《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》是安徽省交通控股集團有限公司於2015年11月20日申請的發明專利，該專利申請號為2015108059633，公布號為CN105297571A，專利公布日為2016年2月3日，發明人是李潤清、劉凱、陳髮根、於春江、康家鼎、周基群、姚春江、張衛華、徐良、趙可肖、王文剛、王亮、王凱、楊新蘇。
《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》涉及一種泥岩填方路基結構及其施工方法。泥岩發育地區填築路基時，在土基中設定匯水槽，在土基的表面鋪設有不透水層，在不透水層上填築泥岩層，在泥岩層上填築封水調平層，在下路堤上填築調平驗收層，路床填築改良土層。該發明採用“破碎機+推土機+羊足碾+分層振壓+衝擊補壓”的組合壓實方法，通過控制泥岩顆粒大小和均勻度，提升路基整體穩定性和強度，減少路基的不均勻沉降；避免了泥岩遇水軟化、泥化現象；在保證工程質量的同時，使得改良土路床滿足相關驗收標準。實踐證明，該發明在泥岩路基施工中具有較好的技術效果。
2020年7月17日，《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種泥岩填方路基結構及其施工方法
- 公布號：CN105297571A
- 公布日：2016年2月3日
- 申請號：2015108059633
- 申請日：2015年11月20日
- 申請人：安徽省交通控股集團有限公司
- 地址：安徽省合肥市蜀山區望江西路520號
- 發明人：李潤清、劉凱、陳髮根、於春江、康家鼎、周基群、姚春江、張衛華、徐良、趙可肖、王文剛、王亮、王凱、楊新蘇
- 代理機構：合肥金安專利事務所
- 代理人：金惠貞
- Int.Cl.：E01C3/04(2006.01)I、E01C3/06(2006.01)I、E02D17/20(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
泥岩是一種介於硬岩與土體之間的材料，主要礦物成分為高嶺石、伊利石、蒙脫石、絹雲母等，具有抗壓強度低、易風化、遇水易軟化、崩解、膨脹、填築密實度對含水量敏感等特點，在我國範圍內廣泛分布。泥岩親水性強，當水滲入時，細小顆粒的吸附水膜便會增厚，引起岩石體積的膨脹，這種膨脹是不均勻的，使得岩石內產生不均勻應力，導致岩石顆粒的碎裂。在公路工程建設中較為常見，是岩質較軟、水穩性較差的天然築路材料，直接利用泥岩填料填築路基，容易引起諸多工程地質問題，對公路修建極其不利，影響施工質量，增加工程造價。
泥岩填料施工所存在的主要問題包括：
- 泥岩顆粒均勻度差，超粒徑顆粒所占比例大，將其作為路基填料，不僅影響到路堤分層填築厚度，而且對壓實質量構成嚴重威脅；
- 泥岩是不同風化程度的顆粒摻雜在一起，很難區分，非填土路基亦非填石路基，也不完全等同於土石混填路基，施工方法並不能完全相互適應；
- 遇水軟化問題，在降雨後，泥岩路基大面積軟化、濕化、泥化現象明顯，不能滿足質量要求，需要將路基翻開、晾曬、回填，再重新碾壓後才能繼續填築路基結構，這一情況極大地影響了工程施工進度，增加工程造價；
- 路基的防排水問題，在地下水豐沛地區，流動的地下水會對泥岩路基填料造成沖刷，同時因地下水浸潤路基，發生毛細現象，路基承載能力降低，產生豎向沉降，容易發生因基底失穩產生的橫向滑移；
實際施工中，若直接將泥岩填築至路床底面，即填築至路堤頂面，經常會遇到路床無論採用何種改良土填築，如何增加碾壓噸位和遍數，路床壓實度都難以達到工程質量的要求。路基承受著土體自重和路面結構的重力，是公路的承重主體。路基結構直接暴露在大氣之中，經受著自然環境因素的影響，路基結構的強度、剛度及穩定性，很大程度上取決於路基的濕度變化，通過降雨、地面積水和地下水侵入，使路基產生各種不穩定狀態。堅固的路基，不僅是路面強度和穩定性的重要保證，而且能為延長路面使用壽命創造有利條件。
