路基施工关键技术.ppt
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1、路基施工关键技术,崔 育 其,第一部分 路基压实质量控制第一章 压实的重要意义第一节 概 述 技术方面:不重视路基路面的压实,往往是造成路面局部沉陷或过早破坏的主要原因之一。管理层面:严格施工管理、质量控制,路基、路面的强度高,整体承载能力强且稳定性好。,第二节 压实的物理过程 对含粘性土的细粒土进行碾压时产生的物理现象包括:1、使大小土块重新排列和互相靠近。2、使单个土块颗粒重新排列和互相靠近。3、使土块内部的土颗粒重新排列和互相靠近。4、使小颗粒进入大颗粒的空隙中。5、压实:增加单位体积内固体颗粒的数量,减少空隙率(或空气率)。,各种土经过压实后,单位体积内通常包括固体颗粒、水和空气三部分
2、,常称为三相体。在此三相体中,水和单个土颗粒是不可压缩的,空气在土体内也是不可压缩的。因此,要使单位体积内的固体颗粒增加,只有采取措施使土体内的空气和水排出。用机械碾压就是施工现场所采用的主要措施。,某一含水量时,土的理论最大密实度就是土中空气等于零,土接近于两相体。天然砂常常是由不同粒径的砂砾所组成,在压实过程中,细颗粒填入粗颗粒间的孔隙中,使砂的密实度增加。因此,单一径砂的密实度通常最小。由各种不同径粒组成的砂可能达到的密实度经常大于单一粒径砂的密实度,最佳级配的砂可能达到的密实度最大。,第三节 三相体和密实度的表示法 密实度是指单位体积内固体颗粒排列紧密的程度,排列的越紧密,单位体积内的
3、固体颗粒就越多。密度:土或路面材料的单位体积质量或固体体积率大小。如单位体积质量中包括所含水分的质量,则称作湿密度。,如单位体积质量中不包括所含水分的质量,则称作干密度,湿密度和干密度的单位通常是kg/m3或g/m3。土或路面材料的湿密度可以用公式(1-1)计算:,由于某种土或路面材料颗粒的密度是个定值,因此,土或路面材料的干密度愈大,其固体体积也愈大。单位土体积内固体颗粒多了,颗粒与颗粒间的孔隙必然缩小,也即土体的空隙率缩小。空隙率是用公式(1-5)计算的,并以百分率表示:,水的体积用公式(1-6)计算:,因此 用公式(1-7)计算土中的空气体积率为:水的体积率(%)与孔隙率的比值,称为土的
4、饱和度。当两者的比值等于1(即100%)时,土中的孔隙全部被水占有,土体的饱和度等于100%。此时土中的空气体积等于零。,干密度不能作为衡量压实质量高低的指标,用压实度表示压实的好或不好,压实度是指土或路面材料压实后的干密度与该土或该材料的标准干密度之比,并常用百分数表示。用规定击实试验法得到的土或材料的最大干密度 通常就是它的标准干密度。因此,压实度是用公式(1-8)计算的:,第四节 压实与土和材料强度的关系一、土的强度 在室内,用相同的击实试验和强度试验,可以发现,不同含水量条件下的各个试件的干密度和强度是不同的。(击实试验采用的是轻型击实试验法),由图1-5和图1-6可以看到,无论是含水
5、量与干密度关系线还是含水量强度关系又有一个峰值。此两图清楚的表明了压实对土的强度的影响。,在室内,使用不同击实功将同一种土在相同含水量下制成试件,并使试件压实到不同的干密度(或压实度),各个试件的强度就相差很大。试件的干密度愈大,其强度也愈高。图1-7 粘土的E与和d的关系。对一种液限为60%,塑性指数为28的粘土进行一系列室内形变模量试验后,曾用数学加工法算得形变模量E与含水量和干密度d之间的回归方程:,图1-5砂质粘土的含水量与干密度曲线(图上曲线1)和含水量与抗压强度曲线(图上曲线2),E=121lg+85d+82(MPa)(1-9)按此方程可以绘出一组曲线,如图1-7上的一系列斜向曲线
