干拌水泥碎石桩处治红层泥岩路基施工工法

目录TOC\o"1-3"\h\u163631前言 1304242工法特点 249153适用范围 3294244工艺原理 332595施工工艺流程及操作要点 3199706材料及设备 15289677质量控制 16230408安全措施 19212609环保措施 20353410效益分析 202707711应用实例 23干拌水泥碎石桩处治红层泥岩路基施工工法1前言随着经济的发展，公路路基沉降病害逐步显现，路基沉降作为路基病害的主要部分，对其形成机理进行分析、对沉降过程进行预测将是防止路基沉降病害出现的关键环节。路基沉陷病害的出现、发育在影响道路通行安全的同时严重制约路面的使用寿命，造成路基、路面病害发展的导火索与突破口。甘肃红层地区自然地质灾害类型多，对公路工程危害严重。各地区灾害类型差异明显，陇东地区以滑坡为主，陇中、天水地区以滑坡与泥流为主，陇南地区以崩塌与滑坡为主，河西地区以崩塌为主，兰州地区以泥石流为主。新近系红层地区滑坡尤为突出，以静宁盆地、张家川盆地与临夏盆地为代表的黄土高原黄土梁峁区滑坡具有密度大、易滑动特点；以渭河流域（渭源盆地）与洮河流域（临洮盆地）为代表的黄土高原山地区滑坡具有形态多样、规模巨大的特征；以徽成盆地为代表的红层第三低山丘陵与中低山区滑坡具有隐蔽性。研究红层泥岩地区路基沉降机理、观测不同路基维修加固方案在该地区的使用效果对我省公路、铁路建设具有重要的经济及社会效益，也是非常有必要的。针对上述问题，公司联合相关科研单位，依托G6京藏高速公路兰海段维修工程，K1611+636-SK1625+000段于2001年开工建设，当时为解决土方的填筑材料，解决办法为路基边缘两侧填筑一米宽的黄土包边，里面填筑红色泥岩，其具有透水性差，遇水软化的特点，在积水与排水不畅的情况下，下伏层含水量偏大或饱与，呈现塑状，导致地基承载力不足，是造成兰海高速公路沉陷的主要原因。因此分析红层泥岩的物理特性，红层泥岩在循环荷载作用下的应力-应变关系，结合室内试验分析水、温度及可溶盐对其工程特性的影响，建立有限元模型，计算红层泥岩路基的沉降变形量，分析其变形规律与沉降机理，为红层泥岩路基设计提供参考依据；在此基础上，通过有限元模型计算利用干拌水泥碎石桩加固红层泥岩路基的最佳桩径与桩间距，将研究成果应用于工程实体进行验证。并就该技术进行总结，形成课题，该课题2017年11月荣获甘肃省第十届职工优秀技术创新成果二等奖。应用该项技术显著提高了施工质量，可有效延长路基使用寿命，经总结提炼，形成本工法。2工法特点2.1非开挖干拌水泥碎石桩（CGMT桩）是一项新的公路路基非开挖快速加固技术,在需要加固的路段，按照设计图纸的桩号，排距及桩距进行桩位测放后，采用钻孔机路面上按照设计桩径进行干钻成孔，再将一定数量按照设计配合比拌制的干拌水泥碎石填料分层回填入孔内，从而形成干拌水泥碎石桩，达到非开挖的目的。2.2对交通干扰小由于干拌水泥碎石桩施工所采用的机械设备属于常规设备、体积小、机动性强、施工工艺也简单易行，且施工时占用场地小、速度快、可以实现边通车，边施工，因此对道路的交通干扰小。2.3减少对环境的污染干拌水泥碎石桩处理技术由于施工简便，在施工过程中相比传统的换填处理方案所产生的废料较少，对环境的保护有较好的作用，符合现代交通绿色施工的主旨。2.4加固效果好干拌水泥碎石桩成孔后，在桩孔内分层投料，分层夯实及夯扩挤密，使桩体材料侧向挤压地基土，甚至挤入地基土中。这在一定程度上改善了桩间土的物理、力学性质。当加固深度范围内不同深度地层的软硬有变化时，可使同一根桩不同深度具有不同的桩径。由于该工法侧向冲击挤压力较大，可使土层中的软弱地段产生较大的水平向挤密，从而达到桩身在竖向上呈不等径串珠状，使得桩体与桩间土镶嵌挤密在一起，除更能充分发挥与利用桩间土的承载力外，桩及桩间土的相互作用效果更好，可以有效提高整体强度。