隨著高速公路在泥岩地區的大規模興建，使得深入了解不同特性的泥岩路用性能顯得尤為重要，對於泥岩段路基穩定技術的研究也就顯得越發緊迫。截至2015年11月，針對泥岩基本物理性質和工程特性的研究較多，但對物理性質和路用性能分級的泥岩填料處治和施工方案的研究存在明顯滯後。2015年11月以前的技術中的泥岩路基施工處理方式有三種：一是不考慮其施工工藝及強度，按一般石料填築處理；二是按一般軟土路基來處理，比如進行全部換填處理；三是按照土石混填來處理。然而這些方式都存在適用性、施工質量難以控制等問題，按填石處理易造成施工質量驗收不合格，後期出現路基路面的大規模損壞，帶來巨大的安全隱患；換填材料又增加工程造價，延長工期，破壞生態環境。
發明內容
專利目的
《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》是為避免上述2015年11月以前的技術所存在的不足之處，提供一種泥岩填方路基結構及其施工方法，其可操作性強，能很大程度地減少水對泥岩路基的破壞，控制泥岩顆粒大小和均勻度，提高泥岩路基整體質量。
技術方案
《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》包括在土基1中構築匯水槽2，在土基1的表面鋪設有不透水層3，在不透水層3上依次構築下路堤4、上路堤5、路床6以及路面結構層7；在路基兩側分別構築粘土護坡8；所述匯水槽2是在土基1中沿道路中線構築；所述不透水層3是松鋪的低液限粘土填築層，或是厚度不小於0.8毫米的防水板；所述下路堤4的結構形式是：在分三層填築的泥岩層4a上覆蓋封水調平層4b構築而成；所述上路堤5是指路面結構層以下80～150厘米範圍內的路基填方部分，所述上路堤5為二層以上的低液限粘土填築構成調平驗收層；所述路床6是指路面結構層以下80厘米範圍內的路基部分，所述路床6為二層以上的改良土填築構成；所述路面結構層7是由水泥穩定碎石基層與瀝青面層構成；所述粘土護坡8是在路基兩側構築水平寬為150～200厘米的粘土坡。最佳化的泥岩填方路基結構數據如下：所述匯水槽的埋深低於地下水位線150厘米，寬度為50～60厘米的縱向排水設施；不透水層3的低液限粘土填築層的松鋪厚度為20～35厘米，所述防水板為HDPE防水板，拉伸強度不小於17兆帕、直角撕裂強度不小於110牛/毫米；下路堤4的泥岩層4a是分三層填築，每層泥岩層4a的松鋪厚度為30～45厘米，所述封水調平層4b是覆蓋在泥岩層4a上的松鋪厚度為20～35厘米的低液限粘土填築層；上路堤5的每層低液限粘土的松鋪厚度為30～40厘米；所述路床6的每層改良土的松鋪厚度為30～45厘米；所述路面結構層7的總厚度為70～80厘米；每側粘土護坡8的坡度為1:1.5～1:1.75，中部的變坡處設定平台，平台的寬度為2米。
該發明具體操作步驟如下：
步驟1：沿道路中線在土基1中構築匯水槽2，在匯水槽2中填築碎礫石構成透水層，底部設定多孔預製混凝土管將水匯集後排出；
步驟2：在土基1的頂面進行清平碾壓，檢測壓實度不低於90%，在壓實後的土基表面鋪設不透水層3，不透水層3選用低液限粘土時，採用25t鋼輪振動壓路機振動碾壓2～3遍；不透水層3選用防水板時，防水板之間平整搭接並焊接成與土基1等寬的整體，搭接寬度為8～10厘米，兩端收口部位嵌入地面的凹槽內，封土壓緊密實；
步驟3：利用破碎機對泥岩進行在破碎，在不透水層3上分三層填築破碎的泥岩，逐層採用推土機耙壓2～3遍，剔除直徑超過25厘米的顆粒，再利用羊足碾進一步分解泥岩顆粒，再採用25t鋼輪振動壓路機，速度控制在2～3千米/小時，碾壓4～5遍，檢測壓實度不小於93%，形成泥岩層4a；
步驟4：在泥岩層4a上填築封水調平層4b，封水調平層4b採用25t鋼輪振動壓路機碾壓2～3遍，之後採用衝擊壓路機進行衝擊補壓，檢測壓實度不小於93%；
步驟5：當下路堤4為一層基本構築層的結構形式時，即已完成下路堤的施工，進入步驟6；當下路堤4為多層基本構築層的結構形式時，按設定的基本構築層的層數重複步驟3和步驟4，直至完成下路堤4的施工後進入步驟6；
