第7卷 第2期2010年4月铁道科学与工程学报
J O URNA L O F RA I L WAY SC I ENCE AND ENG I NEER I NG V o l 7 No 2
A pr . 2010
含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
胡晓军
(中铁十六局集团第五工程有限公司, 河北唐山063000)
摘 要:鉴于高速铁路对路基填料的严格要求, 改良土填料是解决高速铁路路基的一项关键性技术。本文就软岩颗粒级配控制、松填厚度、最大干密度量佳含水量、碾压设备及碾压速数的确定、质量检测和工后沉降进行综合研究。结合工程实例介绍路基填筑过程中, 对沿线大量的软岩弃方采取改良措施后, 用于客运专线基床以下路堤本体填筑的施工技术, 该措施既节约投资, 保护环境, 又为类似工程的设计、施工提供依据。关键词:含砾砂岩; 施工工艺; 填筑; 质量控制; 检测; 整体稳定性
中图分类号:U 213. 1+4 文献标志码:A 文章编号:1672-7029(2010) 02-0102-08
F i e l d filling technol o gy of improved soil fill e r for pebbl y sandstone
HU X iao j u n
(Ch i n a Rail w ay 16Bureau Group 5t h E ngi neeri ng C o . Ltd . , Tangs h an 063000, Ch i na)
A bstract :Due to the strict require m en ts of roadbed filli n g inW uguang h i g h speed rail w ay , the i m proved soil filler beca m e a key techno logy i n subgrade treat m en. t The so ft rock particle size d istri b uti o n loose fill th ickness , m ax i mum dr y density , opti m um w ater conten, t deter m i n ation of r o lli n g equipm ent and post-constr uction settle m ent
w ere co mprehensi v ly st u died . Based on eng i n eer i n g pro j e c, t t h e techno l o gy of e mbankm ent filling under the pas senger dedicated line foundati o n bed w as i n troduced . This techno logy can save i n vest m ent and protect the env i ronm en. t Further m ore , it can prov i d e reference and guidance for si m ilar pr o jects . K ey words :pebb ly sandstone ; constructi o n techno l o gy ; i m proved so il filli n g ; quality contro; l testi n g ; stab ility
参数及质量检测方面的经验。
1 工程概况
2 主要机械设备
该段路基填高大多在5~7. 4m 之间, 地基采用CFG 桩加固, 基床表层采用级配碎石+5%水泥填筑, 基床底层采用A 、B 组填料填筑, 路基本体采用含砾砂岩强~弱风化混合物物理改良土填筑, 护坡形式为现浇C20砼拱形骨架护坡, 边坡设土工格栅加筋补强, 坡脚设干砌片石护道。改良土顶部铺设三层双向土工格栅, 层间距0. 3m , 在改良土顶面铺设一层复合土工膜。DK1626+300~+900段路堑挖方主要以含砾砂岩强~弱风化物为主, 为该段路基所需填料提供料源保障。通过室内试验及现场填筑施工, 得出含砾砂岩物理改良土施工工艺
*收稿日期:2010-01-18
主要机械设备见表1。
表1 主要机械设备
Tab le 1M a i n m echan i ca l dev i ce table
机械名称压路机装载机鄂式破碎机平地机推土机挖掘机
内燃式振动冲击夯
型号25T ZL50R 600X900GR180T140-1型PC200H CR90型
数量1111122
作者简介:胡晓军(1980-), 男, 陕西合阳人, 工程师, 从事高速铁路客专的建设工作
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
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4. 2 取样检测点位布置
3 含砾砂岩物理改良土的室内试验
对于含砾砂岩弱~强风化物物理改良, 重点应
该试验以下几个方面内容。
(1) 物理力学性质。基于含砾砂岩的矿物成分与结构特征, 深入探讨含砾砂岩浸水软化及其风化分解机理与特性, 进而提出含砾砂岩强~弱风化物物理改良处理的有效方法。
(2) 颗粒级配及不均匀性要求。我国规范规定粗粒土级配良好的条件为:C u >5, C c =1~3, 级配良好的填料碾压后易得到较高的密实度, 具有较好的工程性质。
(3) 软岩改良土填筑施工技术研究。含砾砂岩填料填筑施工的关键是控制好2个技术环节:其一是必须保证填料填筑的路基具有较高的密实度, 控制路堤本体在设计运营期间的沉降量满足设计要求; 其二是在填筑施工过程中, 尽量防止填料细化和泥化现象的产生, 提高填料填筑路基本体的承载能力和的稳定性。
沿路基中心线, 按梅花形均匀布置试验取样、测试点位, 最外侧点位距路肩线1~2m, 点位之间横向间距10~15m, 纵向间距20~30m 。其中:K 30, E V 2和E vd 各测4点, 路基左右边线各测1点, 路基中部测2点; n 和K 分别测6点, 路基左右边线各测1点, 路基中部测2点。
5 施工工艺
含砾砂岩强~弱风化物物理改良土填筑路基本体, 需要破碎、拌和、填筑3道施工工序密切配合, 相互协调, 科学施工, 才能取得经济、合理、快速的施工效果。
5. 1 填料的选择、破碎及改良
含砾砂岩强~弱风化物取自该试验段路基附近路堑挖方弃碴, 根据现场填料室内试验成果, 经破碎、筛选后, 掺20%粗砂改良。
(1) 含砾砂岩强~弱风化物的选择。则开挖的微风含砾砂岩岩面见图1, 强风化及全风化含砾砂岩岩面见图2。
4 质量控制及验收标准
4. 1 质量控制标准
(1) 含砾砂岩物理改良土的掺砂率及拌和后
[5]
颗粒粒径级配控制及验收标准应符合表2规定。