一方面干拌水泥碎石桩由于在夯扩过程中使桩周土得到挤密与改善，提高了原路基土的承载力；另一方面桩长的发挥桩侧摩阻力桩身与桩周土在一定路基深度范围内形成复合地基，并可以全从而大大提高了路基的承载能力，得到了良好的加固效果。2.5施工速度快干拌水泥碎石桩施工工艺包括开孔、取土、回填、封口等几个工序，可采用同一台机器一次性完成，对病害点可进行同步处理。循环周期短，施工速度快。3适用范围适应于出现路基沉降、混凝土侵蚀、路堑滑塌、路基翻浆冒泥等严重病害的红层泥岩地区的公路路基维修加固施工。4工艺原理干拌水泥碎石桩（CGMT桩）技术是在碎石桩、CFG桩的基础上发展起来的一项新的公路路基非开挖快速加固技术。干拌水泥碎石桩加固路基路面整体结构，在需要加固的路段，按照施工段落，排距及桩距进行桩位测放后，采用钻孔机在路面上按照计算桩径进行干钻成孔，再将一定数量按照试验获得的配合比拌制的干拌水泥碎石填料分层回填入孔内，而后用重锤将回填料进行夯扩使之致密，依此类推直至距原路面结构层厚度的底部，原路面顶采用20cm沥青混凝土AC-20封闭孔口。及原路基土相比，承载力显著提高，使土的结构强度得以恢复与提高，提高了复合地基的承载力。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺施工工艺流程见图5.1。观测结果现场数据采集方案观测结果现场数据采集方案试验数据采集旋挖机就位施工放样现场复核桩位测放路面结构层开孔长螺旋钻孔、成孔成孔检测回填料拌与原材料检测配合比设计干拌料夯填沉降观测桩头修补质量检测图5.1施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工放样及钻孔布点（1）现场复核：施工前应对施工设计进行现场复核，包括病害的位置、尺寸、工程量。根据病害分布情况及路基变形严重程度，处理范围纵向宜向两端延伸5-10m，横向按整车道宽度处理。（2）桩位测放：在需要加固的路段，严格按照设计的桩号、排距及桩距进行桩位测放，钻孔间距按设计长度的等边三角形布置，钻孔直径采用40CM，成桩直径55CM，钻孔间间距按中心距1.5m等边三角形布设，在路面上用红油漆标注钻孔位置，并在长度方向按排数进行编号，按编号对成桩进行测量桩长等数据，可以做到不混淆，不漏桩，一目了然的效果。根据设计图纸的桩号，要根据现场实际沉陷位置进行调查，及实际桩号不符时可予以调整，尤其在桥涵两侧，施工段落确定一定要谨慎，防止钻孔离桥涵墙身太近，在夯锤击打作业时，对墙身施加外力引起横向位移，损坏桥涵的结构。图5.2.1.1桩位测放图5.2.1.2桩位布点5.2.2旋挖机就位钻机就位在确定所要打的桩位准确后移动钻机就位，调整钻机，使钻头及桩位中心对齐。图5.2.2.1旋挖机就位5.2.3路面结构层开孔在原路面顶面开始钻孔，旋挖钻机钻孔孔径按照设计孔径确定，开孔深度按照施工路段的路面结构层厚度确定。图5.2.3.1开孔图5.2.3.1间隔错位开孔5.2.4长螺旋钻孔及成孔（1）成孔孔径及深度确定：成孔根据钻孔设备确定钻孔孔径，成孔深度不小于设计桩长，桩端深入原地面以下深度H需根据地质情况确定，桩长扣除路面结构层与路床厚度。钻孔作业分旋挖钻开孔、螺旋钻机钻孔，旋挖钻开孔即挖除路面结构层坚硬部分，接着由螺旋钻机钻孔成孔；旋挖钻开孔钻头直径为55㎝，穿透路面结构层一般为70-90厘米之间，螺旋钻机就位后，要考虑工序与半成品保护，一般采用到倒退法施工，钻机就位后进行钻孔，做好原始记录，由于进度较快，随时检查钻杆垂直度与孔位偏差，对出渣土质跟踪检查，及设计地质资料对比，无差异钻至设计深度，若有变化随时通知相关人员至现场商量对策，并在钻孔原始记录中详细记录，（2）成孔垂直度应控制在1.5%以内，桩端深度一般不小于原地面以下6m，进入中风化泥岩不小于2m。图5.2.4.1长螺旋钻孔5.2.4.2螺旋钻机钻出的红层泥岩5.2.5成孔检测成孔质量检测的项目，检测方法及允许偏差见表5.2.5.1：成孔质量检测表表5.2.5.1检测项目检测方法允许误差桩孔平面位置用钢尺量中心偏差不小于桩距设计的5%桩孔直径用钢尺量成孔直径不小于设计直径桩孔垂直度用经纬仪测桩管5%桩孔深度测桩管长度或垂球测孔钻深成孔深度不小于设计深度备注：成孔完成经自检合格后，盖好孔口，以免雨水流入或渣土掉入。