干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 榆神高速公路风积沙路基施工技术及工艺研究

Arid

	榆神高速公路风积沙路基施工技术及工艺研究
	黄俊文; 陈安惠; 肖均; 张建经; 全孝; 唐开富; 马涛; 管会生; 程乔; 张德伟; 杨鹏; 舒亮; 陈祥; 付孝康; 王谊; 高文宗; 陈蜀冀; 杨长卫
完成单位	中铁二局股份有限公司
登记(发布)日期	2009
中文摘要	榆林至神木高速公路路线起点位于榆林市榆阳区小纪汉,穿越陕北能源化工基地榆神矿区腹地,通过枢纽立交与建成的榆蒙高速公路相接,高速公路正线全长105.4公里,受毛乌素沙漠的不断侵袭,设计规划带80%以上为沙漠所覆盖。在这样一个地理和地质环境下,要满足公路设计、施工规范规定的路基填料修筑榆神高速公路路基将面对巨大的困难,对建设方而言,它的工程造价也是难以承受的。沙漠地区大量存在的是风积沙,但是风积沙作为路基填料同一般路基一样,应具有足够的整体稳定性、强度和水稳定性。但目前尚无专门针对风积沙路基的填筑压实标准、设计标准与规范,因此在我国乃至世界范围内都是一个新课题目。基于此,中铁二局股份有限公司与陕西榆林榆神高速公路有限公司特立项开展《榆神高速公路风积沙路基施工技术和工艺研究》课题研究,联合西南交通大学针对榆神高速公路风积沙路基施工技术和工艺研究开展合作研究。课题主要研究内容包括：“风积沙最大干密度确定”、“路基压实实时检测”、“风积沙路基疲劳和变形特性”、“车辆速度和轴重对风积沙路基的影响”等多项关键技术进行专项研究,编制了《榆神高速公路风积沙路基施工规程》,提出了科学合理的风积沙路基压实技术和工艺,为类似道路设计、施工、改造等提供整套技术依据。通过本项研究,取得了一系列关键技术,主要体现在以下几个方面： (1)风积沙最大干密度的确定方法由于风积沙材料的特殊性,在本项研究中分别采用了《公路土工试验规程(JTJO51-93)》规定的标准重型击实试验方法以及振动击实试验方法来确定风积沙的最大干密度,对它们的压实机理和影响因素进行分析,特别是细粒含量(粒径小于0.074mm的颗粒含量)的影响,比较两种方法的压实效果,从而推荐出较为合理的风积沙最大干密度的确定方法。最终,确定了当细粒含量小于8%时,采用振动击实试验方法确定风积沙最大干密度;反之采用标准重型击实试验确定最大干密度。 (2)ICCC路基压实度检测仪开发技术当前有效控制铁路、公路路基压实质量是保证其安全运营的关键。传统的路基压实质量主要由压实系数控制,而且对于高等级铁路和公路 ,例如铁路客运专线的路基压实质量主要由地基反力系数K30、动态变形模量Evd、变形模量Ev2、孔隙率n、压实系数K控制。在路基压实过程中,为了检测上述指标主要依靠现场“抽样”试验方法。然而这样的路基质量检验方法在路基质量控制和施工经济性方面存在以下不足之处：主要依据“抽样点法”,用个别点的检测结果代表全断面的质量,因此不能反映路基全断面压实质量。质量控制仅是结果控制,而不是过程控制。在检验中耗费大量的时间,例如对一个点的K30试验和Ev2试验分别需要45分钟左右。无法控制超压现象。压实遍数的控制主要靠试验段的试验结果,若填料性质有任何变化,驾驶员无法知道达到标准的压实度与否。当填料存在不均匀时,抽样点很难具有代表性。针对传统的路基压实质量检测上的缺陷,课题组依托榆神高速公路,并携手四川瞭望工业自动化有限公司,联合推出ICCC路基压实度检测仪,实现了连续、实时、准确的过程监控,为路基压实质量控制提供了有力的保证。 (3)风积沙路基压实机械的选择技术沙漠中气候干燥、多风、经现场检测,其表层大约有10～15cm长期处于干燥状态,这给风积沙路基的施工带来很大困难。一般的压实机械不能满足要求,必须根据风积沙路基施工特点对压实机械进行选择并进行合理的组合。现在施工单位常用的路基压实机械设备有钢轮压路机、胶轮压路机、振动压路机、拖式振动碾或羊足碾等设备。经分析研究和工地实地试验,双驱动的自行式胶轮羊足振动压路机、光轮振动压路机均可使用。拖式羊足振动压路机、拖式振动碾在推土机拖动下前进时压路机轮前有拥沙现象,后退时不能振动且方向难以控制,若原地振动短时间内可产生沙基下沉现象,形成小坑。可见拖式振动压路机不能满足施工要求。路基压实机械可使用前后轮驱动的自行式胶轮羊足振动压路机、振动光轮压路机和推土机。根据研究,一般在高速、一级公路的施工中,采用振动压路机作为风积沙路基压实的主要机械;中型、大型推土机,主要作为风积沙的挖运摊铺、整平及稳压和终压机械,同时大型推土机也可以进行风积沙路基的压实施工;小型推土机主要用于风积沙路基顶面的整平施工。根据施工标段的工程量、工期、工程量大小、取弃沙运距、工期要求及设备能力等因素综合确定,制定了详细的、切实可行的机械施工作业方案,最大限度地满足了机械产量的要求,充分发挥了机械效率。 (4)风积沙路基碾压厚度分析技术根据能量理论的理论转换原理分析,计算压实机械压实风积沙碾压厚度h。风积沙的室内振动法试验压实功为 ;根据各压实机械的性能参数计算碾压厚度h。对于推土机靠自身重力压实风积沙路基时,并且以较高的速度行驶,假设压实有效功率为总功率的70%,行驶速度为10 ,碾压时轮迹重叠宽度不小于三分之一单侧轮迹宽度,单向逐轮碾压完成一遍称为一遍;假设振动压路机压实路基时有效功率为总功率的90%,行驶速度为6,碾压时轮迹重叠不低于三分之一轮迹宽度,单向逐轮碾压完成一遍称为一遍。同时并假设计算碾压厚度以下为刚性基础,有效功全部作用到碾压厚度范围内的风积沙上。因此,风积沙路基压实施工选用的压实机械宜为中型、大型推土机和20T振动压路机。通过理论计算分析,不同碾压机械碾压厚度为：中型推土机可选用20-30cm;大型推土机可选用30-50cm;20T振动压路机可选用30-50cm。 (5)榆神高速公路风积沙路基的现场压实技术试验的目的是研究不同因素对压实机械的合理组合、最佳压实厚度和压实遍数的影响,确定沙漠公路风积沙路基不同压实工艺下的相关施工参数,以及确定出适合风积沙路基的压实工艺,以便指导全线及其它沙漠地区风积沙路基的施工。试验段位置在K65+000至+900段,全长900米。根据施工图设计和现场查看,地质为半固定沙丘分布区,主要为垄状沙丘,表层植物主要为沙篙,偶见沙柳,植被覆盖率30～40%。K65+220～+670段为砂砾土封层特殊路基,K65+150～+600段为湿陷性黄土特殊路基,K65+190～+230、K65+650～+690段为超挖区特殊路基,全段位于(K65+190～K66+680)风积沙路基段。其中K65+347处为4×3m钢筋混凝土箱型通道,K65+430处有一道2.5×2.5m钢筋混凝土盖板涵。K65+000～+220、K65+707～+900段为全挖方路基。K65+220～+620段为全填方路基,K65+620～+707段为挖填结合段,由上可见,此段在路基施工中具有很强的代表性,试验成果能够对以后的施工能起到指导性作用。根据现场试验,最终确定了不同压实机械的合理组合、松铺厚度和压实遍数对风积沙路基压实效果的影响,并据此提出了压实机械的合理组合、最佳压实厚度和压实遍数,形成了一套合理的施工技术体系。 (6)冬季施工工艺由于榆神高速公路施工工期非常紧张,所以我们首次对风积沙冬季施工工艺进行了研究,极大地提高了榆神高速公路的建设速度,也丰富了风积沙路基施工工艺理论,为相关工程提供了重要的参考意义。风积沙材料料源来自K49+500左幅50m料场 ,取土深度2～5米,为非冻土,在中心试验室、监理的旁站下,测得天然含水为 4% ,最大干密度为 1.80 g/cm3。采用15t自卸车4台、50型装载机1台、T140型推土机1台组成运输、摊铺、碾压整个工序的机具组合,在天然含水的状态下对风积砂进行摊铺、碾压,并自三遍以后开始检测压实度。在现场开始摊铺之前,首先对环境温度、地表温度、运至现场的填料温度进行了测试,其数值分别为-3℃、-6℃、8℃,现场测试含水为3%,检测时间为上午10：30。测完相关的数据后,现场开始用装载机和推土机进行摊铺,并摊铺至预先设定的摊铺厚度标记桩位置(35cm)后,开始用推土机碾压,其碾压的方法和步骤与以前,碾压至第三遍后,开始检测。并通过现场试验分析,最终形成了风积沙路基冬季施工工艺的技术体系。 (7)风积沙路基大比例尺动态模型试验技术榆林至靖边高速公路是我国修筑的第一条风积沙路基高速公路,至今运营良好。但是,从对榆靖高速公路的调查情况来看,部分路段的路面出现了凹凸不平的车辙印。经分析研究,出现车辙现象的原因是：风积沙路基在长期反复荷载作用下,已压实的风积沙路基出现了疲劳破坏,导致局部已压实的风积沙出现塑性流动。在宏观上,这种塑性流动造成了路面的车辙现象。目前,考虑在长期车辆荷载作用下,风积沙材料的疲劳特性对风积沙路基的强度和变形特性的影响,国内外研究中均未见报道。由于压实度、CBR、回弹模量等都仅反应了土体的静态力学性质,无法反应土体的疲劳特性,因此我们决定通过室内大尺度动态疲劳模型开展高速公路风积沙路基压实技术和提高路基系统强度的耦合性研究,形成了一套风积沙路基的大比例尺模型疲劳试验技术。 (8)风积沙路基动力数值分析技术根据交通荷载的动力特性,分别用移动简谐荷载和半波正弦荷载来分别模拟交通荷载的单次作用和长期往复作用,利用有限差分软件FLAC3D对风积沙路基进行非线性动力分析。采用移动简谐荷载来模拟交通荷载,是因为在目前的路基路面动力分析中,这种荷载形式应用也最为广泛,因为它考虑了荷载自振频率对其的影响,而正是由于路面的不平整,才产生了荷载的自振频率,因此它综合考虑了荷载速度、路面不平整等多种因素的影响,更加接近实际情况,且在计算分析中更加方便应用。同时,动荷载作用于土体,主要有两种效应：一是速率效应,即荷载在很短的时间内以很高的速率施加于土体所引起的效应;二是循环效应,即荷载的增减,多次往复循环地施加于土体所引起的效应。路基在公路通车后将承受车辆荷载的长期往复作用,交通荷载对路基的作用主要是循环效应。因此,仅分析路基在单次车辆荷载作用是不够的,还应对路基的长期动态特性进行研究。由于荷载的循环作用,路基将产生一定的残余变形,并且残余变形将随着交通荷载重复作用次数的增加而累积增加。循环荷载作用下的残余变形累积就是路基最主要的一个长期动态特性。过大的路基残余变形是影响高速公路安全和稳定运行的不利因素,这种不利因素会逐步反映到路面上,进而影响路面结构的使用寿命和使用性能。通过本项研究,形成了一套实用的风积沙路基动力分析的计算机仿真技术。 (9)《榆神高速公路风积沙路基施工规程》的编制目前高速公路风积沙路基的压实技术和工艺是一个世界性的难题。国内还未有相关规范,对风积沙路基施工的一系列问题均未进行详细的研究,存在的问题主要有：①目前尚无专门的风积沙路基设计、压实标准。