(2) 基床以下路堤填料及其压实标准应符合表3中的规定。
含砾砂岩物理改良土碾压后质量控制指标应不低于上表中碎石类及粗砾土的要求; 另外应满足E v 2/E v 1的要求:即一般情况下, E v 2/Ev 1 2. 6, 当2. 6
图1 刚开挖的微风化含砾砂岩新鲜岩面F ig . 1F resh breeze o f pebbly sandstone rock surface
表2 含砾砂岩物理改良土的掺砂率及拌和后颗粒径级配控制及验收标准
T ab l e 2Contro l standard of m i x i ng sand rate for pebb l y sandstone
项目掺砂率颗粒分析
检测方法质量配比筛析法
工艺场地集中拌和法场地集中拌和法
曲率系数C c =1~3
控制标准20%
D m ax 60mm, 小于5mm 粒径含量为15%~20%, 不均匀系数C u >12,
表3 基床以下路堤填料及其压实标准
Tab le 3C o m paction standard of e mbank m ent filli ng be l ow the foundati on bed
填料细粒土改良土
砂类土及细砾土碎石类及粗砾土
地基系数K 30/(MPa m -1)
90 110 130
变形模量E V 2/M Pa 动态变形模量E vd /M Pa 压实系数
45 45 45
35 35 35
0. 92
31
31孔隙率n /%
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铁道科学与工程学报2010年4月
由于含砾砂岩强~弱风化物含泥量较高, 当含砾砂岩强~弱风化物含水量较高时, 特别是雨后, 破碎效率很低甚至无法进行破碎, 需要进行晾晒。经比较, 含砾砂岩强~弱风化物的含水量为10%~15%时, 破碎工效较高, 可以接近其额定生产能力。
(3) 含砾砂岩强~弱风化物的拌和改良。由室内筛分试验可知, 含砾砂岩强~弱风化物破碎料级配不良, 掺20%粗砂后, 其级配及力学性质得到
图2 强风化及全风化含砾砂岩岩面
F ig . 2Strong w i nd and comp l e tely wea t hered sandstone
rock sur f ace g rave l
明显改善。5. 2 场地集中拌和法施工
场地集中拌和法是直接将破碎好的含砾砂岩强~弱风化物填料运至该段路基上, 将其均匀堆放并用装载机修成较平整的堆积体。根据破碎料方量, 按比例要求运粗砂到路基上, 用挖掘机将粗砂均匀地撒布在破碎料堆积体上, 然后用挖掘机和装载机拌和3~4遍, 辅以人工配合进行拌和的方法工艺流程见图6。
(2) 含砾砂岩强~弱风化物的破碎。含砾砂岩强~弱风化物经分选后, 运到破碎场, 大块风化物岩块用挖掘机进行敲击破碎, 方可以进入破碎机进行破碎。破碎工艺流程如图3所示, 破碎破碎设备见图4, 破碎后含砾砂岩风化物见图5。
图3 含砾砂岩强~弱风化物破碎流程图F ig . 3P ebbly sandstone strong -w eak w eathered crushing
flow chart
图6 场地集中拌和法改良土施工工艺流程F ig . 6Site focused on i m proved so il m i x i ng m ethod o f con
struction pro cess
根据现场拌和经验看, 此法工艺流程相对简洁, 工效相对较高, 1台挖掘机和1台装载机的拌
和能力可达250t/h。但此法可控性相对较低, 拌和均匀性相对较差, 但辅以人工配合后, 其混合料拌和质量亦能满足要求。
从满足路堤填筑施工要求出发, 考虑到改良填
图4 破碎厂破碎设备
F ig . 4C rushi ng plant crush i ng equi pment
料在摊铺、整平过程中含水量的损失, 拌和时填料含水量宜控制在比最优含水量高1%~2%比较合适。现场拌和后, 在不同部位取改良混合料进行级
配试验, 四组试验结果分别为:C u =127. 64, C c =0 7; C u =75. 16, C c =1. 17; C u =123. 88, C c =1 94; C u =158. 85, C c =1. 73; 级配基本良好, 说明含砾砂岩风化物改良土采用场地集中拌和法可以满足填料的拌和要求。
主要机械配备为:1台挖掘机, 1台装载机, 1台推土机, 1台平地机, 1台压路机。场地集中拌合法及拌合后的改良土见图7。
图5 破碎后的含砾砂岩风化物
F i g . 5Broken afte r t he gravel w eat hered sandstone
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+2%, 碾压含水量控制W op t -1. 5%~W op t +1%范围内, 路基的压实质量可以满足要求。5. 3. 2 压实层厚和摊铺系数
在规范要求范围内, 同一施工机械碾压时, 不同的压实厚度所需的碾压遍数和取得的碾压效果不尽相同, 为了确定含砾砂岩物理改良土既能达到质量验收标准, 又经济合理的填筑厚度, 分别进行25, 30, 35c m 种压实厚度的压实效果对比。含砾砂岩物理改良土的摊铺及摊铺整平后的路基分别见图8和图9
。
3
图7 场地集中拌和法及拌和后的改良土F ig . 7Site concentrati on a fter the m i x i ng m ethod and i m
provement m ix i ng so il
图8 含砾砂岩物理改良土的摊铺整平
F ig . 8G ravel sandstone pav ing the physical i m provem ent of
so il leveli ng
5. 3 施工工艺参数确定
5. 3. 1 含水量
(1) 填料含水量控制。含水量是影响物理改良土填筑路基生产效率、压实质量的主要因素之一, 且不同的施工工艺和同一施工工艺在不同的流程中对含水量的要求有所不同, 为了提高生产效率, 改善压实质量, 需在不同施工工艺和同一施工工艺不同的流程中对含水量进行控制。
通过室内试验可知, 含砾砂岩强~弱风化物物理改良土掺20%的粗砂改良作为填料, 其最佳含水量为4. 6%。而在施工生产中发现, 含砾砂岩强~弱风化物破碎料在摊铺填筑的过程中, 受气温、粉碎拌和、摊铺等因素的影响, 含水量会降低。特别是夏天, 当气温高于30 时, 失水非常快, 常出现摊铺后含砾砂岩强~弱风化物物理改良土表层较干, 需洒水后进行碾压, 既影响施工进度, 又增加生产成本。现场试验发现, 其摊铺前含水量比最佳含水量高2%~2. 5%时, 碾压效果较好。所以在摊铺前, 应按 稍高勿低 的原则控制含砾砂岩强~弱风化物物理改良土的含水量组织施工。(2) 压实指标与含水量间关系。含水量在3 1%~5. 7%范围内时, 压实度都在0. 92以上, 其中含水量在最佳含水量4. 6%附近时, 压实度分布在0. 94~0. 96范围内, 平均值为0. 95, 变化幅度不大; 当含水量为6. 1%时, 压实度为0. 86。从以上分析可见, 摊铺含水量宜控制在W opt -0. 5%~W opt
