高速公路路基填筑施工及质量控制

路基工程填筑施工及质量控制技术开发部 申立刚1、 前言路基工程是公路、铁路工程中的重要组成部分。一般情况下，占到工程总量的60%以上，因其是长条型的建筑物，因此，施工的长度较大，遇到的各种影响因素较多。我国铁路10万余公里，路基问题严重地制约了交通运输和提速的要求。由于当前路基病害、水害及路基事故，每年国家承受着巨大的损失。早年间，铁道部科技司的一篇论文，谈到影响铁路运输的因素时，详尽阐述了路基病害对铁路运输造成的较大的干扰。有70%的铁路病害属于路基病害，维修费用占到了80%以上。因此，在加快工程建设的过程中，我们需要更加重视路基工程的施工，确保路基工程的质量。2、 路基工程填料2.1 路基填料的基本要求填料是指构成路基工程等土工建筑物的原材料。多年的工程实践证明，填料质量的好坏，直接关系到建筑物的强度和变形，已经越来越被工程界所重视。填料根据岩石工程性质及其适用条件划分类别：2.1.1路基基本要求-刚度要求-强度要求-水稳性与排水性要求-耐久性要求2.1.2 国内外路基填料分类标准国外关于土的分类标准很多，有的根据土的结构构造分类；有的依据土的工程性质分类；有的考虑的土的级配和可塑性分类，不同国家根据各自的地域特点和需要，制定了相应的分类系统和分类方法。1、 日本1） A群容易确保地基系数K30大于等于1.1Mpa/cm，且残余下沉量很小；在重复荷载作用下，塑形变形量和弹性变性量小，是一种适宜做路基填料的优质填料。2） B群容易确保地基系数K30大于等于0.7Mpa/cm，且在自重作用下压缩下沉的时间不长；另外，填料经过适当改良处理后，能容易的确保地基系数，K30大于等于1.1Mpa/cm，是一种施工性能好，适宜做路基填料。3） C群有机物、含火山灰质细粒土的砾质土和细粒土，是一种低液限粘土，如果施工管理得当，能确保地基系数K30大于等于0.7Mpa/cm，填料经过适当改良处理后，能确保地基系数，K30大于等于1.1Mpa/cm；压缩性比B群的差，它是用作路基填料的最低限度的普通土。4） D群压缩性高，施工性能不良，是不能用作路基填料的土质和脆弱岩石。5） V群是火山灰质粘性土，就工程特性来讲，重塑后软化且强度显著降低，施工性能比其它土壤坏；这种粘性土与基床表层邻接时，容易产生翻浆冒泥，不适合用作路基填料。2、 德国粗粒土颗粒混合型土壤细粒土有机土、3、 铁盟（铁路联盟）QS0 不适合土，不能用作基层填料，一定要用时，需要采取措施，如添加掺料，进行加固，铺设土工布。QS1 不良土，排水条件好的时候可以使用。这种土可以通过适当的方法改良。QS2 中等好土QS3 好土4、 我国铁路路基填料分类标准1） A组优质填料：级配良好的碎石、含土碎石，级配良好（级配良好是指：从工程观点看，土的级配不均匀（Cu大于等于5），且级配曲线连续（Cc=1-3）的土，称为级配良好的土。不能同时满足以上两个要求的土，称为级配不良的土颗粒的级配决定于各粒组相对含量的比例关系，按照土工试验规程的颗粒分析方法确定。根据试验结果，可用如图21所示的粒径累积曲线表示。一方面可以从曲线上查出各粒组的相对含量的比例，对其分类定名。同时可根据曲线的连续性及其坡度陡缓、范围宽狭的特点了解粗粒土颗粒大小分布状态，并根据不均匀系数(C。)及曲率系数(C)两个特征指标，判别粗粒土颗粒级配的优劣。 上二式中：d60，d30，d10，分别为粒径分布曲线上纵坐标小于某粒径舶含量为60、30、10时所对应的粒径，mm；d10。称为有效粒径；d60。称为控制粒径。 不均匀系数Cu反映粒径曲线坡度的陡缓，表明土粒大小的不均匀程度，是反映土粒组成不均匀程度的参数。工程上常把Cu 5的土称为匀粒土；反之C5的土则称为非匀粒土。曲率系数C反映粒径分布曲线的整体形状及细粒含量。研究指出：Cc 3的土也是不连续，细粒含量小于30；故C13时土粒大小级配的连续性较好。所以，在工程中，对粗粒土级配是否良好的判定规定如下： (1)良好级配的材料。