步驟6：在下路堤4上分2～3層填築低液限粘土，逐層採用25t鋼輪振動壓路機振動碾壓3～4遍，檢測壓實度不小於94%，完成上路堤5的施工；
步驟7：在上路堤5上分2～3層填築改良土，逐層採用25t鋼輪振動壓路機碾壓4～5遍，檢測壓實度不小於96%，完成路床6的施工；
步驟8：按常規的施工方法完成粘土護坡8的施工。
最佳化的工藝條件如下：所述衝擊壓路機是指三邊形25KJCYZ25型雙輪衝擊壓路機，行駛路線為沿橢圓繞圈行駛，直至覆蓋整個路基，行駛速度為10～12千米/小時，衝擊碾壓5遍後改變衝壓方向，一共衝擊碾壓15～20遍。所述羊足碾的行駛速度為2～3千米/小時，每層碾壓2～3遍，控制泥岩粒徑不大於20厘米。所述改良土是在泥岩中摻入石灰，摻入石灰的量按重量百分比是改良土的6%～7%；所述改良土或是在泥岩中摻入水泥，摻入水泥的量按重量百分比是改良土的4%～5%。
改善效果
1.《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》在土基上鋪築不透水層，有效防止了地下水或毛細水對上部路基的侵害；其匯水槽的構築有效降低了土基地下水位，使得路基基底長年處於乾燥狀態；其路基兩側構築粘土護坡，最大程度地減少水對泥岩路基邊坡的破壞。
2.該發明在下路堤中採用多層鋪築基本構築層的結構形式，其多層基本構築層中交替填築泥岩層和封水調平層，實現了多道防水，更好地控制了泥岩遇水軟化和泥化的不良現象。
3.該發明分多層填築低液限粘土形成上路堤，以其作為調平驗收層，在保證工程質量的同時，解決了在泥岩路堤上直接填築改良土作為路床壓實度不能滿足要求的問題。
4.該發明施工方法中採用破碎機、推土機和羊足碾的綜合施工，對泥岩進行破碎，有效控制了泥岩顆粒大小和均勻度，提升了路基整體穩定性和強度。施工方法中通過分層填築振壓和衝擊補壓，其施工便捷，有效提高了路基的單層及整體強度和壓實度，減少路基的不均勻沉降，延長路基整體壽命。
附圖說明
圖1為《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》結構示意圖。
圖2為該發明中下路堤結構示意圖。
圖中標號：1土基，2匯水槽，3不透水層，4下路堤，4a泥岩層，4b封水調平層，5上路堤，6路床，7路面結構層，8粘土護坡。
技術領域
《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》屬於路基加固施工技術領域，特別涉及一種泥岩填方路基結構及其施工方法。
權利要求
1.《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》特徵在於：所述路基結構包括在土基（1）中構築匯水槽（2），在土基（1）的表面鋪設有不透水層（3），在不透水層（3）上依次構築下路堤（4）、上路堤（5）、路床（6）以及路面結構層（7）；在路基兩側分別構築粘土護坡（8）；所述匯水槽（2）是在土基（1）中沿道路中線構築；所述不透水層（3）是松鋪的低液限粘土填築層，或是厚度不小於0.8毫米的防水板；所述下路堤（4）的結構形式是：在分三層填築的泥岩層（4a）上覆蓋封水調平層（4b）構築而成；所述上路堤（5）是指路面結構層以下80～150厘米範圍內的路基填方部分，所述上路堤（5）為二層以上的低液限粘土填築構成調平驗收層；所述路床（6）是指路面結構層以下80厘米範圍內的路基部分，所述路床（6）為二層以上的改良土填築構成；所述路面結構層（7）是由水泥穩定碎石基層與瀝青面層構成；所述粘土護坡（8）是在路基兩側構築水平寬為150～200厘米的粘土坡。
2.根據權利要求1所述的一種泥岩填方路基結構，其特徵在於：所述匯水槽的埋深低於地下水位線150厘米，寬度為50～60厘米；不透水層（3）的低液限粘土填築層的松鋪厚度為20～35厘米，所述防水板為HDPE防水板，拉伸強度不小於17兆帕、直角撕裂強度不小於110牛/毫米；下路堤（4）的泥岩層（4a）是分三層填築，每層泥岩層（4a）的松鋪厚度為30～45厘米，所述封水調平層（4b）是覆蓋在泥岩層（4a）上的松鋪厚度為20～35厘米的低液限粘土填築層；上路堤（5）的每層低液限粘土的松鋪厚度為30～40厘米；所述路床（6）的每層改良土的松鋪厚度為30～45厘米；所述路面結構層（7）的總厚度為70～80厘米；每側粘土護坡（8）的坡度為1:1.5～1:1.75，中部的變坡處設定平台，平台的寬度為2米。