图9 摊铺整平后的路基F ig . 9A fter l eve li ng pav i ng subgrade
(1) 虚铺系数。各层压实层厚及虚铺系数约
为1. 1~1. 2, 随着填筑层厚度的变化和不同机械碾压功有所不同, 但变化不大。
(2) 压实层厚对压实质量影响见表4。从表4可以发现:用25T 振动压路机, 3种压实层控制都可以保证压实质量。其中, 以25c m 压实厚度的填筑层各种检测指标相对较低; 30c m 和35c m 填筑层压实指标、力学指标相差不大; 40c m 填筑层的K 30和E v 2相对最大。
分析认为使用大吨位的碾压机械(试验段为25t), 填筑厚度较薄(
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铁道科学与工程学报2010年4月
为25T 振动压路机时, 含砾砂岩物理改良土的压实厚度可按35~40c m 控制。
表4 不同厚度填筑层压实质量检测指标均值对比表T ab le 4F illi ng layers o f d iffe rent thickness quality testi ng i ndi
cators o f co m paction comparati ve tab l e o f the m ean
压实层厚/
c m 2530
3540
K 0. 940. 950. 960. 94
n 18. 517. 1
16. 718. 5
K 30/(MPa m -1)
161. 8252. 0201. 0318. 0
E vd /M Pa 52. 258. 9
54. 550. 1
E v 2/M Pa 112. 2125. 1
127. 8147. 8
+强振1遍+弱振3遍+静压1遍收光。含砾砂岩物理改良土, 在压实层厚和碾压机械
确定时, 仅通过增加碾压遍数来提高压实质量的效果是有限的, 且不经济。改良土填筑碾压需要综合控制含水量、压实层厚及碾压遍数, 才能实现合格、科学、经济的路基压实质量控制。
6 改良土填筑路基的整体评价
6. 1 含砾砂岩物理改良土填筑路基外观效果含砾砂岩物理改良土路基压实后路基面平整, 刚度较大, 载重汽车在路基上行驶后无轮迹, 见图10和图11。
5. 3. 3 压实遍数
在填料相同、一定的压实厚度控制下, 使用同一碾压机械, 其压实质量和碾压遍数及碾压工艺密
切相关。为选择经济合理的碾压工艺及碾压遍数, 对厚度为35c m 填筑层路基压实质量和碾压遍数之间关系进行研究。
根据试验段所属标段其它填料路基的施工经验, 在使用碾压时的工艺次序定为静压1遍+强振1遍+弱振, 不同的碾压遍数只是在静压1遍+强振1遍之后增加弱振的遍数。不同厚度填筑后压实质量检测指标均值对比见表5。
表5 不同厚度填筑层压实质量检测指标均值对比表T ab le 5F illi ng layers o f d iffe rent thickness quality testi ng i ndi
cators o f co m paction comparati ve tab l e o f the m ean
压实遍数测点编号
121234
K 0. 930. 940. 930. 930. 950. 93
n
K 30/[***********]
E vd /46. 9748. 1861. 1448. 3368. 8149. 78
E v 2/M Pa 120. 0104. 5122. 3102. 3106. 3118. 0
(KPa m -1) M Pa
图10 物理改良土填筑路基整体效果
F ig . 10Physica l i m prove m ent o f the overall o f subg rade
so il
filling
4
19. 0217. 8818. 6518. 7617. 0619. 36
6
8
从表5可见:碾压4遍后, 各项压实质量检测指标都可以满足规范要求, 之后继续增加碾压遍数, 各项压实质量控制指标并没有规律性变化。这一方面是由于粗颗粒土的不均匀性的影响, 另外也说明压实质量达到一定程度以后, 继续增加碾压遍数对压实质量的提高并没有显著影响。通过以上分析表明:对35c m 的填筑层, 碾压6遍即可以满足质量要求。
同时, 现场施工经验表明:当碾压层厚
up
图11 改良土填筑路基局部特写
F ig . 11I mproved so il subgrade filli ng effect parti a l close-
6. 2 路基的质量检测及指标对比分析
6. 2. 1 路基的质量检测
含砾砂岩物理改良土共填筑5层, 每层压实后都进行各项压实及力学指标的全面检测, 各项检测指标统计值见表6。
从表6可见:压实质量控制指标中孔隙率n 、K 30、E vd 和E v 2等均能满足规范对路基本体的质量要求, 并且能满足规范对基床底层的质量要求, 说明含砾砂岩物理改良土填筑路基本体压实质量良好, 达到了客运专线的要求。
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
表6 各项检测指标统计值T ab le 6S tati stica l va l ue o f testi ng i ndicators
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=15. 3+1. 1E v 1, 相关性系数
关系为:
E v 2/E v 11. 56
3. 032. 370. 156
E v 1
1-30/Ev 1
检测指标最大值
最小值平均值x m 变异系数C v
n /%15. 9025. 0219. 140. 128
K
K 30/400
1482250. 349
E vd /68
38540. 165
E v 2/M Pa 1581021230. 115
R 2=0. 90, 具有良好的相关性。
(2)E v 2/Ev 1与压实指标K 的关系。变形模量比值E v 2/Ev 1在一定程度上可以反映路基的密实度。含砾砂岩物理改良土路基密实度较低, 压实系数K 0. 90时, E v 2/Ev 1较高, 大于3; 当压实系数K >0. 90时, E v 2/Ev 1整体较低, 最小值E v 2/Ev 1=1. 56, 平均值为2. 22。E v 2
总体来讲, 含砾砂岩物理改良土填筑路基的
/E v 1整体较高, 这和含砾砂岩物理改良土粘粒含
(MPa m -1) M Pa
0. 970. 860. 930. 031
当压实系数K 较低时, 如某测点压实度K =0 86, 孔隙率n =25. 02, 满足规范对碎石类及粗砾土的要求n
根据压实度和孔隙率的计算公式, 可以得出:
