铁路改良土施工

铁路改良土专题讲座,主要内容,一、概述二、石灰土改良土配合比设计三、改良土常规试验研究四、连盐铁路改良土要求五、改良土施工,发展国外：从上世纪初国外就开始了改良土的理论研究和应用。40年代，美国ASTM已经将水泥改良土试验标准编订在工程土壤规范中，主要参数：含水量、密实度、干湿循环、冻融循环和抗压强度。国内：从上世纪五六十年代开始进行改良土的综合利用和研究，经过几十年的研究，对改良土已经有了较为深入的认识。八、九十年代，为进一步研究、开发、推广、使用改良土材料和保证施工质量，陆续制定和实施了一系列国家标准和行业标准。历史：在我国的历代均有使用，宫殿、道路、河道、墓葬等。最早的清雍正十一年（1733年）颁布的工部工程做法则例中，对灰土的用料配合比和施工方法都作了详细的规定。,一概述,发展这些标准中规定了改良土材料的选择、组成、配合比设计、结构设计、施工、质量要求、检查验收及常规试验方法等内容。路基填料改良方法主要有：1）物理改良（通过在土中掺入中、粗砂，卵、碎石及砾石等材料，改变土的颗粒级配，提高了工程性能指标的土体。2）化学改良（通过在土中掺入石灰、水泥等掺合料，改变土的化学成分，提高了工程性能指标的土体）。3）其他改良方法,一概述,发展,一概述,路基填料改良方法表1,定义这里根据公路施工技术要求，主要讲述公路无机结合料稳定土的施工技术。在各种粉碎的或原来松散的土或矿质碎（砾）石或工业废渣中，掺入一定数量的无机结合料（石灰、水泥等）及水或同时掺入土壤固化剂经拌合得到的混合料。经拌合、摊铺、压实和养护后可形成具有一定强度和稳定性的板体结构。用途：可用作道路路面结构的基层、底基层或垫层。,一概述,定义按粒径大小和颗粒组成分：稳定细粒土：最大粒径小于9.5mm，小于2.36mm的不少于90%；稳定中粒土：最大粒径小于26.5mm，小于19mm的不少于90%；稳定粗粒土：最大粒径小于37.5mm，小于31.5mm的不少于90%。按矿质粒料含量分：悬浮式：含沙砾或碎石不超过50%；骨架密实式：含沙砾或碎石不超过80%；,一概述,一概述,定义以石灰改良土为例：化学反应石灰是氧化钙（生石灰）和氢氧化钙（消石灰）的统称。不论生石灰、消石灰，水化后和土壤中的二氧化硅或三氧化二铝以及三氧化二铁等物质结合，即可生成胶结体的硅酸钙、铝酸钙以及铁酸钙，将土壤胶结起来，使得颗粒级配得到改善、有较高的强度和抗水性；同时增加了土壤颗粒间的附着强度。在物理力学性能土壤和石灰是组成灰土的两种基本成分。粘性土壤颗粒细、活性大，因此强度比砂性土壤高。一般情况下，以粘性土配制的灰土强度比砂性土配制的强度高12倍。,适用性及局限性目前公路无机结合料稳定土主要包括水泥稳定土、石灰稳定土、综合稳定土等。水泥稳定土在经过粉碎的或原来松散的土中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料，在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥稳定土。,一概述,适用性及局限性,一概述,水泥稳定土主要技术要求表2,适用性及局限性石灰改良稳定土（下简称为石灰改良土）在经过粉碎的或原来松散的土中，掺入足量的石灰和水，经拌和得到的混合料，在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为石灰稳定土。,一概述,适用性及局限性,一概述,石灰稳定土主要技术要求表3,适用性及局限性综合稳定土（石灰、粉煤灰稳定土）两种或两种以上无机结合料稳定的强度符合要求的混合料，如石灰加粉煤灰级配碎石或石灰粉煤灰级配砂砾石等。主要技术要求等同于石灰稳定土。,一概述,1、原理选择不同的石灰剂量，在各剂量下进行击实试验从而确定不同剂量下的最佳含水率和最大干密度，将各剂量下的最大干密度所对应的最佳含水率石灰土按规定压实度制作强度试件，养生后测强度，绘制石灰剂量-抗压强度关系曲线，根据配制强度要求确定石灰计量。