一般来说，多数累积曲线呈凹面朝上的形式，坡度较缓，粒径级配连续，粒径曲线分布范围表现为平滑。同时满足Cu5及Cc13的条件。 (2)不良级配的材料。这类材料颗粒较均匀，曲线陡，分布范围狭窄。不能同时满足Cu 5及C=13的条件。 上述级配的特性，在工程上很有用处。但是必须注意，石渣料和砾质土、风化料、冰碛上的级配变化范围很大，其不均匀系数一般都大于5，并具有压碎性大的特点。因此，在对粗粒土级配优劣的判别时，应结合实际用料的情况和曲率系数进行具体分析。）的粗圆砾、粗角砾、细圆砾、细角砾，级配良好的含土粗圆砾、含土粗角砾、含土细圆砾、含土细角砾。级配良好的砾砂、粗砂、中砂、，含土砾砂、含土粗砂、含土中砂、含土细砂。2） B组良好填料：级配不好的碎石、含土碎石，细粒含量15%30%土质碎石，级配不好的粗圆砾、粗角砾、细圆砾、细角砾，级配不好的含土粗圆砾、含土粗角砾、含土细圆砾、含土细角砾，细粒含量15%30%的土质粗圆砾、土质粗角砾、土质细圆砾、土质细角砾、级配良好的细砂，级配不好的砾砂，粗砂、中砂，细粒含量大于15%的含土砾砂、含土粗砂、含土中砂、含土粗砂。3） C组可以使用的填料，细粒含量大于30%的土质碎石，级配不好的细砂，含土细砂、粉砂，低液限粉土、粉质粘土、粘土。4） D组不应使用的填料，高液限粉土、粉质粘土、粘土。5） E组严禁使用的填料。如有机土。5、我国公路路基填料分类标准用于公路路基的填料要求挖取方便,压实容易,强度高,水稳定性好。其中强度要求是按CBR值确定,应通过取土试验确定填料最小强度和最大粒径。最小强度和最大粒径的要求见表路基填方材料最小强度和最大粒径表项目分类（路面底面以下深度）填料最小强度（CBR）（）填料最大粒径（cm）高速公路及一级公路二级及二级以下公路路堤上路床（030cm）8.06.010下路床（3080cm）5.04.010上路堤（80150cm）4.03.015下路堤（150cm）3.02.015零填及路堑路床（030cm）8.06.0106、不同类型填料的工程性质1）坚硬的石块 如花岗岩、石灰岩、石英岩等岩石块体，具有最高的抗压强度和抗剪强度，作为填料，浸水后强度不变，耐风化、抗冻、抗磨，为最佳的路堤填料。适用于各种条件下的路堤，最适合浸水路堤。在施工时，不应乱堆乱填，否则石块间的空隙过大，可能引起沉降变形。路基碎石填料路基碎石类土填料2）粗砂、中砂、砾石土、碎石土、卵石土这些土无粘聚力或粘聚力很小，其抗剪强度以内摩擦角为主，这类砂石土体颗粒间的摩擦系数大，压缩性小，透水性好，强度不受含水量影响，是很好的填料，适合浸水路堤。路基砂类土填料路基卵石类土填料路基砂类土填料3） 粘土 土体抗剪强度以粘聚力为主，内摩擦角较小，土体浸水后，强度将大大降低，土体膨胀；干燥时龟裂，且冬季冻涨剧烈，雨季容易翻浆冒泥，因而不宜用做填料。4） 一般粘性土 包括粘砂土和砂粘土，其抗剪强度由内摩擦角和粘聚力组成，强度的大小主要取决于土体密实程度和含水量，密实程度越高，强度越大；土体浸水后，其抗剪强度显著降低，粘土颗粒越多，强度降低越显著。这类土体分布广泛，是常用的路堤填料之一。按规定夯填压实后，得到足够的强度和稳定性，是较好的路堤填料。施工时宜在最佳含水量的条件下进行压实。路基一般粘性土填料5）粉砂、细砂这类土的抗剪强度较低，稳定性差。干燥时容易被风蚀流散，遇到水容易液化，是较差的填料之一。若不得不用时，应放缓边坡。并应该采取相应的边坡防护。由于这类土体容易发生振动液化，故不宜作浸水路堤。6） 其他填料易风化软岩 是稳定性较差的填料。工业矿渣是较好的填料。淤泥、淤泥质土，白垩及滑石类土一般不宜用作填料。特殊类土应考虑其对路基的特殊影响。3、路基填筑施工工艺3.1工艺性试验3.1.1试验目的1）确定施工机械的最佳组合；2）确定压实机械的数量及规格；3）计算松铺厚度；4）确定碾压遍数及压实速度3.1.2试验流程以某客专为例介绍工艺性试验。