6、。在1-7中,每条曲线都是模量E的等值线。图上同时绘有三条击实曲线和一条空气体积率等于零的等值线。图1-7中的曲线明显的表示了土的干密度对形变模量的影响。,在实际路基施工中,同样存在这种规律。例如,在刚碾压了两遍的路基上,承载板试验测得形变模量为63.7MPa。在老路基上,测定土的形变模量E、含水量及干密度d表后,也曾得出与室内试验类似的规律性:E=351lg+17.6d22.7(MPa)(1-10),第五节 压实与土和路面材料塑性形变的关系 在现有道路上经常遇到这种情况;有的路段路面很平整、没有什么形变;有的路段路面上车辙和大波浪形变很严重。虽然引起这些形变的原因很复杂,但压实不足往往是主要
7、原因。在进行弯沉测量的一条公路上,凡弯沉值在115(1/100mm)以上的测点附近也全部有辙槽,辙槽严重的路段一个断面上有4条车辙(路面上画有中心线,中心线的一侧都是单向交通),槽深达5cm7cm。这些严重变形的路段并不是都处在水文地质不好的地段,其水文地址条件往往与其他路段无太大差别。,第六节 压实与土和路面材料稳定性的关系 材料经过压实后,其密实度愈大,内部的孔隙就愈小,从而渗透系数也大大减小。图1-18所示为碎石和砾石材料的干密度对其渗透系数的额影响 前面已经谈到,土经过击实试验后,可以得到1条击实曲线,如图1-19上的驼峰形曲线。将公式(1-7)改变成以下的形式:,利用公式(1-14)
8、可以计算土中空气体积率为0。5%、10%等的等值线。空气体积率为0的这根线,也就是土的饱和度等于100%的线。图1-19上空气体积率为零的这根线,也就是人工压实时所能够达到的密实度的极限线。实际上不可能通过碾压使土中的空气体积为零。不管用什么方法在室内进行击实试验,土达到最大干密度时,土中经常保持3%5%的空气。,第七节 密实度与路堤形变的关系 在荷载和天气气候条件作用下,会产生4种不同性质的形变。形变的大小与路堤筑成后土密实度和含水量有很大关系。(1)固结变形 路堤在不受水浸润的情况下,在上覆土层和路面自重的作用下,路堤所产生的沉陷称做固结变形。固结过程中土的这些变化对路堤都是有利的。但是,
9、如土的初始密实度不够,在固结过程中高路堤会产生不均匀沉陷。这种不均匀沉陷对路面是十分有害的,它可能引起路面出现明显变形和纵向裂缝。如路堤土的密实度接近重型击实试验法的最大干密度,则路堤一般不再产生固结形变。,(2)由于含水量增加所产生的变形 压实可以增加土抵抗水分侵入的能力,土的水稳性随其密实度增加而增加。膨胀性小的粘性土,在最佳含水量下,压实到压实度为95%以上时,实际上是不透水的,毛细水也不至于上升,即使上升,数量也很有限。干土虽被压实到高密实度,但水分侵入然会使土发生膨胀,即土变松。水分侵入压实不足的路堤,会使路堤发生沉陷。,(3)由冻胀产生的形变 土的冻胀,特别在过分潮湿地区,是路基土
10、最危险的一种形变,因为它会破坏道路面层的平整度,有时还会导致整个路面或路面的某一结构层破坏。由于路基冻胀,面层表面的抬高可以达到很大数值。施工质量差的道路,冻胀可能接近20cm。土基冻胀主要是两部分水结冰的结果。一是土中水的一部分结冰;二是由下层移动到冻结区。后者是主要的。当地下水位接近冻结区时,冰的聚结特别严重。,(4)化冻时产生的形变 在冻结时土中有冰粒、冰针,有时还有冰夹层。化冻时,这些冰晶体变成水,体积缩小,因此,在化冻后土是一种多孔隙体。在荷载作用下,土中的多余水分被压挤出,土被压缩,又逐渐变得密实,但这个过程发展缓慢。,第八节 我国高速公路沥青路面早期损坏现象一、路基不均匀固结沉陷
11、导致路面局部沉陷。二、路基不均匀固结沉陷导致路面产生纵向裂缝。三、路基处理不好和压实不够导致路面产生纵向裂缝。,四、构造物两头路基沉陷导致“桥头跳车”构造物两头由于路堤压实度不够逐渐沉陷产生的桥头跳车现象,几乎在每条高速公路上都有,只是数量多少和成都轻重的差别。在软土地段上,这种桥头跳车现象最为严重。在非软土地段上,桥头跳车现象发展较缓慢。有的高速公路开放交通厚度额前二三年无明显桥头跳车现象,三年以后才逐渐产生明显的桥头跳车现象。五、路面产生结构性破坏,第二章 影响压实的因素 对土进行击实试验时,影响土达到规定密实度的主要因素有:含水量、土或材料的颗粒组成以及击实功。在施工现场碾压细粒土的路基