图5.2.6.1成孔检测图5.2.6.2成孔防护5.2.6配合比设计（1）原材料检测：按相关规范与设计文件要求进行原材料试验检测，确保进场原材料质量符合规范及设计要求。（2）合成级配选择：取具有代表性的试样进行室内配合比设计，合成级配范围参考表5.2.6.1的规定。建议合成级配宜选用级配范围的中值。CGMT用级配碎石的级配范围（密级配）表5.2.6.1筛孔尺（mm）通过下列方孔筛的质量百分数（%）31.526.519.09.54.752.360.60.075级配范围10085-10060-8535-5825-3815-280-50-55.2.7回填材料拌与（1）拌合机标定：正式开工前应对拌与设备进行调试与标定，确定生产参数。（2）拌与：混合料采用不小于小时产量300吨的稳定土拌与站进行生产。拌缸长度不小于3m；进料斗应不少于4个，其中2个料斗内底端应配有小螺旋布料器，料斗间加设高度不小于1m的隔板以防窜料；配置不少于1个容量80t水泥罐，罐仓内应配有防水泥起拱停流的装置；料斗、罐仓应装配称量精度达到±0.5%的电子动态计量器。拌与实际产量应不超过额定产量的50%，拌与设备应配有电子称重计量拌与操作系统，能实时监测各个料仓（罐仓）的计量与生产量。图5.2.7.1稳定土拌合站图5.2.7.2计量拌与操作系统5.2.8干拌料夯填干拌料回填：拌与到现场的回填料应随拌随用，应在2h内用于回填，否则应废弃。桩身夯填前，先打夯底10遍，然后用特制高250cm，直径为钻孔直径的量具量料（或者按照级配计算所得的回填料数量）进行回填。夯击：根据设计取得的单体夯击能，夯击次数不少于设计的夯击次数以上致其密实，依此类推直至距原路面结构层厚度的顶部。一般夯击采用3000kg重锤击实，锤距为5m，每虚填25cm击实7次，桩体压实系数≮97%，桩间土平均挤密系数≮0.93。夯距的测量：为了更直观的确定锤击的距离满足设计要求的5m以上，在回填夯击施工时在提锤的钢丝绳上绑缚了或者涂抹了一根红色标记，用于测量夯距。以前后两次沉降量不超过5mm为最佳夯击次数。图5.2.8.1回填夯击落锤（5米标记线）图5.2.8.2回填夯击提升（5米标记线）5.2.9桩头修补（1）干拌水泥碎石桩施工完毕后，由于干拌水泥碎石桩桩体间水泥要及桩间土体水进行水凝性固结而形成强度，需要一定时间的桩体成型期，通车前，为防止水泥结块在行车的碾压下破碎，车轮挤压碎石颗粒飞溅对行车造成伤害，利用人工将桩顶的干拌水泥料挖除，深度为25㎝，路面结构层部分含水量较小，可采用人工补水加速桩体成型，待水泥凝结后，回填材料采用AC-20沥青混凝土，用双钢轮压路机振动碾压平整，待摊铺沥青温度小于50℃时开放交通。（2）桩头修补时顶面宜高于路面3-5mm。图5.2.9.1桩头修补5.2.10质量检测CGMT干拌水泥碎石桩处治质量检验标准应符合表5.2.10.1的规定。CGMT干拌水泥碎石桩处治质量检验标准表5.2.10.1项目单位要求检验频率检验方法外观--封孔均匀，无松动全检目测弯沉mm满足设计要求每处/20mFWD5.2.11沉降观测鉴于红层泥岩路基沉陷维修处治的复杂性，重点就红层泥岩的路基沉降机理、干拌水泥碎石桩对路基沉陷病害的处治方案进行系统研究，并对干拌水泥碎石桩在红层泥岩路基中的沉陷处治效果进行跟踪观测，代表路段观测方案如下。（1）现场数据采集方案现场数据采集及试验方案包括现场湿度传感器、单点沉降计及数据采集方案。安装单点沉降计10个、湿度传感器16个，数据采集系统1套。以2016年京藏高速兰海段养护维修工程XK1615+898-XK1615+988段进行布设为例。