该项目试验段200米（试验长度不宜小于100m），平均宽14.15米,填方数量900m3。1、原地面压实路基正式填筑之前，以进行清表及原地面压实处理。压实度满足规范要求（实测结果大于90%）。监理工程师在现场验收完毕并认可。用灌砂法作压实度的试验。2、测量放线按每20米桩号分别测设左右两侧边桩，控制填筑边线及路面高程，桩面用红漆写清里程桩号。采用 5*5cm木桩作为测量标志。根据设计测设路基边坡线，测量出各桩位的高程，作好记录，并用红漆将该填筑层顶面高程在木桩上标记清楚。填土宽度为每侧设计宽度再加50cm（规范规定3050cm）,以保证边坡的压实度和压路机械的行驶安全。放边线点,用白灰撒出边线作为填土宽度的明显标记。3、上土从一端开始,以25m为一个施工段根据摊铺用土量计算卸土车数.首层填土平均宽度为14.75m,虚铺厚度30cm、35cm、40cm分别试验（路基两侧分别挂30cm、35、40的虚铺厚度线）,每一个施工段需166方土。本试验段需用5辆30T以上自卸车，每车装土18m3，每辆自卸车需卸土9车。卸土现场由负责人指挥,要左右成排前后成行布置卸土点位,要求点位呈梅花形布置等距离布土。路基填方材料最大粒径应小于50mm。 分层填筑厚度应根据压实机械压实能力、填料种类和要求的压实质量，通过现场工艺性试验确定。采用块石类填筑时，分层的最大压实厚度不应大于60cm；碎石类填料填筑时，分层的最大压实厚度不应大于40cm；采用砂类土和改良细粒土填筑时，分层的最大压实厚度不应大于30cm。分层填筑的最小厚度不宜小于10cm。 4、推土机粗平上土完毕后由推土机将土均匀摊铺平整。5、测含水量精平前由试验人员测填土含水量，含水量应控制在最佳含水量的+2%和-3%之内（该种土最佳含水量为12.8%），如含水量偏高则应将土摊铺凉晒。（这个地方可以根据实际情况选择闷料或者摊开洒水）如含水量偏低则应采用洒水车洒水的办法调整含水量，使其达到最佳含水量。需要加的水应在碾压的前一天用洒水车均匀、适量地浇洒在土中，并用拌和机械拌和均匀。加水量按下式估算：m=（w-w0）Q/（1+w0） m所需加水量（kg） w0土原来的含水量（以小数计） w土的压实最佳含水量（以小数计） Q需要加水的土的质量（kg）6、平地机精平填筑土的含水量达到规范要求时，再由平地机迅速精平。精平后测出摊铺层顶面高程并作好记录。精平时适当整出横坡以有利于排水。精平后检测松铺厚度，合格后再进行碾压。7、碾压采用25T振动压路机以4km/h的速度遵循先轻后重、先静后振、先边后中、先慢后快、错轮1/3的原则进行碾压。振动压路机静压1遍、弱振1遍后再强振。从第一遍强振碾压开始每一遍碾压完毕后测一次K30、Evd、K，从而确定压实度达到规范要求时的碾压遍数，当压实度满足规范要求时再用压路机静压一遍。碾压时各区段交接处应互相重叠压实，纵向搭接长度不应小于2m，纵向行与行之间的轮迹重叠不小于40cm，达到无漏振、无死角，确保碾压均匀。碾压完成后路基表面应平整，无翻浆、起皮、起皱现象。压实成型后由测量人员测量压实后的路基顶面标高，并与虚铺时的标高相比较，计算从而得出该种土质的虚铺系数。（8）质量检验压实完成后按照要求进行自检。3.1.3堆载预压是否进行预压需要按照设计要求，这里根据需要预压的路基工程介绍预压过程。1、预压土填筑之前，应先在填筑面全铺一层土工布，土工布幅宽不小于5m，并考虑10%搭接，以利于预压均匀并防止土方卸除时造成路基污染，然后进行预压土填筑。2、土工布材料主要指标及要求：土工布的重量不少于200g/m，最大延伸率65%，CBR顶破强度2.0kN，刺破强度及撕裂强度0.4kN，垂直渗透系数不小 于1*10-2cm/s，等效孔径O950.2mm。3、预压土填筑横断面边坡坡率为1:1，纵向边坡坡率为1:4，填筑完成后，将土工布回折，每侧宽度不小于3m，并用土压好，防止预压土流失，污染坡面。