但是由于不同地区的风积沙的沉积条件、颗粒级配、矿物成分等因素的差异性,导致它们的力学性质大相径庭。这大大的增加了已建成公路的成功经验的推广难度,以至于我国仍然没有建立一套科学的、完整的风积沙路基的填筑压实标准。②目前对风积沙路基施工技术和工艺没有完善的研究和介绍,有待进一步深入和扩展;③考虑在长期车辆荷载作用下,风积沙材料的疲劳特性对风积沙路基的强度和变形特性的影响,国内外研究中均未见报道。本课题针对以上难题,运用工程类比、理论分析、效应观测、室内试验、现场试验和数值模拟等手段,编制了《榆神高速公路风积沙路基施工规程》,提出了科学合理的风积沙路基压实技术和工艺,为类似道路设计、施工、改造等提供整套技术依据。主要创造点如下： 1、风积沙最大干密度的确定方法首次提出了风积沙填料细粒含量阈值及相应的确定最大干密度的方法,即当细粒含量小于8%时,采用振动击实试验方法确定风积沙最大干密度;反之采用标准重型击实试验确定最大干密度,丰富完善了风积沙路基压实标准理论。 2、ICCC路基压实度检测仪的开发自主开发了路基压实检测仪,实现了连续、实时、准确的过程监控,为路基压实质量控制提供了有力的保证,极大提高了工作效率和压实质量。 3、大比例尺模型试验首次通过大比例尺风积沙路基模型试验研究了重复荷载作用下风积沙路基的动应力、弹性变形和永久变形变化规律,分析了风积沙路基的疲劳强度和变形特性,极大地完善了风积沙路基设计理论。首次研究了风积沙路基塑性应变与重复荷载作用次数两者之间的关系,提出了计算模型。 4、《榆神高速公路风积沙路基施工规程》的编制结合室内试验,通过风积沙现场压实试验,提出了使风积沙路基达到最佳压实效果的施工工艺,并形成本项目风沙路基填筑施工工艺、流程、机具配套等系列方案、组织及技术措施,编制了《榆神高速公路风积沙路基施工规程》,为风积沙地区高速公路建设提供了技术储备。主要创新点如下：提出了填料细粒含量阈值及相应的确定最大干密度的方法。开发了自动实时、全断面路基压实检测仪,提高了路基压实检测技术水平。首次通过大比例尺风积沙路基模型试验研究了风积沙路基的动应力、弹性变形和永久变形,分析了风积沙路基的强度和变形特性,提出了施工工艺,满足了设计要求。首次研究了风积沙路基塑性应变与重复荷载作用次数两者之间的关系,提出了计算模型。编制了《榆神高速公路风积沙路基施工规程》,为风积沙地区高速公路建设提供了技术储备。通过本项目在榆神高速公路上的成功应用,大大节省了借土远运的费用及取土对环境的破坏,实现了安全、质量和工程目标。目前榆神高速公路运营情况良好,经济、社会及环境效益明显。本项目紧密结合我国沙漠地区高等级公路建设生产实际,切合经济建设的需求,将会对我国西部大开发中的沙漠地区公路大规模建设和改造提供急需的技术支持,具有重要的指导和借鉴作用,具有很高的实用价值和推广前景,在目前和今后将广泛应用于我国沙漠及类似地区的公路建设中。
中文关键词	高速公路 ; 风积沙路基 ; 压实 ; 施工技术
成果类型	应用技术
语种	中文
国家	中国
中图法分类号	U416.1
URL	http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001408614
资源类型	成果
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/242623
推荐引用方式 GB/T 7714	黄俊文,陈安惠,肖均,等. 榆神高速公路风积沙路基施工技术及工艺研究[Z]. 应用技术,2009.