n =(1-K d m ax
) 100%s
量较少, 其碾压形成的路基表面不太平整, 致使第1次加载时接触不完全, 而使E v 1较小, E v 2/Ev 1整体较高。
6. 3 碾压前后填料的粒径变化
含砾砂岩物理改良土填料在重型压路机的振动碾压后细颗粒含量有所增加, 但增幅不大, 且细
颗粒含量远小于武广客运专线关于路基A 、B 组填料中细颗粒含量的控制要求。
通过室内击实试验和现场碾压试验, 表明含砾砂岩物理改良土颗粒性质比较稳定, 细颗粒含量均控制在合理范围内。
6. 4 改良土填筑路基沉降变形监测
主要进行路基面、路基本体改良土、地基沉降监测测试。涵路过渡段路基分别于涵路交接处及过渡结构折角附近布置监测剖面, 其余地段按30m 左右间距布设监测剖面, 并保证不同改良土填筑区段有断面。同时监测改良土填筑路堤边坡加筋土工格栅应变及应力, 监测改良土路堤边坡的稳定性。从埋设于改良土路基本体内的单点沉降计沉降监测数据看, 含砾砂岩物理改良土填筑完成后6月时间内总沉降小于4. 5mm 。施工期间沉降量均较小, 并逐渐趋于稳定。6. 5 路基的水稳性
含砾砂岩属于软岩, 雨后含砾砂岩物理改良土整体排水较好, 亲水性不强, 表层粘粒较多地方相对软化, 重车行驶后路基车辙不明显, 见图12和图13。
根据上述公式分析, 可得出含砾砂岩物理改良土不同压实度时对应的孔隙率, 见表7。
表7 压实系数和孔隙率对应表
T ab le 7Compacti on facto r and porosity of t he correspond
i ng table
压实系数K 孔隙率n
0. 9021. 59
0. 9120. 72
0. 9219. 85
0. 9517. 23
从控制含砾砂岩物理改良土填筑压实质量, 减少后期沉降, 增强路基稳定性等方面考虑, 对试验段按孔隙率n 20%的要求即对应的压实系数k 0. 92进行控制。
6. 2. 2 各项检测指标之间的对比
目前客运专线对路基的质量检测项目较多, 在实际施工中存在检测时间长、需要的检测人员和检测机械较多, 给大规模连续路基施工带来一定的困难。综合分析含砾砂岩物理改良土各测点的K, K 30, E vd 和E v 2等4项检测指标的相关性, 可以发现科学、快捷的检测指标, 能精简质量检测项目, 既能保证检测的科学可靠性, 又能提高检测效率。
(1) E v 1与K 30的关系
[5]
。目前, 我国高速铁路
对路基本体刚度的控制指标为E v 2和K 30, 两者分别来自德国的控制标准和在我国多年实践的K 30标准。通过对含砾砂岩物理改良土路基本体各测点的E v 1与K 30分析, 并参考德方咨询意见, 对含砾砂岩物理改良土的所有检测样本的分析, 可得其相关
图12 路基雨后全景Fig . 12Embank m ent afte r ra i n
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铁道科学与工程学报2010年4月
图13 雨后路基局部特写
Fig . 13Pa rti a l subg rade c l ose -up after ra i n
图16 含砾砂岩物理改良土路基含水量随深度变化F ig . 16G rave l sand subg rade w ater conten t o f i m proved
physical changes w ith depth
为研究含砾砂岩物理改良土路基受水浸泡的极端情况, 特在路基上进行了泡水试验。在路基上修筑2个泡水坑, 底面积约1m 0. 7m, 周围用水
泥砂浆进行防水处理。然后坑内灌水, 使路基受水浸泡2d , 约50h 。
从图16可见:经50h 的泡水后, 水在含砾砂
岩物理改良土路基的渗透深度约40c m, 表明水在含砾砂岩物理改良土路基的渗透深度不是太大。做好路基填筑表面排水, 并加强雨天后的晾晒、补压, 含砾砂岩物理改良土做为路基本体填料, 其水稳性可以满足要求。图17所示为填筑完成的含砾
砂岩改良土顶面铺设隔水土工膜。
图14 含砾砂岩物理改良土泡水坑
Fig . 14g rave l sand so il physical i m prove m ent of foa m puddle
图17 改良土填筑路基本体顶面全段面铺设隔水土工膜F ig . 17I mproved so il filli ng the basic body of t he t op road
s u rface laying the whole parag raph and i m per m ea ble geo m embrane
6. 6 改良土填筑路基动力特性监测
图15 泡水后的改良土
F i g . 15I m provement o f so il a fter flood dam age
在该段含砾砂岩物理改良土路基内布置1个
改良土路堤动力特性监测剖面, 在改良土路堤内不同深度布置应变式土压力盒、拾振器和加速度计, 监测改良土填筑路堤的动态响应参数。
通过图14和图15可见:经过50h 的完全受水浸泡后, 路基表面形成一薄层粘性较大的软化层, 通过挖掘可见, 此薄软化层约1c m 厚, 1c m 深以下的路基并没有较明显的变化。筛分试验表明, 含砾砂岩物理改良土粘粒含量较少, 含砾砂岩原岩不易软化, 干湿循环后崩解率也较低。
含砾砂岩路基泡水之后, 测试泡水处不同深度的含水量, 分析路基的渗透性。不同深度含水量见图16。
7 结 论
(1) 破碎后的含砾砂岩强~弱风化物掺20%的粗砂后级配评价为良好, 可以满足现场填筑碾压
需要。
(2) 含砾砂岩强~弱风化物采用场地集中拌和法工艺流程相对简洁, 工效较高, 其混合料拌和质量亦能满足要求。
(3) 含砾砂岩强~弱风化物物理改良土的摊
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
tati on of t he pil o t st udy[S].2007.
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铺含水量宜控制在W opt +2%~W opt +2. 5%范围内, 碾压含水量宜控制在W op t -1. 5%~W opt +1%
范围内。
(4) 含砾砂岩物理改良土采用25t 振动压路机, 其松铺系数为1. 1~1. 2, 合适的压实层厚为35~40c m 。
(5) 施工含水量控制适宜时, 用25T 振动压路机碾压6遍左右压实质量可以满足要求。
(6) 从含砾砂岩物理改良土检测结果来看, 各项检测指标都较好, 满足规范的相关要求。
(7) 含砾砂岩物理改良土填筑层如受雨水浸泡, 在填筑下一层前, 应对路基进行补压, 含砾砂岩物理改良土作为路基本体填料, 其水稳性初步评判可以满足要求。参考文献:
[1]张志秀. 路基掺砂改良土填筑施工方法[J].铁道建筑,
2008, 45(6) :72-74.
