浅谈风积沙路基填筑的关键施工技术

杜国发 严少发

1 工程概况

新建甘旗卡—库伦铁路工程经过内蒙古自治区东北部的通辽市科尔沁沙地,全线风沙地区路基23处,总长47.891 km。有密集的新月形沙丘链群与格状沙丘(蜂窝状沙丘)交替分布。风积沙路基施工是影响工程质量的一个关键因素。在施工中,我们通过现场操作验证等手段,结合风积沙的特性,确定并完善了相对科学的风积沙路基的关键施工工艺。

2 风积沙的特性

2.1 风积沙的基本物理化学性质

试验表明:内蒙古自治区甘库铁路工程所在地区的风积沙一般具有结构松散、级配不良、孔隙率大、透水性强、保水性较差、水稳性好、粘聚力小甚至无粘聚力、抗剪强度低的特点,其矿物成分以石英、长石、云母为主,易溶盐含量很小,其化学性质呈微碱性,无腐蚀性。自然状态下的风积沙,其含水量很低,最低不足1%,最大不超过5%;干容重一般为1.4 g/cm3,湿容重大约为1.5 g/cm3,压实后的最大干密度可达1.76 g/cm3～2.0 g/cm3,为天然状态下的1.2倍～1.4倍。

风积沙的颗粒组成一般很细且十分均匀,其不均匀系数Cu一般在2.6～3.1左右、曲率系数Cc在0.9～1.6左右,粒径在0.25mm～0.074mm含量可占到总量的85%～95%,即颗粒粒径的分布比较集中,级配曲线较陡,属于颗粒级配不良砂,有时,风积沙也会含有一定塑性成分。从取样12组试样的分析结果来看,其液限一般在20左右,塑限一般在15左右,塑性指数一般在4～7之间。但不管是否含有塑性成分,取样63组试验数据得到的颗粒级配曲线都比较陡,颗粒级配比较相近,离散性不大。

2.2 风积沙的基本力学性质

由于风积沙上述特殊的物理性质,它的压缩变形小,压缩量与荷载呈指数关系:回弹模量较大(一般在70 MPa～90 MPa),在荷载反复作用下其值可大于100 MPa;常规的重型击实无法测出其最大干密度,CBR值也无法测出;粘聚力c值很小,在干燥状态下几乎为零,在有一定含水量的情况下,由于毛细作用产生的吸力,表现出一定的假粘聚力。

3 风积沙路基填筑的关键施工技术

3.1 风积沙最大干密度的确定

目前国内没有成熟的沙区路基施工技术规范、施工工艺和方法,风积沙作为路基填料,其最佳含水量和最大干密度如何确定,现行规范中仍没有明确规定。为适应甘库铁路风积沙路基的需要,确保风积沙填筑路基的工程质量,必须合理确定风积沙的最大干密度。在室内通过风积沙在不同的含水量情况下使用表面振动压实仪法和击实试验法取得试验数据,在室外通过修筑试验路,用不同的机具组合进行风积沙路基的压实试验,来对室内试验数据进行验证。经验证,用击实试验法得到的最大干密度偏小,用饱水表面振动压实仪法得到的最大干容重与实际比较接近,所以推荐用饱水表面振动压实仪法作为确定风积沙最大干容重的标准试验方法。

3.2 风积沙的上料、布料

在上料、布料过程中,因风沙路基自身粘聚力太小,载重车辆轮胎容易陷入路基砂体而影响施工顺利进行。对此,一方面选用自重较轻的运输车辆,另一方面,结合本工程特点,线间在填筑完成并经检验合格后的路基中央修建1条厚0.2 m,宽4 m的运料通道,经碾压密实后,便于自卸车、洒水车等在后续工作中不至于陷车而影响施工进度。