3.根據權利要求1所述的一種泥岩填方路基結構的施工方法，其特徵在於按如下步驟進行：步驟1：沿道路中線在土基（1）中構築匯水槽（2），在匯水槽（2）中填築碎礫石構成透水層，底部設定多孔預製混凝土管將水匯集後排出；步驟2：在土基（1）的頂面進行清平碾壓，檢測壓實度不低於90％，在壓實後的土基表面鋪設不透水層（3），不透水層（3）選用低液限粘土時，採用25t鋼輪振動壓路機振動碾壓2～3遍；不透水層（3）選用防水板時，防水板之間平整搭接並焊接成與土基（1）等寬的整體，搭接寬度為8～10厘米，兩端收口部位嵌入地面的凹槽內，封土壓緊密實；步驟3：利用破碎機對泥岩進行破碎，在不透水層（3）上分三層填築破碎的泥岩，逐層採用推土機耙壓2～3遍，剔除直徑超過25厘米的顆粒，再利用羊足碾進一步分解泥岩顆粒，再採用25t鋼輪振動壓路機，速度控制在2～3千米/小時，碾壓4～5遍，檢測壓實度不小於93％，形成泥岩層（4a）；步驟4：在泥岩層（4a）上填築封水調平層（4b），封水調平層（4b）採用25t鋼輪振動壓路機碾壓2～3遍，之後採用衝擊壓路機進行衝擊補壓，檢測壓實度不小於93％；步驟5：當下路堤（4）為一層基本構築層的結構形式時，即已完成下路堤的施工，進入步驟6；當下路堤（4）為多層基本構築層的結構形式時，按設定的基本構築層的層數重複步驟3和步驟4，直至完成下路堤（4）的施工後進入步驟6；步驟6：在下路堤（4）上分2～3層填築低液限粘土，逐層採用25t鋼輪振動壓路機振動碾壓3～4遍，檢測壓實度不小於94％，完成上路堤（5）的施工；步驟7：在上路堤（5）上分2～3層填築改良土，逐層採用25t鋼輪振動壓路機碾壓4～5遍，檢測壓實度不小於96％，完成路床（6）的施工；步驟8：按常規的施工方法完成粘土護坡（8）的施工。
4.根據權利要求3所述的施工方法，其特徵在於：所述衝擊壓路機是指三邊形25KJCYZ25型雙輪衝擊壓路機，行駛路線為沿橢圓繞圈行駛，直至覆蓋整個路基，行駛速度為10～12千米/小時，衝擊碾壓5遍後改變衝壓方向，一共衝擊碾壓15～20遍。
5.根據權利要求3所述的施工方法，其特徵在於：所述羊足碾的行駛速度為2～3千米/小時，每層碾壓2～3遍，控制泥岩粒徑不大於20厘米。
6.根據權利要求3所述的施工方法，其特徵在於：所述改良土是在泥岩中摻入石灰，摻入石灰的量按重量百分比是改良土的6％～7％；所述改良土或是在泥岩中摻入水泥，摻入水泥的量按重量百分比是改良土的4％～5％。
實施方式
- 實施例1
以下以安徽省北沿江高速公路的實施為例具體說明該發明。北沿江高速公路位於長江北岸江淮丘陵地形區，地質勘查表明：公路沿線分布的軟岩主要為泥岩，K12～K17段泥岩與砂岩、礫岩等岩層互動發育，K24～K31段普遍發育泥岩，高速公路地域位置年均降水量為1000～1200毫米。參見圖1，設計的泥岩填方路基結構包括在土基1中構築匯水槽2，在土基1的表面鋪設有不透水層3，在不透水層3上依次構築下路堤4、上路堤5、路床6以及路面結構層7；在路基兩側分別構築粘土護坡8；匯水槽2是在土基1中沿道路中線構築；匯水槽的埋深低於地下水位線150厘米，寬度為50厘米的縱向排水設施；不透水層3是松鋪的低液限粘土填築層，低液限粘土填築層的松鋪厚度為30厘米。參見圖2，下路堤4的結構形式是：在分三層填築的泥岩層4a上覆蓋封水調平層4b構築而成。泥岩層4a分三層填築，每層松鋪厚度為35厘米；封水調平層4b是覆蓋在泥岩層4a上的松鋪厚度為30厘米的低液限粘土填築層。上路堤5是指路面結構層以下80～150厘米範圍內的路基填方部分，所述上路堤5為二層低液限粘土填築構成調平驗收層；每層低液限粘土的松鋪厚度為35厘米。所述路床6是指路面結構層以下80厘米範圍內的路基部分，所述路床6為二層改良土填築構成；每層改良土的松鋪厚度為40厘米。所述路面結構層7是由水泥穩定碎石基層與瀝青面層構成，路面結構層7的總厚度為80厘米所述粘土護坡8是在路基兩側構築水平寬為180厘米的粘土坡，粘土護坡8的坡度為1:1.5，中部的變坡處設定平台，平台的寬度為2米。