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第7卷 第2期2010年4月铁道科学与工程学报
J O URNA L O F RA I L WAY SC I ENCE AND ENG I NEER I NG V o l 7 No 2
A pr . 2010
含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
胡晓军
(中铁十六局集团第五工程有限公司, 河北唐山063000)
摘 要:鉴于高速铁路对路基填料的严格要求, 改良土填料是解决高速铁路路基的一项关键性技术。本文就软岩颗粒级配控制、松填厚度、最大干密度量佳含水量、碾压设备及碾压速数的确定、质量检测和工后沉降进行综合研究。结合工程实例介绍路基填筑过程中, 对沿线大量的软岩弃方采取改良措施后, 用于客运专线基床以下路堤本体填筑的施工技术, 该措施既节约投资, 保护环境, 又为类似工程的设计、施工提供依据。关键词:含砾砂岩; 施工工艺; 填筑; 质量控制; 检测; 整体稳定性
中图分类号:U 213. 1+4 文献标志码:A 文章编号:1672-7029(2010) 02-0102-08
F i e l d filling technol o gy of improved soil fill e r for pebbl y sandstone
HU X iao j u n
(Ch i n a Rail w ay 16Bureau Group 5t h E ngi neeri ng C o . Ltd . , Tangs h an 063000, Ch i na)
A bstract :Due to the strict require m en ts of roadbed filli n g inW uguang h i g h speed rail w ay , the i m proved soil filler beca m e a key techno logy i n subgrade treat m en. t The so ft rock particle size d istri b uti o n loose fill th ickness , m ax i mum dr y density , opti m um w ater conten, t deter m i n ation of r o lli n g equipm ent and post-constr uction settle m ent
w ere co mprehensi v ly st u died . Based on eng i n eer i n g pro j e c, t t h e techno l o gy of e mbankm ent filling under the pas senger dedicated line foundati o n bed w as i n troduced . This techno logy can save i n vest m ent and protect the env i ronm en. t Further m ore , it can prov i d e reference and guidance for si m ilar pr o jects . K ey words :pebb ly sandstone ; constructi o n techno l o gy ; i m proved so il filli n g ; quality contro; l testi n g ; stab ility
参数及质量检测方面的经验。
1 工程概况
2 主要机械设备
该段路基填高大多在5~7. 4m 之间, 地基采用CFG 桩加固, 基床表层采用级配碎石+5%水泥填筑, 基床底层采用A 、B 组填料填筑, 路基本体采用含砾砂岩强~弱风化混合物物理改良土填筑, 护坡形式为现浇C20砼拱形骨架护坡, 边坡设土工格栅加筋补强, 坡脚设干砌片石护道。改良土顶部铺设三层双向土工格栅, 层间距0. 3m , 在改良土顶面铺设一层复合土工膜。DK1626+300~+900段路堑挖方主要以含砾砂岩强~弱风化物为主, 为该段路基所需填料提供料源保障。通过室内试验及现场填筑施工, 得出含砾砂岩物理改良土施工工艺
*收稿日期:2010-01-18
主要机械设备见表1。
表1 主要机械设备
Tab le 1M a i n m echan i ca l dev i ce table
机械名称压路机装载机鄂式破碎机平地机推土机挖掘机
内燃式振动冲击夯
型号25T ZL50R 600X900GR180T140-1型PC200H CR90型
数量1111122
作者简介:胡晓军(1980-), 男, 陕西合阳人, 工程师, 从事高速铁路客专的建设工作
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
103
4. 2 取样检测点位布置
3 含砾砂岩物理改良土的室内试验
对于含砾砂岩弱~强风化物物理改良, 重点应
该试验以下几个方面内容。
(1) 物理力学性质。基于含砾砂岩的矿物成分与结构特征, 深入探讨含砾砂岩浸水软化及其风化分解机理与特性, 进而提出含砾砂岩强~弱风化物物理改良处理的有效方法。
(2) 颗粒级配及不均匀性要求。我国规范规定粗粒土级配良好的条件为:C u >5, C c =1~3, 级配良好的填料碾压后易得到较高的密实度, 具有较好的工程性质。
(3) 软岩改良土填筑施工技术研究。含砾砂岩填料填筑施工的关键是控制好2个技术环节:其一是必须保证填料填筑的路基具有较高的密实度, 控制路堤本体在设计运营期间的沉降量满足设计要求; 其二是在填筑施工过程中, 尽量防止填料细化和泥化现象的产生, 提高填料填筑路基本体的承载能力和的稳定性。
沿路基中心线, 按梅花形均匀布置试验取样、测试点位, 最外侧点位距路肩线1~2m, 点位之间横向间距10~15m, 纵向间距20~30m 。其中:K 30, E V 2和E vd 各测4点, 路基左右边线各测1点, 路基中部测2点; n 和K 分别测6点, 路基左右边线各测1点, 路基中部测2点。
5 施工工艺
含砾砂岩强~弱风化物物理改良土填筑路基本体, 需要破碎、拌和、填筑3道施工工序密切配合, 相互协调, 科学施工, 才能取得经济、合理、快速的施工效果。
5. 1 填料的选择、破碎及改良
含砾砂岩强~弱风化物取自该试验段路基附近路堑挖方弃碴, 根据现场填料室内试验成果, 经破碎、筛选后, 掺20%粗砂改良。
(1) 含砾砂岩强~弱风化物的选择。则开挖的微风含砾砂岩岩面见图1, 强风化及全风化含砾砂岩岩面见图2。
4 质量控制及验收标准
4. 1 质量控制标准