图5.2.11.1传感器测试图5.2.11.2传感器布设图5.2.11.3单点沉降计试验方案图5.2.11.4湿度传感器试验方案图5.2.11.5传感器布设平面图（2）试验数据采集通过汇集整理安装后各个传感器在不同时间段内收集的数据信息：日期3.24-4.25沉降观测结果表5.2.11.1对应监测时间的沉降量（mm）3-243-263-283-304-14-54-64-114-134-154-174-194-214-234-251#000.30.70.91.31.41.41.41.51.822.22.32.72#00.30.61.11.21.61.71.81.71.822.22.42.52.83#00.50.61.31.51.92.12.32.22.32.62.8333.34#000.30.92.12.22.32.22.22.32.42.52.62.62.86#000.51.51.51.82.1222.12.42.72.82.93.47#000.41.11.41.92.22.12.12.32.62.9333.68#00.10.20.50.70.9110.911.11.21.31.41.59#01.11.82.12.32.72.932.933.33.53.73.84.110#022.83.33.53.94.14.14.14.24.44.54.64.64.9图5.2.11.6日期3.24-4.25各传感器监测结果折线图日期5.3-5.29沉降观测结果表5.2.11.2对应监测时间的沉降量（mm）5-035-085-155-225-291#3.83.74.45.45.92#3.93.74.55.35.83#4.34.35.06.06.64#2.22.32.73.23.66#4.74.55.36.57.07#5.65.36.07.07.58#2.12.12.53.13.59#5.25.36.17.17.710#5.45.46.07.27.6图5.2.11.7日期5.3-5.29各传感器监测结果折线图（3）沉降观测结果=1\*GB3①监测路段内共设置9个单点沉降计用以观测工程施工后的路基竖向变形状况；监测路段位于K1615+898-K1616+988段，传感器沿路线走向与垂直路线两个方向布设，布设长度为90m；=2\*GB3②根据沉降观测数据可以看出施工后6-7天内所有监测点均出现1-3mm的集中沉降，之后随着时间的延长而逐渐趋于稳定；=3\*GB3③通车近70天，干拌碎石桩施工路段出现5.3-10.1mm不等的沉降量；=4\*GB3④沉降值最大的7#点的最大沉降为10.1mm；沉降值最小的8#点即为紧急停车带，最大沉降量为5.3mm；=5\*GB3⑤道路纵向方向共6个监测点，通车近90天的沉降平均值为9.1mm；横向4个监测点，平均值为7.45mm。6材料及设备6.1主要材料主要材料表表6.1.1序号材料名称型号规格用途1普通硅酸盐水泥32.5拌与回填混合料2粗、细集料拌与回填混合料6.2机具设备所需机具设备见表6.2.1。机具设备表表6.2.1序号设备名称数量用途1旋挖钻机4路面开坑2长螺旋钻机8钻孔成孔3打夯机6成孔夯填4稳定土拌与站1回填料拌与5自卸车10混合料运输6双钢轮压路机1桩头修补初压7胶轮压路机1桩头修补复压8水车4养生用水9装载机4现场清理废旧料10排污泵、清水泵4排水11起重机3安装钻机附件7质量控制7.1执行的质量标准及技术规范《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）《公路养护技术规范》（JTGH10-2009）《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）《公路沥青路面再生技术规范》（JTGF41-2008）《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）《公路养护安全作业规程》（JTGH30-2015）7.2质量控制措施7.2.1原材料（1）水泥质量技术要求见表7.2.1.1。水泥技术指标要求表7.2.1.1检测项目标准值细度≤10%凝结时间初凝＜180终凝360-600min胶砂强度抗折强度3d≥2.528d≥5.5抗压强度3d≥1028d≥32.5（2）粗集料粗集料质量技术要求应符合表7.2.1.2、7.2.1.3的要求。