,二石灰土改良土配合比设计,二石灰土改良土配合比设计,2、原材料试验在石灰改良土施工前，应取所定料场中有代表性的土样进行下列试验：颗粒分析、液限和塑性指数、击实试验、碎石或砾石的压碎值、有机质含量（必要时）、硫酸盐含量（必要时）。如碎石类土、砂砾类土等的级配不好，宜先改善级配。应检验石灰的有效钙和氧化镁含量。,二石灰土改良土配合比设计,4）室内有机质含量试验：铁路工程土工试验规程TB10102-2004规定,4）室内有机质含量试验：新标准铁路工程土工试验规程TB10102-2010把土工化学试验归到铁路工程岩土化学分析规程中执行。如果均采用灼失量法，则会连土中硫酸盐+结合水均统计进入有机质含量中，无形结果偏大。,二石灰土改良土配合比设计,5）原土料粒径要求：,二石灰土改良土配合比设计,3、铁路化学改良土配合比设计原则：1）石灰改良土配合比设计：根据铁路路基工程施工质量验收标准TB10414-2003附录G要求；,二石灰土改良土配合比设计,3、铁路化学改良土配合比设计原则：1）石灰改良土配合比设计：根据铁路路基工程施工质量验收标准TB10414-2003附录G要求；,二石灰土改良土配合比设计,4、石灰土改良土配合比设计步骤1）石灰改良土配合比设计：根据铁路路基改良土技术规程要求；,二石灰土改良土配合比设计,4、石灰土改良土配合比设计步骤1）石灰改良土配合比设计：根据铁路路基改良土技术规程要求；,二石灰土改良土配合比设计,公路石灰改良土掺配比列表4,二石灰土改良土配合比设计,4、石灰土改良土配合比设计步骤1）石灰改良土配合比设计：,铁路水泥/石灰改良土掺配比列表4,二石灰土改良土配合比设计,4、石灰土改良土配合比设计步骤1）石灰改良土配合比设计：,2）确定最佳含水率和最大干密度对确定的每个石灰剂量，在不同含水状态下进行击实试验，确定其最佳含水率和最大干密度，其余两个计量的含水率、干密度由内插法确定。3）强度试验按工地预定的压实度，和室内击实得到的最大干密度计算不同剂量应有的干密度，并按其最佳含水率制备抗压强度试件，保湿养生6d，浸水1d进行无侧限抗压强度试验。计算不同剂量的抗压强度平均值和偏差：Rc、Cv,二石灰土改良土配合比设计,4）确定石灰剂量计算配制强度R配=Rd/（1-Cv*Za）工地实际采用的石灰剂量应比室内试验确定的剂量多0.51.0%；采用集中厂拌法施工时，可只增加0.5%；采用路拌法施工时，宜增加1%。石灰改良土：95%保证率，对应的Za为1.645，90%保证率，对应的Za为1.282；水泥改良土另单独计算。铁路均采用Za为1.645。绘制石灰剂量-强度曲线确定石灰剂量,二石灰土改良土配合比设计,二石灰土改良土配合比设计,公路石灰改良土抗压强度标准表5-1,二石灰土改良土配合比设计,铁路改良土抗压强度标准表5-2未区分水泥石灰，并且标准相应较低,三改良土常规试验研究,石灰改良土检验要求表6,三改良土常规试验研究,含水量试验主要方法：烘干法、砂浴法、酒精法。烘干法是标准方法。砂浴法适用于在工地快速测定无机结合料稳定材料的含水率。当土中含有大量石膏、碳酸钙或有机质时，不应使用本方法，该法精度较差，为现场施工过程中快速测定的参考数据。酒精法适用于在工地快速测定无机结合料稳定材料的含水率，当土中含有大量黏土、石膏、石灰质或有机质时，不应使用本方法，该法精度较差，禁止使用固体酒精。,三改良土常规试验研究,微波炉快速测定的含水量与烘箱法标准含水量测试结果有很好的相关性，用微波炉快速测定含水量仅需15分钟。,微波炉快速法与烘干法对比示意图表7,三改良土常规试验研究,击实试验目的利用标准化的击实仪具，模拟现场施工条件下，试验无机结合料稳定材料的密度和相应含水率的关系，获得无机结合料稳定材料压实的最大干密度和相应的最佳含水率。适用范围适用于在规定的试筒内，对水泥改良材料(在水泥水化前)、石灰改良材料及石灰(或水泥)粉煤灰稳定材料进行击实试验。试验集料的公称最大粒径宜控制在37.5mm以内。