(1) 含砾砂岩物理改良土的掺砂率及拌和后
[5]
颗粒粒径级配控制及验收标准应符合表2规定。
(2) 基床以下路堤填料及其压实标准应符合表3中的规定。
含砾砂岩物理改良土碾压后质量控制指标应不低于上表中碎石类及粗砾土的要求; 另外应满足E v 2/E v 1的要求:即一般情况下, E v 2/Ev 1 2. 6, 当2. 6
图1 刚开挖的微风化含砾砂岩新鲜岩面F ig . 1F resh breeze o f pebbly sandstone rock surface
表2 含砾砂岩物理改良土的掺砂率及拌和后颗粒径级配控制及验收标准
T ab l e 2Contro l standard of m i x i ng sand rate for pebb l y sandstone
项目掺砂率颗粒分析
检测方法质量配比筛析法
工艺场地集中拌和法场地集中拌和法
曲率系数C c =1~3
控制标准20%
D m ax 60mm, 小于5mm 粒径含量为15%~20%, 不均匀系数C u >12,
表3 基床以下路堤填料及其压实标准
Tab le 3C o m paction standard of e mbank m ent filli ng be l ow the foundati on bed
填料细粒土改良土
砂类土及细砾土碎石类及粗砾土
地基系数K 30/(MPa m -1)
90 110 130
变形模量E V 2/M Pa 动态变形模量E vd /M Pa 压实系数
45 45 45
35 35 35
0. 92
31
31孔隙率n /%
104
铁道科学与工程学报2010年4月
由于含砾砂岩强~弱风化物含泥量较高, 当含砾砂岩强~弱风化物含水量较高时, 特别是雨后, 破碎效率很低甚至无法进行破碎, 需要进行晾晒。经比较, 含砾砂岩强~弱风化物的含水量为10%~15%时, 破碎工效较高, 可以接近其额定生产能力。
(3) 含砾砂岩强~弱风化物的拌和改良。由室内筛分试验可知, 含砾砂岩强~弱风化物破碎料级配不良, 掺20%粗砂后, 其级配及力学性质得到
图2 强风化及全风化含砾砂岩岩面
F ig . 2Strong w i nd and comp l e tely wea t hered sandstone
rock sur f ace g rave l
明显改善。5. 2 场地集中拌和法施工
场地集中拌和法是直接将破碎好的含砾砂岩强~弱风化物填料运至该段路基上, 将其均匀堆放并用装载机修成较平整的堆积体。根据破碎料方量, 按比例要求运粗砂到路基上, 用挖掘机将粗砂均匀地撒布在破碎料堆积体上, 然后用挖掘机和装载机拌和3~4遍, 辅以人工配合进行拌和的方法工艺流程见图6。
(2) 含砾砂岩强~弱风化物的破碎。含砾砂岩强~弱风化物经分选后, 运到破碎场, 大块风化物岩块用挖掘机进行敲击破碎, 方可以进入破碎机进行破碎。破碎工艺流程如图3所示, 破碎破碎设备见图4, 破碎后含砾砂岩风化物见图5。
图3 含砾砂岩强~弱风化物破碎流程图F ig . 3P ebbly sandstone strong -w eak w eathered crushing
flow chart
图6 场地集中拌和法改良土施工工艺流程F ig . 6Site focused on i m proved so il m i x i ng m ethod o f con
struction pro cess
根据现场拌和经验看, 此法工艺流程相对简洁, 工效相对较高, 1台挖掘机和1台装载机的拌
和能力可达250t/h。但此法可控性相对较低, 拌和均匀性相对较差, 但辅以人工配合后, 其混合料拌和质量亦能满足要求。
从满足路堤填筑施工要求出发, 考虑到改良填
图4 破碎厂破碎设备
F ig . 4C rushi ng plant crush i ng equi pment
料在摊铺、整平过程中含水量的损失, 拌和时填料含水量宜控制在比最优含水量高1%~2%比较合适。现场拌和后, 在不同部位取改良混合料进行级
配试验, 四组试验结果分别为:C u =127. 64, C c =0 7; C u =75. 16, C c =1. 17; C u =123. 88, C c =1 94; C u =158. 85, C c =1. 73; 级配基本良好, 说明含砾砂岩风化物改良土采用场地集中拌和法可以满足填料的拌和要求。
主要机械配备为:1台挖掘机, 1台装载机, 1台推土机, 1台平地机, 1台压路机。场地集中拌合法及拌合后的改良土见图7。
图5 破碎后的含砾砂岩风化物
F i g . 5Broken afte r t he gravel w eat hered sandstone
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
105
+2%, 碾压含水量控制W op t -1. 5%~W op t +1%范围内, 路基的压实质量可以满足要求。5. 3. 2 压实层厚和摊铺系数
在规范要求范围内, 同一施工机械碾压时, 不同的压实厚度所需的碾压遍数和取得的碾压效果不尽相同, 为了确定含砾砂岩物理改良土既能达到质量验收标准, 又经济合理的填筑厚度, 分别进行25, 30, 35c m 种压实厚度的压实效果对比。含砾砂岩物理改良土的摊铺及摊铺整平后的路基分别见图8和图9
。
3
图7 场地集中拌和法及拌和后的改良土F ig . 7Site concentrati on a fter the m i x i ng m ethod and i m
provement m ix i ng so il
图8 含砾砂岩物理改良土的摊铺整平
F ig . 8G ravel sandstone pav ing the physical i m provem ent of
so il leveli ng
5. 3 施工工艺参数确定
5. 3. 1 含水量
(1) 填料含水量控制。含水量是影响物理改良土填筑路基生产效率、压实质量的主要因素之一, 且不同的施工工艺和同一施工工艺在不同的流程中对含水量的要求有所不同, 为了提高生产效率, 改善压实质量, 需在不同施工工艺和同一施工工艺不同的流程中对含水量进行控制。
通过室内试验可知, 含砾砂岩强~弱风化物物理改良土掺20%的粗砂改良作为填料, 其最佳含水量为4. 6%。而在施工生产中发现, 含砾砂岩强~弱风化物破碎料在摊铺填筑的过程中, 受气温、粉碎拌和、摊铺等因素的影响, 含水量会降低。特别是夏天, 当气温高于30 时, 失水非常快, 常出现摊铺后含砾砂岩强~弱风化物物理改良土表层较干, 需洒水后进行碾压, 既影响施工进度, 又增加生产成本。现场试验发现, 其摊铺前含水量比最佳含水量高2%~2. 5%时, 碾压效果较好。所以在摊铺前, 应按 稍高勿低 的原则控制含砾砂岩强~弱风化物物理改良土的含水量组织施工。(2) 压实指标与含水量间关系。含水量在3 1%~5. 7%范围内时, 压实度都在0. 92以上, 其中含水量在最佳含水量4. 6%附近时, 压实度分布在0. 94~0. 96范围内, 平均值为0. 95, 变化幅度不大; 当含水量为6. 1%时, 压实度为0. 86。从以上分析可见, 摊铺含水量宜控制在W opt -0. 5%~W opt