12、时,影响路基达到规定压实度的主要因素有:土的含水量、碾压层的厚度、压实机械的类型和功能、碾压变数以及地基的强度。在工地碾压级配集料时,影响集料达到规定密实度的主要因素,除上述因素外,还有集料的特性(包括质量、级配的均应性和细料的塑性指数)以及下承层的强度。此外,土和路面材料的类型对所能达到的压实度也有明显影响。,第一节 含水量对压实过程的影响 一、最佳含水量和最大干密度 在压实过程中,土或材料的含水量对所能达到的密实度起着非常大的作用,在室内进行击实试验时,它随所用的击实功而变。在工地碾压时,它随所用压路机的重量或功能以及碾压遍数而变。图2-1,二、不同土的最佳含水量 各种不同土的最佳含水量和
13、最大含水量也是不同的。通常途中粉粒和粘粒含量愈多,土的塑性指数愈大,土的最佳含水量也就愈大,同时其最大干密度愈小。因此,一般砂性土的最佳含水量小于粘性土的,而前者的最大干密度大于后者的。,第二节 击实功对最佳含水量和最大干密度的影响 一、击实的影响 对同一种土或同一种级配集料而言,击实功能增加时,其最佳含水量减小,而最大干密度增大。在工地同样是这种规律。保持压路机的重量不变、而增加碾压遍数,或增加压路机的重量、不改变碾压遍数,都可以得出与室内相同性质的含水量密实度关系曲线。因此,随着压路机重量的增加,土或路面材料的最佳含水量要降低,而最大干密度要增加。但是,这种现象是有一定限度的。超过这个限度
14、,即使继续增加碾压遍数或使用很重的压路机也不会明显降低最近爱含水量和明显增加最大干密度。图2-7,现场含水量控制 室内击实试验确定的最佳含水量与规定的击实功有密切关系。室内所得最佳含水量可能与现场所用的压路机不相适应。需要调整以适应所用的压路机,这一点很重要。为了保证满意的压实效果,使土在(或接近)压路机的最佳含水量条件下碾压是极重要的。达不到规定密实度的最普遍原因是碾压时材料的含水量不合适。,对于道路工程师来说,另一个重要之点是击实试验所得含水量密实度关系曲线的形状。某些材料的含水量密实度关系曲线干的一侧的曲线段较陡,在现场碾压过程中需要仔细控制含水量。如过干,就需要用过多的压实功。如过分潮
15、湿,就不稳定。如果材料的含水量密实度关系曲线比较平缓,则现场碾压过程中就不需要那样仔细控制含水量,特别在干的一侧更是如此,因为碾压时含水量不是那么敏感。,细土少的材料(如填石、砂砾、渗滤材料、碎石和颗粒均匀的砂)对碾压时的含水量不敏感。因此,不需要规定碾压时的含水量。在不同地区,取土坑中土的原始含水量有很大差别。在干旱地区,挖出土的含水量比标准击实试验的最佳含水量小的多,而接近于甚至修正葡氏试验的最佳含水量。在这种地区,由于难于得到合适的水源,或难于使水透入土中,实际上可能需要在比最佳含水量干得多的状况下压实土。,毫无疑问,修正葡氏试验的最佳含水量,更适合于当前土方工程中常用的现代化的重型压实
16、机械压实时的实际情况。如果在小于压路机的最佳含水量下进行碾压,则为了达到要求的压实度,可能要明显增加压实功。在这种情况下,需要考虑在干的状况下碾压比较经济,还是加水碾压比较经济。,第三节 压实机械 所用的压实机械对一定含水量下的路基土和路面材料的压实状态有很大的影响。使用轻型压路机只能得到较小的密实度,使用重型压路机可以得到较大的密实度。振动压路机比相同重量的普通光面钢轮压路机的压实效果好得多。不单密实度大,而且有效的压实深度也大(含水量大的粘土除外)。,常用压路机的分类如下:,第四节 碾压曾的厚度和碾压遍数 一、压实厚度 路基材料压实要选择合理的压实厚度碾压层厚度,要和压实机械和含水量控制相
17、配套。,二 碾压遍数 碾压遍数的选择与材料的性质、松铺厚度、压实机械有着密切关系。,第五节 碾压速度 碾压速度对路基土或路面材料层所能达到的密实度有明显影响。碾压速度过快,还容易导致被压层的平整度变差。现以振动压路机为例详细说明。碾压速度影响振动对单位面积内材料的压实时间。碾压速度低时,单位面积内的振动次数比年呀速度高时要多,因而作用在被压材料上的能量,前者多于后者。实际上,传递到被压材料层内的能量与碾压速度成反比。假定使碾压材料层达到规定密实度所需的压实能量不变,则碾压速度变倍时,碾压次数大致也要加倍。,第六节 集料的级配 集料的级配对碾压后所能达到的密实度有明显影响。均匀颗粒的砂及单一尺寸
