杂物后，应将原地面挖 成台阶，台阶宽度不小于2m,高度为0.20.3米，台阶顶面做成向 内倾斜2%4%的斜坡。场地清理完成后,应全面进行静
14、压。静压采用小型振动压路机进 行光碾检验（压2 3 遍）,不宜采用振动碾压,以免破坏土体原有的 结构性,使其强度降低。在碾压过程中,如发现土过干、表面松散, 应适当洒水；如土过湿,发生“弹簧” 现象,应采用挖开晾晒、换 土、掺石灰或根据具体情况决定是否施工垫层等措施进行处理。5.6.4 土场取土在取土场取土,并检测取土的各项指标,符合规范要求即可采用, 同时应确保土料的含水率合适,否则需采取降低或升高含水率措施。 土场里的弱膨胀土经检测合格后可运至填筑路基面用于填芯施工。5.6.5 布土全断面摊铺素土,保证素土的天然含水率在最佳含水率1 % 2 % 范围内,用铧犁配合旋耕机破碎土团重复以上过程
15、 2 3 遍。土料摊 铺时安排专人负责,根据试验确定的碾压机具所确定铺土层厚,定专 人指挥卸料,从而掌握卸土间距与布土的稀密,以提高摊铺速度及平 整度。路基填筑先从低洼地段开始,后填一般地区,从下向上分层平行 摊铺，每层松铺厚度一般为25cm。为控制摊铺厚度和减少摊铺工作 量，应尽量准确控制布土密度。具体做法为：根据自卸车装土体积， 计算出每车应摊铺面积，然后划成方格，每格倒一车。全断面全幅布 土，同层同次碾压，保证其高层、层厚达到设计要求。5.6.6 初平 采用推土机初平，严格控制松铺厚度，初平应达到一定的平整度，推土机推平后再上平地机，对包边宽度不够的应人工予以修整。5.6.7 路拌仅对包边部分进行布灰。摊铺水泥时，根据改性土压实厚度、干 容重和水泥剂量，计算每一平方米水泥土需要的水泥用量。然后用石 灰粉撤线画出固定面积的格子，称取固定数量的水泥摆放到格子内， 并检查有无遗漏或多余，人工用刮板把水泥均匀摊开。水泥摊铺完毕 后，表面应没有空白位臵，也没有水泥过分集中的位臵，并确保水泥 改性土垂直坡面厚度不小于 3.5m。用路拌机、旋耕机进行灰土拌