粗集料技术要求表7.2.1.2指标单位技术要求试验方法压碎值%≤30T0316洛杉矶磨耗%≤35T0317表观相对密度-≥2.45T0304吸水率%≤3.0T0304针片状含量（混合料）%≤20T0312水洗法小于0.075mm颗粒含量%≤1.0T0310软石含量%≤5T0320坚固性%≤12T0314注：表中试验方法按现行行业标准《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005的规定执行。粗集料规格表7.2.1.3规格名称公称粒径/mm通过下列筛孔（mm）的质量百分数（%）31.526.519.016.013.29.54.752.6S810-2510090-10050-6530-4515-300-10S910-2010090-10055-7025-400-15S1010-1510090-1000-15S125-1010090-1000-15S143-510090-1000-15（4）细集料细集料质量技术要求应符合表7.2.1.4、7.2.1.5的要求。细集料技术要求表7.2.1.4指标单位技术要求试验方法表观相对密度-≥2.45T0328坚固性（＞0.3mm部分）%≤12T0340含泥量%≤5T0333砂当量%≥60T0334亚甲蓝值g/kg≤2.5T0349棱角性（流动时间）S≥30T0345注：表中试验方法按现行行业标准《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005的规定执行。细集料规格表7.2.1.5规格名称公称粒径/mm通过下列筛孔（mm）的质量百分数（%）9.54.752.361.180.60.30.150.075S160-310080-10050-800-50-50-50-5S150-510080-9055-650-50-50-50-50-57.2.2工程质量控制标准（1）CGMT干拌水泥碎石桩施工过程中应按批检测水泥、石料、砂材料的质量，水泥、石料、砂材料的质量检验项目与频率应符合下表7.2.2.1中的规定。（2）施工过程中应对施工质量进行评定，质量检查、检测的内容、频率、允许偏差应符合下表7.2.2.2中的规定。原材料质量技术要求表7.2.2.1原材料检测项目检查频率要求值水泥凝结时间（终凝）每批料1次或更换生产厂家时满足关于材料的技术规定要求抗压强度（28d）氧化镁三氧化硫剂量随时石料级配随时含泥量每批料1次或更换生产厂家时针片状含量压碎值含水量坚固性施工中质量检查标准及允许偏差表7.2.2.2项次项目单位允许偏差检测频率1桩距mm±15抽查20%2桩长mm不小于设计值抽查20%3桩径mm不小于设计值抽查20%8安全措施8.1全面贯彻落实“安全第一，预防为主，综合治理”的方针。8.2建立健全完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全教育、安全技术交底、安全检查等，确保作业标准化、规范化。8.3每个施工段落都设有专职交通指挥员，身着浅绿色反光背心，并配备对讲机，安全指挥袖标、哨子、指挥旗，专门对该现场的人员机械进行指挥与提醒，杜绝安全隐患，保证应急通道的畅通。8.4设备的安装及拆卸要有安全防护措施，避免高空坠落，设备机具伤害事故。确保电气设备与线路绝缘良好，设备安装检查完毕后，方可作业，并配备消防设备。8.5对刚完成的钻孔桩在清理废土时，为防止钻出的土掉入孔内，用带有横向支担φ37cm的PVC管插入土堆孔内，进行遮挡，然后用人工清理废土，用装载机装到自卸汽车上，同时对已清理完废土的成孔桩周围用小扫帚清扫干净，为防止人员失足掉入孔口，引起伤害，在未回填时制作出80cm*80cm的高密板进行覆盖，要求所有机械车辆过往时要注意成孔落土，即可解决现场安全隐患与废渣落孔的现象。