該實施例的施工中所作的主要施工機械設備表如下：
機械名稱 | 型號及規格 | 數量 | 單位 |
|---|---|---|---|
挖掘機 | CAT320B | 5 | 台 |
破碎機 | PC200 | 5 | 台 |
推土機 | SD22 | 2 | 台 |
羊足碾 | YZT25Y | 2 | 台 |
振動壓路機 | XS202J | 4 | 台 |
衝擊壓路機 | 25KJCYZ25 | 1 | 台 |
自卸車 | 18立方米 | 6 | 輛 |
灑水車 | 8噸 | 1 | 台 |
為了保證泥岩路基的施工質量，解決路基填料大規模取土，泥岩施工超粒徑顆粒較多、非填土路基亦非填石路基、遇水軟化、路基的防排水等不利問題。對泥岩填築路基採取“破碎機+推土機+羊足碾”的工藝破碎泥岩；“分層填築振壓+衝擊補壓”的施工工藝交替填築泥岩和封水調平層；在上路堤設定調平驗收層；降雨來臨前，在泥岩表層鋪設低液限粘土以及路基基體兩側填築粘土護坡的施工方法，已通過公路建設指揮部和監理單位的審核及鑑定，路基填築質量完全能達到設計和技術規範要求。
具體的施工操作步驟如下：步驟1：沿道路中線在土基1中構築匯水槽2，在匯水槽2中填築碎礫石構成透水層，底部設定多孔預製混凝土管將水匯集後排出；步驟2：在土基1的頂面進行清平碾壓，檢測壓實度不低於90%，在壓實後的土基表面鋪設不透水層3，不透水層3選用低液限粘土時，採用25t鋼輪振動壓路機振動碾壓2～3遍；不透水層3選用防水板時，防水板之間平整搭接並焊接成與土基1等寬的整體，搭接寬度為8～10厘米，兩端收口部位嵌入地面的凹槽內，封土壓緊密實；步驟3：利用破碎機對泥岩進行在破碎，在不透水層3上分三層填築破碎的泥岩，逐層採用推土機耙壓2～3遍，剔除直徑超過25厘米的顆粒，再利用羊足碾進一步分解泥岩顆粒，再採用25t鋼輪振動壓路機，速度控制在2～3千米/小時，碾壓4～5遍，檢測壓實度不小於93%，形成泥岩層4a；步驟4：在泥岩層4a上填築封水調平層4b，封水調平層4b採用25t鋼輪振動壓路機碾壓2～3遍，之後採用衝擊壓路機進行衝擊補壓，檢測壓實度不小於93%；步驟5：當下路堤4為一層基本構築層的結構形式時，即已完成下路堤的施工，進入步驟6；當下路堤4為多層基本構築層的結構形式時，按設定的基本構築層的層數重複步驟3和步驟4，直至完成下路堤4的施工後進入步驟6；步驟6：在下路堤4上分2～3層填築低液限粘土，逐層採用25t鋼輪振動壓路機振動碾壓3～4遍，檢測壓實度不小於94%，完成上路堤5的施工；步驟7：在上路堤5上分2～3層填築改良土，逐層採用25t鋼輪振動壓路機碾壓4～5遍，檢測壓實度不小於96%，完成路床6的施工；步驟8：最後，按常規的施工方法完成粘土護坡8的施工。
對傳統施工方案和該發明兩種方案開展現場壓實度檢測，參考《公路路基施工技術規範》（JTGF10-2006）土質路堤壓實度標準，發現傳統施工方案下路床、上路床壓實度均達不到96%，提高振動碾壓遍數到8次以上，壓實度仍然不合格，平均只有92%左右。該發明中，下路床壓實度≥96%，上路床壓實度≥98%，衝擊碾壓15遍後，泥岩路基回彈模量平均值增加了13.2兆帕，壓實度平均增長了1.2%。此施工方法克服了遠距調運借方土的困難，採用機械化施工工藝和關鍵技術，加快了施工進度，節約工期90餘天；直接利用泥岩總工程量82萬方，節約工程造價3250萬元。將泥岩變廢為寶，減小環境污染，達到綠色化和文明化施工並舉的效果。
- 實施例2
該實施例的不透水層3是厚度不小於0.8毫米的防水板，防水板為HDPE防水板，拉伸強度不小於17兆帕、直角撕裂強度不小於110牛/毫米。其它結構同實施例1。施工操作方法同實施例1。
榮譽表彰
2020年7月17日，《一種泥岩填方路基結構及其施工方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