18、的砾石和碎石,都难于碾压密实。为了提高路面结构层材料的强度和减少其空隙率,增加它在使用过程中的稳定性,对用作路面结构层的集料,经常要求其具有良好的级配。特别是对用作基层的集料,长规定有严格的级配范围。施工过程中,只有通过严格的控制级配,才能确定是否达到了规定的压实状态。,第七节 集料的质量 集料的质量主要指集料本身的强度和硬度。集料,特别是用作路面基层的集料,应该具用必要的硬度。集料颗粒过软,在压路机碾压过程中易被压碎,从而破坏集料本身的级配,影响集料能够达到的密实度和强度。,第八节 土的类型 1、不同土的压实性能 不同类型土的压实性能是不一样的。就填筑路堤而言,最合适的土是砂砾土、砂土及亚砂
19、土。这些土容易压实,有足够的稳定性,遇水不致过分泡软。用这些土填筑的路堤,沉陷可能最小,而且可以作为路面的优良基础。在沼泽地以及受水浸泡的低洼地,用砂砾土填筑路堤最合适。除颗粒均匀的砂之外,这些土的特点是干密度大,塑性很小。2、土的类型对压实度的影响 普通钢轮压路机碾压砂和砂砾土容易达到高的压实度。振动压路机最适宜于压实砂和砂砾土,且容易达到100%的压实度,但振动压路机压实重粘土的效果很差。对于重粘土和其他粘性土,用轮胎压路机碾压的效果最好。,地基或下承层的强度 在填筑路堤时,如地基没有足够的强度,路堤第一层是难于达到较高的压实度的。因此,在填筑路堤之前,必须先碾压地基(在清场后),使其达到
20、足够的压实度(如93%压实度)和强度。如地基本身比较湿软(在水稻田地区常有这种情况),直接在上填筑路堤,往往会发生困难,路堤的第一层(每层以压实厚度20cm考虑)甚至第二层上,重型压路机无法进行碾压;重型压路机进行碾压,土层就发生“弹簧现象”愈严重。在这种情况下,应该先采用石灰或固化剂处理地基,或者先将地基土用砂、砂砾、砂砾土或其他类似的材料换填13层,进行适当碾压后,再进行填土。,下承层的强弱对所需压实层的密度也有明显的影响。实验表明,直接铺筑在土基上的同一种级配集料,用相同的压实机械和压实方法碾压时,如土基强度高,集料的密实度就大;反之,寂寥的密度就小。经验证明,在软土地基上的碎石底基层难
21、于压实。大量野外试验的结果表明,未用结合料稳定的材料层的强度(模量)约为其下承层强度(模量)24倍。大量施工实践证明,直接铺设在半刚性基层上的沥青混凝土层较易达到高的压实度。,碾压方式 路基、路面基层和沥青面层的施工技术规范都要求必须“先轻厚重”,即先用轻型压路机碾压一定遍数后,再用重型压路机碾压。这种合适的碾压方式既有利于提高压实度,又有利于提高平整度。但是,在有的高速公路标段,在用摊铺机铺出平整的水泥稳定级配碎石层后,立即用重型压路机碾压,结果,在压路机钢轮前面产生相当大的推挤,使水泥碎石层产生大波浪,严重影响了平整度和所能达到的压实度,这是需我们特备注意的。,第三章 确定标准干密度的方法
22、第一节 击实实验方法一、重型击实试验法二、最大干密度和最佳含水量的变异性。三、超尺寸颗粒的处理。第二节 振动击实仪法,固体体积率法 集料的干密度愈大,其中的固体体积率也愈大。例如,某集料层经过碾压后的干密度为2.34g/cm3,该集料颗粒的密度为2.68g/cm3,在用固体体积率表示该集料基层的密实度时,利用公式(1-4)计算得出:,如实际所有集料是由多种不同密度(或相对密度)的材料统称,则该集料的综合密度可按下式计算:,G1、G2、Gn分别为材料1、2、n的颗粒买体积相对密度。用固体体积率法确定标准干密度,也就是规定某种集料经过碾压后,其固体体积率应该达到某一数值,例如83%85%,实践证明
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