,三改良土常规试验研究,土工击实仪图1,三改良土常规试验研究,JTGE40-2007公路土工试验规程击实试验条文说明中“对于高含水率土”宜选用湿土法，对于非高含水率土则选用干土法”，通过大量试验证明，干法和湿法标准击实试验获得的最大干密度和最佳含水率有明显差别，现场石灰改良土的含水率变化过程与湿法标准击实试验的含水量变化过程一致，故建议选用湿法标准击实试验结果作为质量控制标准。,三改良土常规试验研究,强度试件成型试验（圆柱形）静压法适用范围适用于无机结合料改良材料的无侧限抗压强度、间接抗拉强度、室内抗压回弹模量、动态模量、劈裂模量等试验的圆柱体试件。,三改良土常规试验研究,无侧限抗压强度试验图2,三改良土常规试验研究,成型方式按静压法、锤击法制件方法成型的试件对于无侧限抗压强度及CBR值均存在较大差异。,两种制样方法的对比试验结果表8,三改良土常规试验研究,击实筒采用击实法制样时，建议采用相同规格的击实筒，即使不考虑土的适用性，虽然大小两种规格的击实筒理论上的单位击实功是相同的，实际上由于锤击时对土的覆盖位置不同，对筒内土的有效做功可能并不相同，两种方法击实后的土密度存在偏差，经验表明，小筒的密度可能会略高于大筒。,三改良土常规试验研究,大小击筒锤击覆盖的示意图3,三改良土常规试验研究,故按JTJ057-1994公路工程无机结合料稳定材料试验规程规范要求，无侧限抗压强度可用锤击法与静压法成型试件，按新规范JTGE51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程执行要求仅采用静压法成型试件。,三改良土常规试验研究,无机结合稳定材料无侧限抗压强度试验方法适用范围本试验方法适用于测定无机结合料稳定材料(包括稳定细粒土、中粒土和粗粒土)试件的无侧限抗压强度。,三改良土常规试验研究,无侧限抗压图4-1,三改良土常规试验研究,图4-2应变控制无侧限压缩仪图4-3改良土压缩破坏图,三改良土常规试验研究,我们在进行大量室内试验得出下列图示,轴向应变与轴向应力关系曲线图5,三改良土常规试验研究,我们在进行大量室内试验得出下列图示图5可以看出，石灰和水泥改良土在轴向应力达到最大值后，随着轴向应变的增大强度迅速降低，其破坏呈现脆性破坏特征，这是因为素土加入无机结合料后，无机结合料和土发生一系列物理化学反应，在土体中形成一种结构，从而使得改良土强度提高，一旦外力破坏这种结构，土体强度就会迅速降低。此外，与素土不同的是，改良土内部结构一旦发生破坏，其强度就很难得到恢复（尤其是水泥土，其在28天之内水泥基本反应完毕），选取那个值作为改良土无侧限抗压强度值是一个值得商榷的问题，如果采用最大值，则路基有可能在某一次超过最大强度的外荷作用下发生破坏，而采用残余强度显然又是一种浪费。,三改良土常规试验研究,我们在进行大量室内试验得出下列图示,轴向应变与轴向应力关系曲线图6,三改良土常规试验研究,由图6可见，改良土无侧限抗压曲线类似于岩石的抗压曲线，其在达到最大值前部分可以分为三个阶段：OA段，压密阶段；AB段，类弹性阶段；BC段，屈服阶段，压力增加不大而应变很快增大（处于破坏边缘），为保证线路安全，因此可以将B点（即屈服起点，该点应力用q表示）作为改良土室内无侧限抗压抗压强度值。由图6可以看出，B点的选择具有不确定性，根据其它研究成果，一般取最大值的0.750.9作为改良土无侧限抗压强度值，由室内试验结果可以看出，石灰土的q值约为其极限强度值的0.850.89，平均为0.87，水泥土为0.740.79，平均为0.76，综合取0.8。,三改良土常规试验研究,此外，考虑到现场养生环境、施工、气候等各种因素的影响，改良土现场强度较室内会有所折减，根据日本铁道综合技术研究所经过大量试验数据分析出的结论，改良土的现场无侧限抗压强度是室内无侧限抗压强度的60%。因此在石灰配比设计时，JTJ034-2000要求：1）R配=Rd/（1-Cv*Za），此公式得出设计无侧限抗压强度是实际配比强度的0.8左右（根据具体系数计算）。