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甘肃省攻克湿陷性黄土公路建养难题
来源:公路科技成果转化   作者:   点击:【284】 时间:2021-1-20 10:07:57
 

近日,从甘肃省交通厅获悉,在1月4日揭晓的2020年度中国公路学会科学技术奖中,甘肃省科技重大专项课题“甘肃省湿陷性黄土地区公路修筑成套技术研究”获一等奖。此次获得一等奖,实现了甘肃省在该奖项中零的突破。

图片据悉,湿陷性黄土一直是影响和困扰公路建设的世界性难题。甘肃省地处黄土高原,黄土分布范围广,湿陷等级高,是黄土水敏感性和湿陷性最强烈、区域特征最明显的地区。“黄土没遇水时强度较高,遇水就会湿陷,湿陷性黄土给公路造成极大危害。近十年来,甘肃境内连续强降雨不断增多,湿陷性黄土地区公路病害易发、多发,导致路基、桥梁、隧道遭到不同程度损坏。”甘肃省公交建集团副总经理丁兆民说。

 

路基失稳、开裂、沉降和防排水失效,桥梁岸坡坍塌、桩基外露,隧道拱顶沉降、隧道道面隆起等都是黄土地区公路典型病害,严重影响行车安全。


为破解湿陷性黄土对甘肃交通发展的瓶颈制约,甘肃省交通运输厅牵头技术攻关,甘肃省公交建集团负责组织实施,
联合勘察设计、施工养护和长安大学等13家单位,分8个子课题,组织200余名科研技术人员开展了为期4年的科研攻关。


该成果首次细化建立了甘肃省湿陷性黄土公路三级分区,解决了不同黄土分区公路设计、施工和养护的差异化问题,研发了一系列新技术及材料,对黄土地基评价、公路病害防治设计、路基质量控制、桥梁桩长设计、隧道深浅埋结构划分等提供了技术支撑,有效解决了在黄土地区筑路存在的技术难题。“甘肃省湿陷性黄土地区公路修筑成套技术研究攻克前,黄土地区筑路技术上没有形成体系,如今从设计、施工、检测、养护、建设管理等形成成套技术标准、指南和工法,已逐步在公路工程推广应用。”丁兆民说。

图片目前,该研究成果在甘肃省西合二级公路、傅家窑立交、兰州南绕城高速公路、渭武高速、彭大高速等多个工程中得到了成功应用,路基沉陷等“老大难”问题得到有效控制,桥梁“车头跳”的状况得到明显改善,延长了公路使用寿命,节约了成本。





湿陷性黄土公路路基的养护处理方法




1湿陷性黄土地质特性的分析

湿陷性土的特点是当其未受水浸湿时,一般强度较高,压缩性较低。但是,受水浸湿后,在上覆土层的自重应力或自重应力和建筑物附加应力作用下,土的结构迅速破坏,并发生显著的附加下沉,其强度也迅速降低。

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由于可湿性黄土的特殊性质(详见表1),当施加载荷并通过沉降使其稳定时,浸没在水中的土壤结构会很快被破坏,并且会出现更加突出的沉降问题。

 

因此,在进行湿陷性公路的建设时,地基处理必须结合道路工程项目本身的结构,避免在使用过程中发生不均匀沉降,从而提高黄土公路路基的可使用性。在湿陷性黄土的整体结构中,粗粉和沙粒主要充当骨架,湿陷性黄土本身包括较少的沙粒,大多数沙粒无法直接接触,直接接触基本上是粗粉颗粒。在这种情况下,细粉末颗粒通常被用作黄土表面的填充材料,特别是在大颗粒与胶体位置的接触点处时,土壤中所含有的物理及化学物质及其他土颗粒都会集中在较大颗粒的接触点上。

 

在外界条件的作用下,水泥自身会发生固化和结屏,现象,因此,随着时间的推移,水泥的牢固程度也会增加,湿陷性黄土的强度也得到了提高。并且当暴露于水时,水泥软化并严重时甚至会出现水泥消失。最终导致土壤的强度降低,最终甚至发生公路的塌陷。