3.1.4试验结论（参考）根据例子中试验方法，得出以下结论：1）最佳机械组合：通过试验总结出最佳机械组合为：ZL50装载机2台，运输车10辆，GD511A平地机一台，STR30C振动压路机1台，宝马压路机1台，T140型推土机1台，以上机械组合为单工作面施工设备配备最佳组合；2）松铺系数及松铺厚度：压实厚度：经试验得出，最佳压实厚度为35cm。松铺系数：经过测量数据统计分析，土方填筑在达到规范要求的指标下，松铺系数为1.16。松铺厚度：最佳压实厚度松铺系数=351.16=40cm。3）碾压速度、遍数及方式：通过现场实测得出土方填筑在静压一遍、弱振一遍、强振三遍后，压实系数K能满足设计要求，压实机械选用25t宝马压路机。4、路基填料改良技术要点4.1 石灰改良填料技术消解的石灰石灰4.1.1 石灰改良填料的原理石灰土的化学反应：石灰与土之间的作用，迄今研究的还不够，主要可能是石灰水溶液中的钙离子取代土粒表面一价钠、钾离子，使土颗粒的结合水膜变薄而聚集成团粒，增大石灰土的内摩阻力；石灰是氧化钙（生石灰）和氢氧化钙（消石灰）的统称。不论生石灰、消石灰，水化后和土壤中的二氧化硅或三氧化二铝以及三氧化二铁等物质结合，即可生成不溶性胶结体的含水硅酸钙、铝酸钙以及铁酸钙，将土颗粒粘结起来，使灰土强度得到改善和水稳定性。灰土逐渐硬化，增加了土壤颗粒间的附着强度4.1.2石灰质量标准 石灰的技术指标类别指标项目钙质生石灰镁质生石灰钙质消石灰镁质消石灰等 级IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII有效钙加氧化镁含量（%）858070807565656055605550未消化残渣含量（5mm圆孔筛的筛余，%）71117101420含水量（%）444444细度0.71mm方孔筛的筛余（%）0110110.125mm方孔筛的筛余（%）13201320钙镁石灰的分类界限，氧化镁含量（%）5544 4.1.3 石灰土改良的试验1、石灰稳定土的抗压强度标准石灰稳定土的抗压强度标准公路等级层 位二级和二级以下公路高速公路和一级公路基层（Mpa）0.8底基层（Mpa）0.50.70.8注：在低塑性土（塑性指数小于7）地区，石灰稳定砂砾土和碎石土的7d浸水抗压强度应大于0.5Mpa（100g平衡锥测液限）。低限用于塑性指数小于7的粘性土，且低限值宜仅用于二级以下公路。高限用于塑性指数大于7的粘性土。2、石灰稳定土的组成设计应根据强度标准，通过试验选取最适宜于稳定的土，确定必需的或最佳的石灰剂量和混合料的最佳含水量，在需要改善混合料的物理力学性质时，还应确定掺加料的比例。采用综合稳定土时，如水泥用量占结合料总量的30%以下，则按本章的技术要求进行组成设计。3、原材料试验在石灰稳定土层施工前，应取所定料场中有代表性的土样进行下列试验：（1）颗粒分析；（2）液限和塑性指数；（3）击实试验；（4）碎石或砾石的压碎值；（5）有机质含量（必要时做）；（6）硫酸盐含量（必要时做）。如碎石、碎石土、砂砾、砂砾土等的级配不好，宜先改善其级配。应检验石灰的有效钙和氧化镁含量。4、混合料的设计步骤按下列石灰剂量配制同一种土样、不同石灰剂量的混合料：1）做基层用砂砾土和碎石土：3%，4%，5%，6%，7%塑性指数小于12的粘性土：10%，12%，13%，14%，16%塑性指数大于12的粘性土：5%，7%，9%，11%，13%2）做底基层用塑性指数小于12的粘性土：8%，10%，11%，12%，14%塑性指数大于12的粘性土：5%，7%，8%，9%，11%5、确定混合料的最佳含水量和最大干（压实）密度，至少应做三个不同石灰剂量混合料的击实试验，即最小剂量、中间剂量和最大剂量，其余两个混合料的最佳含水量和最大干密度用内插法确定。按规定的压实度，分别计算不同石灰剂量的试件应有的干密度。按最佳含水量和计算得的干密度制备试件。进行强度试验时，作为平行试验的最少试件数量应不小于表4.3.3中的规定。如试验结果的偏差系数大于表中规定的值，则应重做试验，并找出原因，加以解决。如不能降低偏差系数，则应增加试件数量。