图9 摊铺整平后的路基F ig . 9A fter l eve li ng pav i ng subgrade
(1) 虚铺系数。各层压实层厚及虚铺系数约
为1. 1~1. 2, 随着填筑层厚度的变化和不同机械碾压功有所不同, 但变化不大。
(2) 压实层厚对压实质量影响见表4。从表4可以发现:用25T 振动压路机, 3种压实层控制都可以保证压实质量。其中, 以25c m 压实厚度的填筑层各种检测指标相对较低; 30c m 和35c m 填筑层压实指标、力学指标相差不大; 40c m 填筑层的K 30和E v 2相对最大。
分析认为使用大吨位的碾压机械(试验段为25t), 填筑厚度较薄(
106
铁道科学与工程学报2010年4月
为25T 振动压路机时, 含砾砂岩物理改良土的压实厚度可按35~40c m 控制。
表4 不同厚度填筑层压实质量检测指标均值对比表T ab le 4F illi ng layers o f d iffe rent thickness quality testi ng i ndi
cators o f co m paction comparati ve tab l e o f the m ean
压实层厚/
c m 2530
3540
K 0. 940. 950. 960. 94
n 18. 517. 1
16. 718. 5
K 30/(MPa m -1)
161. 8252. 0201. 0318. 0
E vd /M Pa 52. 258. 9
54. 550. 1
E v 2/M Pa 112. 2125. 1
127. 8147. 8
+强振1遍+弱振3遍+静压1遍收光。含砾砂岩物理改良土, 在压实层厚和碾压机械
确定时, 仅通过增加碾压遍数来提高压实质量的效果是有限的, 且不经济。改良土填筑碾压需要综合控制含水量、压实层厚及碾压遍数, 才能实现合格、科学、经济的路基压实质量控制。
6 改良土填筑路基的整体评价
6. 1 含砾砂岩物理改良土填筑路基外观效果含砾砂岩物理改良土路基压实后路基面平整, 刚度较大, 载重汽车在路基上行驶后无轮迹, 见图10和图11。
5. 3. 3 压实遍数
在填料相同、一定的压实厚度控制下, 使用同一碾压机械, 其压实质量和碾压遍数及碾压工艺密
切相关。为选择经济合理的碾压工艺及碾压遍数, 对厚度为35c m 填筑层路基压实质量和碾压遍数之间关系进行研究。
根据试验段所属标段其它填料路基的施工经验, 在使用碾压时的工艺次序定为静压1遍+强振1遍+弱振, 不同的碾压遍数只是在静压1遍+强振1遍之后增加弱振的遍数。不同厚度填筑后压实质量检测指标均值对比见表5。
表5 不同厚度填筑层压实质量检测指标均值对比表T ab le 5F illi ng layers o f d iffe rent thickness quality testi ng i ndi
cators o f co m paction comparati ve tab l e o f the m ean
压实遍数测点编号
121234
K 0. 930. 940. 930. 930. 950. 93
n
K 30/[***********]
E vd /46. 9748. 1861. 1448. 3368. 8149. 78
E v 2/M Pa 120. 0104. 5122. 3102. 3106. 3118. 0
(KPa m -1) M Pa
图10 物理改良土填筑路基整体效果
F ig . 10Physica l i m prove m ent o f the overall o f subg rade
so il
filling
4
19. 0217. 8818. 6518. 7617. 0619. 36
6
8
从表5可见:碾压4遍后, 各项压实质量检测指标都可以满足规范要求, 之后继续增加碾压遍数, 各项压实质量控制指标并没有规律性变化。这一方面是由于粗颗粒土的不均匀性的影响, 另外也说明压实质量达到一定程度以后, 继续增加碾压遍数对压实质量的提高并没有显著影响。通过以上分析表明:对35c m 的填筑层, 碾压6遍即可以满足质量要求。
同时, 现场施工经验表明:当碾压层厚
up
图11 改良土填筑路基局部特写
F ig . 11I mproved so il subgrade filli ng effect parti a l close-
6. 2 路基的质量检测及指标对比分析
6. 2. 1 路基的质量检测
含砾砂岩物理改良土共填筑5层, 每层压实后都进行各项压实及力学指标的全面检测, 各项检测指标统计值见表6。
从表6可见:压实质量控制指标中孔隙率n 、K 30、E vd 和E v 2等均能满足规范对路基本体的质量要求, 并且能满足规范对基床底层的质量要求, 说明含砾砂岩物理改良土填筑路基本体压实质量良好, 达到了客运专线的要求。
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
表6 各项检测指标统计值T ab le 6S tati stica l va l ue o f testi ng i ndicators
107
=15. 3+1. 1E v 1, 相关性系数
关系为:
E v 2/E v 11. 56
3. 032. 370. 156
E v 1
1-30/Ev 1
检测指标最大值
最小值平均值x m 变异系数C v
n /%15. 9025. 0219. 140. 128
K
K 30/400
1482250. 349
E vd /68
38540. 165
E v 2/M Pa 1581021230. 115
R 2=0. 90, 具有良好的相关性。
(2)E v 2/Ev 1与压实指标K 的关系。变形模量比值E v 2/Ev 1在一定程度上可以反映路基的密实度。含砾砂岩物理改良土路基密实度较低, 压实系数K 0. 90时, E v 2/Ev 1较高, 大于3; 当压实系数K >0. 90时, E v 2/Ev 1整体较低, 最小值E v 2/Ev 1=1. 56, 平均值为2. 22。E v 2
总体来讲, 含砾砂岩物理改良土填筑路基的
/E v 1整体较高, 这和含砾砂岩物理改良土粘粒含
(MPa m -1) M Pa
0. 970. 860. 930. 031
当压实系数K 较低时, 如某测点压实度K =0 86, 孔隙率n =25. 02, 满足规范对碎石类及粗砾土的要求n