8.6防火、防爆、防洪、防风、防沙尘暴、防雷电等设施及措施必须符合安全规范与文明施工的要求。8.7交通运输车辆严格按照规定线路行走，在临时便道，材料上下路口与每一施工段设置明显标志与专人值班。未完成施工段落夜间在迎车辆行驶方向设置频闪警示灯。8.8按照《公路养护安全作业规程》（JTGH30-2015）布设作业区与设立安全标志标牌。9环保措施9.1严格遵守国家有关环境保护的法律、法规，执行交通运输部与甘肃省对公路建设的有关规定与要求。9.2采取有效措施保护施工现场的环境，降低由于施工引起的粉尘、有害气体、噪音等污染。禁止焚烧有毒、有害物质与排放有毒气体；主要运料便道采取洒水防尘，车辆交叉口设置安全警示标志；施工车辆运料时必须加盖蓬布，不得将材料散落在公路上；散装水泥装卸时尽量避开大风天气。9.3现场使用的机械设备，一律在固定点存放。禁止施工设备与人员进入非施工区，以减少对当地生态的破坏。遵守机械安全规程，经常保持机身及周围环境的清洁；运料车辆采取覆盖措施确保行驶途中不污染道路与环境。9.4设置足够数量的施工垃圾回收装置，垃圾及时清运到指定地点。9.5要求车辆卸料时速度一定要缓慢，并及时清理回填剩余的混合料与废土，对污染的路面及时用封闭式清扫车配合水车进行清洗，做到“勤打扫、勤洒水、常保持”的施工常态化，避免施工引起扬尘。10效益分析10.1经济效益该技术成本费用及传统路基换填施工技术相比，主要节省了以下费用：材料费：水泥费用、拌与及养生用水费用；人工费；机械费：拌与、运输、摊铺、碾压等机械使用费。以2016甘肃省人、材机价格为参数，以沉陷路基长度100m，填高7m的段落为例计算本工法及传统施工工艺经济效益对比分析：方案一：干拌水泥碎石桩处理在选定的施工对象下需要桩处理503根，平均桩长7m，合计长3521m，其产生的相关费用如下表：干拌水泥碎石桩费用明细表（元）表10.1.1工程名称单位工程量人工费材料费机械使用费其它工程费间接费税金合计干拌碎石桩m3521100943128072151160454485050352374528500碎石φ40cm10m352.1100678119739150147447315016051200516655中粒式沥青混凝土拌合1000m30.012208333728633246109611056人工摊铺1000m30.012245/110609356564混合料运输1000m30.012/上表可以看出，干拌水泥碎石桩的合计费用为52.85万元。方案二：换填处理在选定的施工对象下进行换填处理，换填深度为5m，下部3m为砂砾土处理，上部2m为天然砂砾处理，所产生的相关费用为：换填处理费用明细表（元）表10.1.2工程名称单位工程量人工费材料费机械使用费其它工程费间接费税金合计换填m3755083097688745286652766353001009932.0m3挖掘机挖桩土方1000m37.5501833132942422129820732092015t内自卸车运土1km1000m37.550301204117685384138763软基砂砾垫层1000m32.75023593425572675202831459542072424541软基砂砾垫层1000m34.800411742631746682565618674527385321706000L洒水车洒水1km1000m30.2402109288482692714从上表可以看出，换填处理的合计费用为101.91万元。通过上表可以看出，每100m路基处理路段干拌水泥碎石桩的合计费用为52.85万元，换填处理的合计费用为101.91万元。每100m处理路段节约资金49.06万元，节约成本达48.1%。由于干拌水泥碎石桩具有非开挖、对交通干扰小、环境污染小等特点，加之良好的经济性。兰州公路管理局在2016年将干拌水泥碎石桩技术应用到京藏高速兰海段的路基处理中，共通过干拌碎石桩处理路基1720m（单幅），节约了大量的养护维修资金，自2016年干拌水泥碎石桩技术初步应用到路基沉陷处治