嚴(yán)寒地區(qū)鐵路液化地基上粉煤灰填筑技術(shù)

保國(guó)斌

摘要：通過(guò)對(duì)粉煤灰的物理化學(xué)及土力學(xué)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的高液限及毛細(xì)吸水現(xiàn)象對(duì)地下地上水豐富的鐵路路基可能產(chǎn)生病害，本文采取上下封閉、兩側(cè)包邊的隔水?dāng)嗝嫣钪Y(jié)構(gòu)形式，將粉煤灰毛細(xì)吸水現(xiàn)象對(duì)路基質(zhì)量的不利影響消除；同時(shí)介紹了嚴(yán)寒、液化地基上粉煤灰鐵路路堤填筑方法、施工工藝以及控制要點(diǎn)，對(duì)同類工程有借鑒意義。

Abstract： Through studying the physicochemical characteristic and soil mechanics characteristic of coal ash， it is founded that the high liquid limit and capillary water absorption of coal ash may cause disease to the railway foundation with rich ground or underground water. This paper adopts water exclusion section structure to remove the adverse effect of the capillary water absorption of coal ash on foundation quality. It also introduces the coal ash railway foundation filling method in severe cold area and liquefied foundation and the construction technology and control points， which can provide reference for similar projects.

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū)；液化土地基；路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；粉煤灰；控制要點(diǎn)

Key words： severe cold area；liquefied soil foundation；embankment structure design；coal ash；control points

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0143-03

0 引言

粉煤灰是熱電廠煤粉燃燒排放的廢料，在填料性質(zhì)方面具有顆粒輕、強(qiáng)度高、壓縮性小、有一定的水硬性、容易板結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，它是一種典型的輕質(zhì)材料，對(duì)地基的附加應(yīng)力小，可適用于地基承載力較低的軟土地區(qū)。火渤鐵路路基工程，通過(guò)對(duì)粉煤灰的物理化學(xué)性能和工程力學(xué)特性進(jìn)行研究，對(duì)粉煤灰路基基床以下芯體填筑采取上下粘土阻隔，兩側(cè)AB組土包邊封閉的方法，消除了粉煤灰毛細(xì)吸水對(duì)鐵路路基可能產(chǎn)生的病害，開(kāi)創(chuàng)了在東北地區(qū)嚴(yán)寒條件下，在液化地基上采用粉煤灰進(jìn)行冬期填筑施工的先例。

1 工程概況

火渤鐵路位于遼寧省盤(pán)錦市境內(nèi)，工程沿線經(jīng)過(guò)區(qū)域?yàn)檫|河平原，地勢(shì)平坦，80%線路穿越水稻田，沿線路基填料缺乏。經(jīng)多次工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，決定采用粉煤灰代替基床以下部分C組土，即基床以下路堤中間芯體填料采用C組土即粉煤灰填筑，兩側(cè)2m寬范圍內(nèi)采用AB組土或粉土包邊，包邊土與芯體同步填筑。

2 粉煤灰的物理化學(xué)及土力學(xué)特性

火渤鐵路填筑的粉煤灰源于熱電廠的干排灰，由環(huán)保公司收集入倉(cāng)，再經(jīng)加水?dāng)嚢枵{(diào)濕到壓實(shí)工藝的最佳含水量范圍后，運(yùn)至路基填筑段落。

2.1 粉煤灰的顆粒分析及液限

粉煤灰的土力學(xué)特性介于粉砂和粉土之間，液限大于40%，定名均為高液限粉土。粉煤灰由微珠玻璃體組成，化學(xué)成份和物理性能都不同于高液限粉（粘）土，因此，不能將高液限粉（粘）土標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)粉煤灰施工，粉煤灰土應(yīng)根據(jù)它的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

2.2 粉煤灰的最佳含水量和最大干密度

粉煤灰的最佳含水量范圍比較寬，利于填土施工；最大干密度小于粘性土近一半，對(duì)減輕液化土路基的自身荷載、減小路基工后沉降大有好處。

2.3 粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

石灰石除硫法回收的粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度3天齡期增長(zhǎng)43%，氨法除硫粉回收的粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度3天齡期增長(zhǎng)38%。