试件在规定温度下保温养生6d，浸水24h后，进行无侧限抗压强度试验。计算试验结果的平均值和偏差系数。表4.3.3最少试件数量偏差系数试件数量土类10%10%15%15%20%细粒土69根据强度标准，选定合适的石灰剂量。此剂量试件室内试验结果的平均抗压强度R应符合公式的要求：RRd/(1-ZaCv)式中：Rd设计抗压强度(表4.3.1);Cv试验结果的偏差系数(以小数计);Za标准正态分布表中随保证率(或置信度a)而变的系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，即Za=1.645;其他公路应取保证率90%，即Za=1.282。无侧限抗压试验仪工地实际采用的石灰剂量应比室内试验确定的剂量多0.5%1.0%。采用集中厂拌法施工时，可只增加0.5%;采用路拌法施工时，宜增加1%。4.2 （石灰+水泥）综合稳定土5、盐渍土路基施工5.1 什么是盐渍土路基盐渍土地区路基是指：在深 1米的地表土层内，易溶盐含量大于0.3%的土地。在道路工程上，盐渍土可按含盐性质分为氯盐渍土（5%）、亚氯盐渍土（5%）、亚硫酸盐渍土（5%）、硫酸盐渍土（2.5%）和碳酸盐渍土（2%）；也可按含盐量分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和过盐渍土等。土中的易溶盐能改变土的物理性质，需要采取措施，才能保证路基的稳定和正常使用。5.2 盐渍土对路基稳定性的影响盐渍土对路基稳定性的影响同环境条件有关。氯盐渍土易遭溶蚀而产生湿陷、坍塌等病害，但在干燥条件下,氯盐却可起粘固作用。硫酸盐渍土在气温下降时,因硫酸盐结晶结合一定数量的水分子而膨胀，产生盐胀现象。碳酸盐渍土遇水膨胀，并且泥泞不堪。此外，硫酸盐、碳酸盐都对沥青路面有很强的侵蚀性。 5.3 工程上一般采取的对策（工程处理原则） 1、控制填料的含盐量和密实度， 2、控制路堤的高度。 3、隔断毛细水 4、降低地下水位和排水 5、防止溶蚀的措施。（包裹） 6、地基换填处理 7、砾石桩加固地基（在盐渍土的含水量较大区） 8、强夯法加固地基 9、浸水预溶法（使用在砾石类土中）6、风沙路基6.1 风沙地区路基宜在少风、风速较小或有雨季节分段集中施工，并在大风来临前配套完成。若当地风力较强或需在风季施工时，应采取临时防护措施。填筑路堤当日不能完工地段，对坡面和路肩应加以覆盖；开挖路堑，应从一开始就随用平铺式栅栏或草席、芦苇等将破面、路肩护好，周围用小木桩固定或用大石块或混凝土预制块压住。6.2 风沙地区包括沙漠和沙地。风沙按其运动形式可分为风沙流和沙丘两种。风沙流是指含有沙粒的运动气流。当风吹经沙质地表时，将疏松沙粒扬起，带入气流，即形成风沙流。沙丘的移动是风沙流的一种运动形式。沙丘按稳定程度可分为固定沙丘、半固定沙丘与流动沙丘三种。风沙对道路的危害主要表现为沙埋与风蚀，其中又以沙埋为主。路基遭受沙埋有两种形式：其一是在风沙流活动地区，由于沙粒沉落、堆积，掩埋路基；其二是在流动沙丘地区，由于沙丘向前移动，掩埋路基。路基遭受风蚀，将会出现削低、掏空和坍塌等现象。在风沙地区，道路应尽量避绕严重的流沙地段，选择沙害较轻的地带通过，并尽量靠近水源。必须穿过流沙地区时，则应考虑：在沙区最短的地方通过；在沙丘间的中立地带通过；道路走向宜与当地的主风向大致平行。为防止积沙和便于清除积沙，路基应尽量避免不填不挖和路堑，而宜于采用适当高度的路堤。为防止风蚀，由疏松沙所组成的路堤或路堑都需进行固沙防护。在流沙地区，道路工程可采取固沙、阻沙、输沙、导沙等防护措施。1）固沙措施包括用卵石、砾石、碎石、粘性土或沥青乳剂等覆盖沙面；用草类方格沙障或粘性土埂方格沙障固沙。2）阻沙措施有高立式沙障和挡沙沟堤。3）输沙措施是用改变下垫面和加大风速的方法，使风沙流顺利通过路基。4）导沙措施是用导沙堤改变气流方向，使风沙流离开路基。植物固沙是防治沙害的根本措施，有条件的地区应优先采用。