2）工地实际采用的石灰剂量应比室内试验确定的剂量多0.51.0%；采用集中厂拌法施工时，可只增加0.5%；采用路拌法施工时，宜增加1%。,三改良土常规试验研究,另对于南方雨量丰富地区，水是引起路基病害的一个重要原因，水浸入路基，会造成改良土强度指标的下降，因此在对易被水浸湿地区，改良土设计时应将饱水后无侧限抗压强度作为最不利情况验算是否能满足路基抗压强度要求。,三改良土常规试验研究,灰剂量检测方法JTGE51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程规定用EDTA标准液滴定法确定石灰土中的石灰剂量。该方法的注意事项：1）该规范指出“现场土样的石灰剂量应在路拌后尽快测试，否则需要用相应龄期的EDTA标准溶液消耗量的标准曲线确定”。2）规范没有考虑二次掺灰等施工工艺问题。,三改良土常规试验研究,故在实际应用中应该根据工程实际情况对试验方法进行调整，下面列举出一种灰剂量标准曲线制作的方法：在取土坑铲除表面土体，挖排水沟排水；现场取5kg土样6份，其中一份为素土，其余掺入2%生石灰。标准试样模拟现场土场焖料3天，每天翻拌1次。第1次掺灰后的第4天，向2%生石灰标准样中添加消石灰（如4%的灰土掺入2%消石灰，5%的灰土掺入3%消石灰，以此类推），消石灰掺匀后把土料堆放1天。,三改良土常规试验研究,第2次掺灰后的第2天，在室内将素土样和不同含灰量的试样粉碎拌和，使最大粒径小于2mm，并使所有试样的含水量降低到最优含水量+3%范围内。在第2次掺灰后的第2天、5天、7天、10天、20天、40天分别取素土样和不同石灰剂量的标准样进行滴定。每次滴定时，取120g的标准样作为标准试样，同时测定标准样的含水量。获得各标准样100g干土的EDTA消耗量，绘制成标准曲线。该方法考虑了不同检测时间及二次掺灰所带来的影响，检测结果表明同一土层含灰量平均值基本不随时间变化，样本值分布也一致。,三改良土常规试验研究,EDTA消耗量随时间变化曲线图7,三改良土常规试验研究,改良土的延时效应化学改良土的强度和所能达到的干密度随时间延长发生明显的变化。化学改良土应考虑延时效应，其最大干密度取延迟一定时间的试验值，延迟时间根据所选施工工艺经试验确定。我国公路系统与铁路系统针对无机结合料的试验规程采用的是重型击实标准，其中公路系统的公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94)未考虑延时的影响，但在公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000)中明确指出，水泥稳定土施工时应做延迟时间对水泥稳定土强度,三改良土常规试验研究,改良土的延时效应化学改良土的强度和所能达到的干密度随时间延长发生明显的变化。的影响的试验，以确定合适的延迟时间，保证水泥稳定土在不影响其强度的情况下碾压密实。综上可见，国外针对水泥改良土进行试验时大都采用轻型击实，采用重型击实时则需要考虑延时，我国公路系统早期的规范中未考虑延时，在新修订的规范中也逐渐把延时对水泥土性质的影响写进了规范中；考虑到施工中的实际情况，规定了延迟时间34h。为了能合适地确定延迟时间，施工前必须做延迟时间对混合料强度影响的试验。,三改良土常规试验研究,改良土的延时效应化学改良土的强度和所能达到的干密度随时间延长发生明显的变化。,三改良土常规试验研究,7.室内试验的几点建议总结一些试验案例，得到这样几点经验或者教训：取土量要充足，以满足试验和可能的补点及返工需土量，这一点很关键。如果样品不足，重复补取时，很难保证两次取土的一致性；石灰质量是重要的控制要点，确保其符合试验及设计的要求，多次试验所用石灰的质量应保持一致；试验前应进行必要的物理性质试验以掌握土的性质，并根据具体土性按经验预估其最优含水率和最佳改良剂量，精心设计试验方案，避免试验的盲目性；,三改良土常规试验研究,室内试验的几点经验碾制加工样品时要充分拌和均匀，对于含大颗粒的混石土，切勿随意舍弃，注意保持土样的代表性。