2.4 粉煤灰的自硬性能

粉煤灰的主要礦物成份為硅酸鹽玻璃體，伴有少量石英、莫來(lái)石、赤鐵礦、磁鐵礦、及微量游離氧化鈣。粉煤灰遇水后，微量游離氧化鈣、玻璃體內(nèi)的鉀、鈉、鋁氧化物及硫酸鹽等成份溶解于水，形成水化硅酸鈣、硫酸鈣、氧化鈣結(jié)晶，早期具有一定的力學(xué)性能。壓實(shí)的粉煤灰經(jīng)水化反應(yīng)能生成水化硅酸鈣、鋁酸鈣、硫酸鈣，水化物的生成又進(jìn)一步發(fā)展了粉煤灰的這種力學(xué)性能。因此粉煤灰不同于一般粘性土，粉煤灰路基結(jié)構(gòu)性能隨齡期的增長(zhǎng)不斷提高。

2.5 粉煤灰的毛細(xì)吸水現(xiàn)象和水穩(wěn)性

粉煤灰的毛細(xì)吸水現(xiàn)象比較發(fā)達(dá)，不利于粉煤灰填筑體的穩(wěn)定及防止凍脹。毛細(xì)水的上升高度與壓實(shí)度和水硬性有關(guān)，即隨著水硬后強(qiáng)度和壓實(shí)度的提高而毛細(xì)吸水現(xiàn)象下降。

粉煤灰的軟化系數(shù)為0.4，也就是飽水后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失60%左右。主要是粉煤灰粘性差，遇水后其地基系數(shù)K30大幅下降。因此粉煤灰填筑時(shí)宜用粘土將其與地下地上水相隔離。

2.6 粉煤灰的凍敏性

施工氣溫在-10℃以下時(shí)，粉煤灰表面不宜灑水。由于粉煤灰明水產(chǎn)生大量冰晶而影響壓實(shí)效果和工程質(zhì)量，因此，填筑用的粉煤灰需全部在廠內(nèi)將含水量調(diào)整到最佳范圍內(nèi)。

2.7 粉煤灰與粉（粘）土的區(qū)別

路堤基床以下填料通常采用粉（粘）土，粉煤灰與粉（粘）土特性對(duì)比見(jiàn)表1。

粉煤灰雖然液限較高，但塑性指數(shù)小，沒(méi)有粘性。填料的的抗變形能力好，只要土體含水量沒(méi)有超過(guò)塑限含水量，壓實(shí)的地基系數(shù)K30仍很大，隨著齡期的增長(zhǎng)，土體產(chǎn)生板結(jié)，地基系數(shù)K30增大。綜合分析，粉煤灰在做好上下封閉、兩側(cè)包邊、克服毛細(xì)吸水現(xiàn)象后也是一種優(yōu)良的填料，相比填筑工藝基本相同的粉（粘）土、細(xì)砂、粉砂等土工性能具有優(yōu)勢(shì)。

3 液化土路基段粉煤灰填筑的路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明

路堤結(jié)構(gòu)形式由于粉煤灰粘結(jié)力小，滲透系數(shù)大，毛細(xì)現(xiàn)象嚴(yán)重，且有一定的淋溶作用等特性，在路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮采取一定的防護(hù)措施對(duì)粉煤灰層予以隔離。路基梯形結(jié)構(gòu)采取上下封閉、兩側(cè)包邊的結(jié)構(gòu)形式，阻斷地下地上水對(duì)粉煤灰滲透破壞。原地面填筑50cm厚粘土或粉土阻斷地下水、地表水往上滲透，路基基床以下路堤中間芯體填料采用C組土即粉煤灰填筑，兩側(cè)2m寬范圍內(nèi)采用AB組土或粉土包邊處理，基床以下頂部填筑30cm厚粘土或粉土進(jìn)行封頂處理，再進(jìn)行基床部分填筑。填筑過(guò)程中粉煤灰作為芯體與包邊土同步按工藝層層攤平碾壓密實(shí)，并加強(qiáng)防水措施。高填方（H≥8m）兩側(cè)邊坡2.5m范圍內(nèi)按設(shè)計(jì)要求每填層60cm鋪設(shè)單向土工格柵進(jìn)行路基加固，確保路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。路基全部填筑完成后形成一個(gè)封閉穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)，達(dá)到路基驗(yàn)標(biāo)要求。粉煤灰填筑結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