3.3 碾压设备的选择

在采用ZY18型压路机进行碾压时,压路机受到砂土沉陷引起的行驶阻力和碾轮前壅土现象造成的阻力而无法行走。因此,采用普通压路机无法完成碾压作业。

改用JIONTARK-YZTY20K型拖式振动羊足碾(自重200进行碾压,牵引采用山推T160型推土机,在填砂路基上进行了来回4遍碾压,其碾压轮迹深度达12 cm,这凸出的12 cm砂土相当松散。其原因是羊足碾的羊角在行走时,将路基面层的砂土挤压上来,造成松散状。对采用羊足碾碾压4遍的路基进行了K30试验,其检测出的K30值为38 MPa/m,而对旁边只是采用山推T220型推土机进行了2遍碾压的部位同样进行K30试验,所检测出的K30值为48MPa/m。这说明羊足碾不仅没有达到碾压密实的作用,反而因为其特有的羊足行走,扰动了砂土本来的稳定性,造成了不密实。因此采用拖式振动碾(羊足碾)不合适。

采用推土机碾压可解决在砂地上的行走问题,同时,因推土机的齿块嵌入沙层,增大了对砂土的单位面积压力值,事实上起到对砂土的插入捣固作用。通过现场试验,原地面未碾压前的地基系数很低,孔深8 cm和18 cm处,天然地基系数K30值分别为29MPa/m和37MPa/m,而经过TY220推土机碾压7遍后,地基系数有显著提高,分别达到145MPa/m和140M Pa/m,说明推土机对地基的压实作用明显。故采用推土机作为压实机械对风沙路基施工是合适的,且以自重吨位大为宜。经过试验得知,推土机功率不应小于140马力。

同时,为了达到更好的效率组合,本工程采用了重型前后轮驱动振动压路机,以18 t～25 t为宜,激振力在250 kN～300 kN。

3.4 土工格栅的铺设

土体一般具有一定的抗压强度,但抗剪强度很低,如果在土体中加土工格栅,以土工格栅为抗拉构件,与土产生互相摩擦作用,限制其上下土体及土体的侧向变形,等效于给土体施加了侧压力增量,从而增强土体内部的强度和整体性,获得准粘聚力和增大其内摩擦角,提高土体的抗剪强度。土工格栅作为路堤加筋作用时,它除了可以提高地基承载力和增加了路堤的稳定性以外,最主要的作用就是减少堤底的差异沉降。

1)铺设要求:首先基层面要进行整平碾压,平整度不大于50mm,压实度达到规范要求。表面严禁有碎石、块石等坚硬凸出物。其次选择合格的土工格栅,在测定的范围内进行铺设。将土工格栅平铺于基层面上,铺设宽度和其他尺寸按设计要求设置。用自制U形扒钉从一端向另一端依次固定。扒钉间距5 m,土工格栅接缝处用4根扒钉固定。土工格栅沿路线纵向铺设,横向接缝时重叠宽度不小于50 cm。在铺设接头时,根据路基纵坡低的一幅在下,高的一幅在上,铺设过程中,应将土工格栅拉紧铺平。2)铺设的质量指标:土工格栅铺设时应拉平拉直,幅与幅之间没有搭接,铺设时与路基面密贴不容许有褶皱。铺好后应及时填筑填料,不得长时间受阳光直接曝晒。土工格栅铺设完成后首先要进行自检,自检合格后报监理检查、签证,合格后进行上料、摊铺、填筑。铺设摊平时,严禁各种机械设备在裸露的土工格栅上通行作业,卸土后土工格栅幅宽范围内由人工铺土并摊平,防止被机械设备碾断以保证土工格栅平整,不起鼓,不起皱。

4 结语

由于风积沙无粘聚性,表面松散,级配差,压实较为困难且难以形成强度较大的整体,因此给施工带来诸多不便。但只要我们能充分认识和利用风积沙的各种特性,并采取有效的措施,抓住关键施工技术,就能使其发挥最大的作用,成为良好的路基材料,以得到广泛应用。那么,在少砂石料而风积沙资源丰富的地区,可以就地取材,节省造价,提高社会和经济效益。

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