配料、加水，拌和，闷制，压实，养护，测试，每一个环节都至关重要，不容差错，争取一次成功，返工或补点时，应保持试验方法和试验样品的一致性；严格控制试验的环境条件，尤其是收缩试验所需的试验周期较长，温湿度变化及轻微振动对试验进程和结果的影响都是可想而知。,四、铁路改良土要求,1、连盐铁路改良土参考规范说明：1）铁路路基工程施工质量验收标准TB10414-2003；新建时速200公里客货共线铁路工程施工质量验收暂行标准铁建设【2004】8号；上述两本验标均未对改良土提出要求，只是要求符合设计即可。,四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：2）客货共线铁路路基工程施工技术指南TZ202-2008；（中铁四局一公司主编）,1、铁路改良土参考规范说明：3）高速铁路路基工程施工技术指南铁建设【2010】241号；（中铁四局主编）,四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：3）高速铁路路基工程施工技术指南铁建设【2010】241号；（中铁四局主编）,四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：3）高速铁路路基工程施工技术指南铁建设【2010】241号；（中铁四局主编）,四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：4）高速铁路路基工程施工质量验收标准(TB10751-2010),四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：4）高速铁路路基工程施工质量验收标准(TB10751-2010),四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：4）高速铁路路基工程施工质量验收标准(TB10751-2010),四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：4）高速铁路路基工程施工质量验收标准(TB10751-2010),四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：5）客运专线铁路路基工程施工技术指南(TZ212-2005),四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：6）公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000),四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：6）公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000)用于水泥改良原土料：有机质应2%，应先用石灰闷料一夜后，再用水泥改良。用于石灰改良原土料：有机质应10%，硫酸盐含量0.8%；塑限指数应采用小于20的土，否则不宜加工，对于高液限土及天然含水率较高的土采用粉煤灰降水处理。,四、铁路改良土要求,1、铁路改良土参考规范说明：7）铁路路基改良土技术规程(中铁四局主编，现未实施)3.3.1外掺料为水泥时，宜采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，强度等级为32.5或42.5，初凝时间不宜小于3.0h，终凝时间不宜小于6.0h，不应使用快硬水泥、早强水泥，不得使用受潮变质水泥。3.3.2用水泥改良的原土料,其塑性指数宜小于12，有机质含量不宜大于2%，硫酸盐含量不大于0.25%。3.3.3外掺料为石灰时，宜采用一等建筑钙质生石灰粉或合格建筑钙质生石灰，其石灰的CaO+MgO含量不小于80%，CO