根据压实度和孔隙率的计算公式, 可以得出:
n =(1-K d m ax
) 100%s
量较少, 其碾压形成的路基表面不太平整, 致使第1次加载时接触不完全, 而使E v 1较小, E v 2/Ev 1整体较高。
6. 3 碾压前后填料的粒径变化
含砾砂岩物理改良土填料在重型压路机的振动碾压后细颗粒含量有所增加, 但增幅不大, 且细
颗粒含量远小于武广客运专线关于路基A 、B 组填料中细颗粒含量的控制要求。
通过室内击实试验和现场碾压试验, 表明含砾砂岩物理改良土颗粒性质比较稳定, 细颗粒含量均控制在合理范围内。
6. 4 改良土填筑路基沉降变形监测
主要进行路基面、路基本体改良土、地基沉降监测测试。涵路过渡段路基分别于涵路交接处及过渡结构折角附近布置监测剖面, 其余地段按30m 左右间距布设监测剖面, 并保证不同改良土填筑区段有断面。同时监测改良土填筑路堤边坡加筋土工格栅应变及应力, 监测改良土路堤边坡的稳定性。从埋设于改良土路基本体内的单点沉降计沉降监测数据看, 含砾砂岩物理改良土填筑完成后6月时间内总沉降小于4. 5mm 。施工期间沉降量均较小, 并逐渐趋于稳定。6. 5 路基的水稳性
含砾砂岩属于软岩, 雨后含砾砂岩物理改良土整体排水较好, 亲水性不强, 表层粘粒较多地方相对软化, 重车行驶后路基车辙不明显, 见图12和图13。
根据上述公式分析, 可得出含砾砂岩物理改良土不同压实度时对应的孔隙率, 见表7。
表7 压实系数和孔隙率对应表
T ab le 7Compacti on facto r and porosity of t he correspond
i ng table
压实系数K 孔隙率n
0. 9021. 59
0. 9120. 72
0. 9219. 85
0. 9517. 23
从控制含砾砂岩物理改良土填筑压实质量, 减少后期沉降, 增强路基稳定性等方面考虑, 对试验段按孔隙率n 20%的要求即对应的压实系数k 0. 92进行控制。
6. 2. 2 各项检测指标之间的对比
目前客运专线对路基的质量检测项目较多, 在实际施工中存在检测时间长、需要的检测人员和检测机械较多, 给大规模连续路基施工带来一定的困难。综合分析含砾砂岩物理改良土各测点的K, K 30, E vd 和E v 2等4项检测指标的相关性, 可以发现科学、快捷的检测指标, 能精简质量检测项目, 既能保证检测的科学可靠性, 又能提高检测效率。
(1) E v 1与K 30的关系
[5]
。目前, 我国高速铁路
对路基本体刚度的控制指标为E v 2和K 30, 两者分别来自德国的控制标准和在我国多年实践的K 30标准。通过对含砾砂岩物理改良土路基本体各测点的E v 1与K 30分析, 并参考德方咨询意见, 对含砾砂岩物理改良土的所有检测样本的分析, 可得其相关
图12 路基雨后全景Fig . 12Embank m ent afte r ra i n
108
铁道科学与工程学报2010年4月
图13 雨后路基局部特写
Fig . 13Pa rti a l subg rade c l ose -up after ra i n
图16 含砾砂岩物理改良土路基含水量随深度变化F ig . 16G rave l sand subg rade w ater conten t o f i m proved
physical changes w ith depth
为研究含砾砂岩物理改良土路基受水浸泡的极端情况, 特在路基上进行了泡水试验。在路基上修筑2个泡水坑, 底面积约1m 0. 7m, 周围用水
泥砂浆进行防水处理。然后坑内灌水, 使路基受水浸泡2d , 约50h 。
从图16可见:经50h 的泡水后, 水在含砾砂
岩物理改良土路基的渗透深度约40c m, 表明水在含砾砂岩物理改良土路基的渗透深度不是太大。做好路基填筑表面排水, 并加强雨天后的晾晒、补压, 含砾砂岩物理改良土做为路基本体填料, 其水稳性可以满足要求。图17所示为填筑完成的含砾
砂岩改良土顶面铺设隔水土工膜。
图14 含砾砂岩物理改良土泡水坑
Fig . 14g rave l sand so il physical i m prove m ent of foa m puddle
图17 改良土填筑路基本体顶面全段面铺设隔水土工膜F ig . 17I mproved so il filli ng the basic body of t he t op road
s u rface laying the whole parag raph and i m per m ea ble geo m embrane
6. 6 改良土填筑路基动力特性监测
图15 泡水后的改良土
F i g . 15I m provement o f so il a fter flood dam age
在该段含砾砂岩物理改良土路基内布置1个
改良土路堤动力特性监测剖面, 在改良土路堤内不同深度布置应变式土压力盒、拾振器和加速度计, 监测改良土填筑路堤的动态响应参数。
通过图14和图15可见:经过50h 的完全受水浸泡后, 路基表面形成一薄层粘性较大的软化层, 通过挖掘可见, 此薄软化层约1c m 厚, 1c m 深以下的路基并没有较明显的变化。筛分试验表明, 含砾砂岩物理改良土粘粒含量较少, 含砾砂岩原岩不易软化, 干湿循环后崩解率也较低。
含砾砂岩路基泡水之后, 测试泡水处不同深度的含水量, 分析路基的渗透性。不同深度含水量见图16。
7 结 论
(1) 破碎后的含砾砂岩强~弱风化物掺20%的粗砂后级配评价为良好, 可以满足现场填筑碾压
需要。
(2) 含砾砂岩强~弱风化物采用场地集中拌和法工艺流程相对简洁, 工效较高, 其混合料拌和质量亦能满足要求。
(3) 含砾砂岩强~弱风化物物理改良土的摊
第2期胡晓军:含砾砂岩物理改良土填料现场填筑施工技术
tati on of t he pil o t st udy[S].2007.
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铺含水量宜控制在W opt +2%~W opt +2. 5%范围内, 碾压含水量宜控制在W op t -1. 5%~W opt +1%
范围内。
(4) 含砾砂岩物理改良土采用25t 振动压路机, 其松铺系数为1. 1~1. 2, 合适的压实层厚为35~40c m 。
(5) 施工含水量控制适宜时, 用25T 振动压路机碾压6遍左右压实质量可以满足要求。
(6) 从含砾砂岩物理改良土检测结果来看, 各项检测指标都较好, 满足规范的相关要求。
(7) 含砾砂岩物理改良土填筑层如受雨水浸泡, 在填筑下一层前, 应对路基进行补压, 含砾砂岩物理改良土作为路基本体填料, 其水稳性初步评判可以满足要求。参考文献:
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