    

此外,我国某些地区的湿陷性黄土通常情况下含有相应的可溶性盐,这些盐以半固体或固体形式存储在颗粒表面。

同时湿陷性土壤中含有的一些水溶性盐、钻土颗粒和粗颗粒等,在一定程度上会聚集在大颗粒的接触点上,最终形成水泥。当湿陷性黄土处于成形阶段时,由于不能同时提供足够的压力和足够的湿度,因此土壤压实也不充分。其中,由于大气降水的影响,靠近地面约2 m-3 m的土壤层湿度紧凑,土壤层很小,因此土壤的紧实程度也得到了较大的提高。

 

2湿陷性黄土公路路基处理方法

在处理湿陷性黄土公路施工中,常用的处理方法如下。

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垫层法

在基底中挖出所有可塌陷的土壤,或挖到预期的深度,然后用石灰材料或既定土壤将其缺陷处填充,并采取压实处理。一般情况下,土壤基底层的厚度要控制在1 m-3 m,在此范围内可以较好程度地消除垫层范围内的土壤湿陷性,避免该区的土壤由于自身或外界环境的压力下发生湿陷。该方法易于上手,效果显著,施工便捷,目前已经成为了湿陷性黄土公路路基的主要处理方法。但是在使用过程中同时还应考虑以下3个方面。

 

1 )局部土层垫层的处理宽度小于地基底部的宽度,即使进行地基处理后,地表水和管道渗漏仍然可以从垫层侧渗透到下面的土层中。因此,垫子的折叠需考虑防水和阻水的作用,对基础要求高的防潮或防渗漏的建筑物不应使用局部土壤垫层进行处理。

 

2)如果公路位于建筑物附近,在处理该区域的公路路基时,整个垫层的处理区域要超过建筑物外墙每一侧区域的外缘宽度,同时注意该宽度不能小于垫层的厚度,一般情况下至少要大于2 m。

 

3)在自重湿陷性黄土地区,地下水位可能不会升高,如果不清除湿陷性地基的总量,则极有可能湿润地基或有严格的防水要求采用建筑物,因此该方法更适用于整个土壤垫层处理地基。但是,一般情况下,在湿陷性黄土公路附近,其地下水位相比较高。当地下水位上升时,湿陷性黄土发生下沉的可能性将会增大。

 

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冲击碾压法

冲击轧制是压实技术的新发展,冲击压路机由牵引机驱动以驱动机械的向前运动。压路机的连续冲击会对土壤产生较高的振幅,同时以较低的频率来增加土壤的压缩效果。压缩机采用高能量的冲击力周期性地向地面土壤周围产生较强烈的冲击波,同时会给土壤带来向下振动的波率,可以增加地下土壤层的密度并达到压实的目的。冲击压路机影响土壤基础的表面,并且冲击压路机每周有3次压缩和3次冲击。冲击压路机将压实辊从倾斜的束中逐渐推开1 m,轮迹在水平方向上重叠1/2,在纵向方向上重叠1/6,在压实过程中冲击辊的速度为10 km/h-12 km/h。每进行12次冲击后,应检查其土壤的可压缩性、水分含量、最大密度、孔隙率、可折叠性和自重及其他指标。冲击轧制完成后,检查沉降总量,湿陷性系数,压实度和其他数据,以确保其工艺满足设计要求。该方法施工方便,成本低廉,在公路工程建设中具有广泛的应用效果。

 