4 粉煤灰填料施工特點(diǎn)

火渤鐵路路堤基床以下中間芯體采用粉煤灰，與傳統(tǒng)鐵路路堤填料相比較，具有以下特點(diǎn)：

4.1 節(jié)省取土場(chǎng)、減少占用土地。鐵路路基填料合理利用工業(yè)廢料粉煤灰，既能夠節(jié)省取土場(chǎng)，又減少占用土地。

4.2 粉煤灰的自硬性能有利于提高路基的穩(wěn)定性，使粉煤灰填料的最佳含水量范圍變大，更利于施工。粉煤灰自硬性能產(chǎn)生較大的力學(xué)性能，提高了K30值，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)粉煤灰的地基系數(shù)最高可達(dá)200kPa，遠(yuǎn)大于粘土路基的強(qiáng)度。

4.3 粉煤灰具有質(zhì)量輕、壓縮性小、路堤建成后沉降量?。蛔畲蟾擅芏刃?，相比粘性土減少了約一半的荷載，對(duì)軟土地基上的高填方路基填筑十分有利。

4.4 可進(jìn)行冬季施工。相對(duì)粘土路基施工，不怕凍，在嚴(yán)寒地區(qū)施工，仍能填筑壓實(shí)和正常檢測(cè)，有利于加快施工進(jìn)度。

4.5 通過(guò)對(duì)粉煤灰液化地基段的路堤填筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，有效地防止了粉煤灰路堤由于毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生的路基病害。

5 施工工藝及控制要點(diǎn)

5.1 施工工藝

粉煤灰路堤填筑施工工藝基本與填土路堤施工相似，僅增加了包邊土和設(shè)置下封上蓋等工序。工序主要包括基底處理，粉煤灰調(diào)濕儲(chǔ)運(yùn)，填筑攤鋪，碾壓，試驗(yàn)檢測(cè)等。試驗(yàn)檢測(cè)能否滿足驗(yàn)標(biāo)要求主要取決于粉煤灰的攤鋪厚度、含水量控制、壓實(shí)機(jī)械種類和碾壓遍數(shù)，因此在正式施工前，應(yīng)先做工藝性試驗(yàn)路段，以便取得施工工藝參數(shù)，指導(dǎo)施工。

5.2 施工控制要點(diǎn)

5.2.1 基底處理

液化地基段，基底為碎石墊層，其上填筑50cm粘土或粉土墊層。為保證包邊料寬度及路基邊緣壓實(shí)質(zhì)量，路基兩側(cè)超填50cm寬。底部找平、上部路基面施做4%人字排水坡。

5.2.2 粉煤灰備料

粉煤灰來(lái)源于熱電廠，出廠前進(jìn)行含水量調(diào)控后，在堆放場(chǎng)內(nèi)悶料，當(dāng)含水量控制在29%～36%時(shí)運(yùn)至施工填筑段。

5.2.3 填筑攤鋪

包邊土與路基中間芯體粉煤灰同時(shí)填筑、同時(shí)壓實(shí)。包邊時(shí)，為保證邊坡寬度及壓實(shí)質(zhì)量，包邊土橫斷面兩側(cè)即內(nèi)外邊線各加寬50cm填筑，內(nèi)外邊線測(cè)量控制保證包邊寬度。路基填筑時(shí)為控制松鋪厚度的準(zhǔn)確性，在路基上用石灰繪制網(wǎng)格計(jì)算控制，工藝性試驗(yàn)驗(yàn)證粉煤灰填筑最佳松鋪厚度為55cm，松鋪系數(shù)為1.396。包邊土與中間芯體粉煤灰填料邊線人工清料，防止混料。