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强夯法

动态夯实方法的原理是使用提升装置将一定质量的夯锤提升到额定高度。自由落下的夯锤在基础土壤上产生的夯实效果,在夯实表面以下的一定深度内形成一层土壤,达到致密的条件,消除了褶皱,降低了可压缩性并提高了基础承载力。夯实时,锤的重量和落下距离最好,敲击能量大,打夯次数少,打夯次数减少,对于土壤的加固效果以及该操作的经济实用性都符合要求。目前我国强夯法的拆卸重量大约为10 t -40 t,下放距离为10 m-20 m。以相同的夯实能量为基础对比较,下落距离的增加时,芬实的重量及速度也会得到一定的增加,土壤的压实效果也会得到一定的增加,但是增加落下距离会降低起重机的稳定性。夯实道次的数量取决于下层土壤的特性,土壤压实层越厚,土壤颗粒越细,水分含量越高,则需要夯实道次的次数越多。对于较细的土壤层,通常需要3次通过。第一遍和第二遍是排列成正方形的点形撞锤。夯实点的间距通常取决于压实层的厚度和土壤质量。夯点间隔为6m。为了加固深层土壤,第一遍的夯实点间距必须较大,以便夯实能量可以传递到深处。第二捣固点通常布置在前一个捣固点的中间。第三阶段是完全夯实,夯实能量低,互相重叠以确保土壤层的均匀性和密度。为促进土壤中超静压力的散布,两次夯击之间应保持恒定的时间间隔,典型的间隔为1至3周,在大规模动态夯击施工前应选择代表。夯实路段(路段)以确定合理的动态夯实参数和施工技术。在试验夯实区域,夯实点的布置应不少于5x5夯实点,试验夯实区域的宽度应至少为预期加固深度的两倍,长度应至少为60 m ,

 

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换填法

换填法是将底部下方的可塌陷的土壤层完全清除或开挖到预期的深度,然后回填并夯实普通土壤层或石灰土层,厚度通常约为1 m-3 m。该方法可以有效地去除替代土壤范围内的湿陷性并有效避免由于基础上施加额外压力而引起的一系列土壤湿陷的情况。如果在施工过程中黄土的含水量相对较大,或者如果某些区域发生水渗透,渗入量过大,则可以采取干燥措施来严格控制石灰石或普通土壤的含水量。其不仅降低了土壤的强度,甚至还会引起路面的变形问题。考虑到这一点,在进行轧制前要测量土壤的水分含量,在碾压过程中要注意路面边角部位的碾压。同时注意施工的过程中,碾压层的厚度一般情况下不会超过300 mm,并且应逐层测试可压缩性以确保其满足要求。

 

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振冲法

振冲法被广泛用作一种简单有效的复合路基处理和加固方法,其原理仅由2个部分组成。

 

1)振动装置的强烈振动,从而促进了砂层的饱和。从而进行黄土路基连续液化,砂粒重排,降低孔隙率。

 

2)通过振动冲击装置的水平振动添加填料,以确保砂层的压实。

 

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桩基

在可湿陷的黄土地区中使用桩基的目的是使湿陷性黄土层穿过桩,并落入一层坚硬的不可塌陷的土壤中,以安全地支撑来自上部非结构性,如一旦路基受水浸湿,就可以完全避免湿陷的危害。根据施工方法,桩可分为打桩,钻孔和爆破。

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砂石桩法

沙子和碎石桩可用于处理疏松的沙子、淤泥、粉性土,平坦的填土和其他填筑路基。它的工作机理主要是增加桩的压实度和桩周围的土壤压实度,依靠结构的振动作用来增加低等级的承载力,并降低可压缩性。

 

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水泥土搅拌法

在使用水泥土搅拌法前,通常情况下会采用石灰以及水泥作为路面的硬化剂,同时采用搅拌机进行路基深层软土和硬化剂的搅拌,从而使土壤内部的软土以及硬化剂产生充分的物理及化学反应。土壤的硬度会逐渐升高,同时其完整性和强度也会逐渐提高。采用水泥土搅拌法可以有效地提高地下土壤的结构强度。在采用水泥土搅拌法处理黄土公路路基时,水泥材料的含量通常较小,因此该过程的物理及化学反应通常会在某种活性的介质中进行,因此突然的硬化程度就会得到一定程度的降低,该方法主要适用于小范围。

 

总的来说,湿陷性黄土公路在我国建筑工程中是一种常见的病害类型,并且其会直接影响到公路路面的使用质量及使用安全。因此提高对湿陷性黄土路基处理的重视程度,对于公路工程未来的发展十分重要,为今后我国湿陷性黄土公路工程的施工提供了相应的参考。

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