5.2.4 含水量控制

根據(jù)粉煤灰土自身易風(fēng)吹粉化、易脫水的特性，新進(jìn)來(lái)的粉煤灰攤鋪平整后含水量在29%～36%之間時(shí)應(yīng)立即安排碾壓，防止水份蒸發(fā)。當(dāng)粉煤灰最佳含水率控制在29%～36%之間時(shí)，壓實(shí)系數(shù)及地基系數(shù)K30值根據(jù)合適的碾壓遍數(shù)可滿足驗(yàn)標(biāo)要求。當(dāng)含水率≥37%時(shí)，則容易液化翻漿，應(yīng)當(dāng)采用旋耕犁進(jìn)行翻曬降水；當(dāng)含水率≤28%時(shí)，粉煤灰呈松散狀態(tài)，無(wú)法壓實(shí)，采用灑水車進(jìn)行噴灑后悶料12小時(shí)，含水率達(dá)到要求后，才能進(jìn)入碾壓工序。

5.2.5 碾壓

采用25t重型振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，本著先輕后重的原則，碾壓工藝為：靜壓1遍+弱振2遍+強(qiáng)振4遍+收光1遍，共計(jì)碾壓8遍。壓實(shí)順序按照先兩側(cè)包邊土，后中間粉煤灰進(jìn)行碾壓。

5.2.6 壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)于基床以下路堤中間芯體粉煤灰土填料，壓實(shí)質(zhì)量采用壓實(shí)系數(shù)和地基系數(shù)K30進(jìn)行控制；對(duì)于包邊粉土填料，壓實(shí)質(zhì)量采用壓實(shí)系數(shù)和地基系數(shù)K30控制；包邊AB組填料，壓實(shí)質(zhì)量采用孔隙率和地基系數(shù)K30控制。粉煤灰土壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意清除表層約10cm松散土層后整平方可進(jìn)行檢測(cè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

嚴(yán)寒地區(qū)鐵路液化地基上采用粉煤灰填筑基床以下路堤，第一，解決了火渤鐵路盤(pán)錦地段填料不足的問(wèn)題，減少了取土、節(jié)省了土地資源，用于路基填料易于壓實(shí)，有利于路基施工質(zhì)量控制；第二，合理利用工業(yè)廢料粉煤灰，根據(jù)粉煤灰物理化學(xué)及土力學(xué)特性，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次工藝性試驗(yàn)驗(yàn)證，采取基床以下路堤兩側(cè)包邊、上下封底蓋頂?shù)氖┕し椒笆┕すに?，能滿足驗(yàn)標(biāo)及規(guī)范要求，并確定了施工工藝參數(shù)；第三，粉煤灰填筑過(guò)程及路基成型后，對(duì)路基沉降進(jìn)行長(zhǎng)期及跨年度跟蹤觀測(cè)，沉降數(shù)據(jù)分析后結(jié)論滿足要求；第四，火渤鐵路粉煤灰冬季施工60萬(wàn)方，占填筑總方量的30%，比較常規(guī)填料冬季備土及后期翻曬碾壓施工，有效縮短工期3個(gè)月，減少機(jī)械臺(tái)班74萬(wàn)元，經(jīng)開(kāi)春凍融后復(fù)檢，路基質(zhì)量完全滿足路基工程質(zhì)量要求，有效保證階段工期的實(shí)行?；鸩宠F路采用粉煤灰填筑路基，拓寬了鐵路路基填料種類，利用工業(yè)廢料有很好的指導(dǎo)推廣作用，同時(shí)為嚴(yán)寒地區(qū)或寒冷季節(jié)利用粉煤灰填筑鐵路路基提供了很好的參考依據(jù)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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