阿和沙漠公路風積沙路基施工工藝研究

鄭育新

(新疆建設職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

阿拉爾至和田公路起點位于阿拉爾市～圖木舒克公路K6+500 處(阿拉爾12 團3 連)，終點位于和田市，全線位于塔里木盆地中三條綠色走廊之一的和田河東岸綠色走廊帶邊緣。路線有稀疏的新月形沙丘、沙壟帶，一般高為1 ～3 m;有密集的新月形沙丘鏈群與格狀沙丘交替分布，丘高5 ～10 m，路段內(nèi)有間斷分布的風蝕洼地，地勢起伏較大，丘高5 ～40 m 不等。地形由南向北逐漸降低，平均縱坡只有1.1%。地層結構為第四紀沖積、洪泛沉積及風成沙復蓋，而第四紀露于地表的主要是全新的松散層，以細沙、粉沙，粉質(zhì)沙及沙質(zhì)沉積物組成，風成沙是區(qū)域內(nèi)的主要組成物質(zhì)，其厚度一般不超過20 m。

公路的線路設計等級為二級公路，路基寬度10 m，雙向車道，路面寬度8.5 m。由于沙漠缺水，天然砂粒運距太遠，如果采用傳統(tǒng)的筑路方法，勢必成本太高。本著節(jié)約成本，就地取材的理念，公路采用風積砂干壓實的方法，路基封頂后，鋪設一層土工布，上面再鋪設18 cm 天然沙礫，然后攤鋪3 cm 的瀝青面層(如圖1)，達到“強基薄面”的施工效果。土工布的主要作用有兩點:一是固沙強基，即提高沙基整體強度和抗剪強度，包括垂直抗剪與水平抗剪兩種，以使沙基在行車作用下，能穩(wěn)定工作;二是增強沙基及沙漠軟土路基的排水性。

本工程在和田和阿拉爾綠洲的邊緣分布了大量的軟土路基，因為土工布的采用，從而加速了軟弱基礎的固結速度，確保了路基的正常工作狀態(tài)。

圖1 路面結構圖

1 土工布特性

1.1 土工布的性質(zhì)

土工布是展鋪在沙基和沙礫基層之間的結構薄層，本工程采用的是聚丙烯編織布，每幅寬度2 m，長度200 m。其具有耐腐、耐酸、耐水、強度高、延伸率小的特點，為了能確保路基的正常工作狀態(tài)，工程應用時合理選型就顯得十分重要?，F(xiàn)將所選用的土工合成材料的主要物理力學性質(zhì)(見表1)以及使用性能做簡要敘述，以供路基設計時參考。

表征物理性質(zhì)的主要指標有單位面積質(zhì)量、厚度、開孔尺寸及均勻性。單位面積質(zhì)量通常是指土工織物每1 m2的質(zhì)量，通常每1 m2的質(zhì)量在0.1 ～1.0 kg。

力學性質(zhì)的主要指標有抗拉強度、斷裂時延伸率、撕裂強度、穿透強度、握持抗拉強度、頂破強度、疲勞強度、徐變性、聚合物與土體間摩擦系數(shù)等。

土工織物的水理性質(zhì)主要用土工織物垂直向和水平向透水性來表征(即導水性)。

土工織物的耐久性即抗老化、抗化學侵蝕性、抗生物侵蝕性、抗磨性、抗溫度、凍融及干濕變化性?？估匣侵父叻肿硬牧霞庸?、貯存和使用過程中，由于受內(nèi)外因素影響，使其各種性能逐漸蛻化的現(xiàn)象。老化是一種不可逆的化學變化。主要表現(xiàn)在:①外觀變化，發(fā)粘、變硬、變脆等;②物理化學特征的變化，如比重、熔點、耐寒性和耐熱性等;③力學性能即抗拉強度、剪切強度、伸長率以及彈性等減小或喪失。

表1 土工布物理力學性能匯總表

1.2 土工布的作用

風積沙顆粒組成很細且顆粒單一均勻，粉粘粒含量很少，滲透系數(shù)較大，比表面積很大，粘聚力很少，松散性很強，保水性較差，水穩(wěn)性很好，易溶鹽含量很小，呈微堿性，本身無腐蝕性，壓縮變形小，完成時間短，壓縮量與荷載呈指數(shù)關系，回彈模量值較大。

在砂礫石料與風積沙路基頂部之間覆蓋一層土工布后，因隨沙基變形土工布受到拉伸而承擔剪應力。一方面土工布吸收部分剪應力，降低了傳到沙基表面的剪應力;另一方面土工布通過與沙基摩擦并對沙基的剪切滑動進行限制，因而進一步提高了沙基的抗剪強度。

在車輛荷載的作用下，根據(jù)彈性半空間體理論，沙基表面的豎向變形為:

式中:w1、w2分別為垂直荷載、水平荷載作用下沙基表面的彎沉;E 為沙基的回彈模量;μ 為泊松比;p 為垂直均勻荷載集度;q 水平均勻荷載集度;δ 為當量圓半徑。

土工布的拉伸變形因沙基表面的彎沉引起，并進一步參與承載。土工布承載方式有兩種，一種是限制沙基的剪切滑動，另一種是吸收剪切應力。

由土工布的變形及靜力平衡條件關系(F=Eu)得:

式中:u、E 分別為土工布的拉伸變形和變形模量。

可用圖2 表示土工布限制沙基剪切滑動的機理。

圖2 土工布限制沙基滑動

T 為土工布因拉伸所受到的力，假定土工布對沙基的約束力P 為常數(shù)。那么根據(jù)平衡條件，約束力P 和拉伸力T 分別為:

式(5)表明土工布限制沙基剪切滑動的能力與沙基滑動面和其拉伸模量所形成的夾角有關。

因沙基中的風積沙抗剪能力差，無粘性，若在沙基上直接行車，沙基表面就會因作用在沙基上的剪應力剪切破壞而松散。覆蓋一層土工布后，因隨沙基變形土工布而受到拉伸，承擔剪應力，大小按式(3)計算。土工布一方面通過與沙基摩擦并限制沙基的剪切滑動，進而提高了沙基的抗剪強度;另一方面吸收部分剪應力，傳到沙基表面的剪應力因而降低。

砂礫層上鋪一層土工布后再行車，因為砂礫基層吸收一部分軸載引起的剪應力，所以傳到土工布表面和沙基的變形量和剪應力相對變小，減弱了土工布的結構承載作用，但土工布仍繼續(xù)起著分隔砂礫與沙基的作用，防止翻沙現(xiàn)象。

2 風積沙路基風積沙干壓實施工工藝

工程先期進行試驗段修筑，試驗段工程分為兩段，即一個挖方段、一個填方段，其中第一填方段一半為經(jīng)過挖掘機分層碾壓的路段、另一半為未充分分層碾壓的路段。通過試驗段總結:填方段每層先利用挖掘機或推土機碾壓2 ～3 遍，后直接利用壓路機快速靜壓1 ～2 遍，之后采用振動碾壓2 ～3 遍，最后采用靜壓收光1 ～2 遍，這樣就解決了壓路機能在干沙上行走作業(yè)的問題，挖掘機和壓路機在干沙上行走作業(yè)情況見圖3 和圖4。

2.1 干壓風積沙施工工藝

干壓實工藝流程見圖5。

2.2 干壓風積沙壓實效果

圖3 挖掘機初壓現(xiàn)場

圖4 振動壓路機干壓現(xiàn)場

圖5 風積沙干壓實工藝流程圖

風積沙層試驗段碾壓完畢，并進行含水量、壓實度檢測(見表2)后，由于干壓風積沙無法進行野外回彈模量試驗，表面灑水壓實后層頂部進行回彈模量試驗，試驗結果見表3。

表2 風積沙試驗段含水量、壓實度檢測結果 %

表3 風積沙試驗段回彈模量試驗結果

通過表2 和表3 可知:

1)未經(jīng)過充分壓實的路段(填方二段)，其回彈模量和壓實度小于分層壓實的路段(填方一段)和挖方段，所以必需對風積沙路基進行充分碾壓，以保證風積沙路基的強度。

2)利用常規(guī)壓實施工機械，壓實深度很難達到1.8 m。因此，當風積沙路基填筑厚度較大，應分層填筑并分層碾壓，每層壓實厚度不得大于50 cm。試驗數(shù)據(jù)表明:靜壓1 遍強振2 遍的有效壓實深度不大于50 cm，且風積沙的天然含水量在1.80%～3.52%，滿足不了風積沙干壓最佳含水量0 ～0.5%的要求，壓實度只能達到95%。

3)經(jīng)過充分壓實的填方一段其強度遠大于填方二段，因此在風積沙路基填筑壓實中要嚴格分層碾壓，保證風積沙路基強度，使風積沙的力學性能充分發(fā)揮。

4)不論是填方段還是挖方段，風積沙在干燥狀態(tài)下的回彈模量值比灑水碾壓層表面的回彈模量值均大，所以在利用風積沙填筑路基時，要充分發(fā)揮風積沙的強度，風積沙層頂部就不能灑水碾壓，以防止出現(xiàn)回彈模量倒置現(xiàn)象。

總之，采用風積沙干壓法在干旱缺水地區(qū)是可行的。

3 風積沙路基+土工布+沙礫基層施工工藝

阿和沙漠公路采用了土工布加薄層砂礫的路面結構方案，干壓實風積沙路基。即:在風積沙分層碾壓、鋪筑土工布后，先鋪筑較薄一層天然砂礫，然后用壓路機進行振動碾壓。施工工藝流程見圖6。

圖6 施工工藝流程圖

具體施工工藝如下:

1)沙基填筑。

2)鋪設土工布及填筑天然砂礫:按設計要求鋪筑土工布，并攤鋪8 ～10 cm 天然砂礫，用平地機整。

3)振動碾壓:8 ～10 cm 天然砂礫整平后，先不灑水，使之處于松散的未板結狀態(tài)，用振動壓路機采取高頻低幅碾壓1 ～2 遍。然后補足18 cm 的沙礫基層厚度，灑水，用振動壓路機碾壓3 ～5 遍，最后靜壓1 ～2 遍收光輪跡。

4 結束語

利用土工布加固風積沙是一種非常有效的工程措施，它不僅使土工布自身的工程特性得以充分發(fā)揮，而且可以有效防止上部砂礫嵌入風積沙路基，提高路基的強度和整體穩(wěn)定性。新疆風積沙分布非常廣泛，取之不盡，而沙漠地區(qū)砂礫運距非常遠，阿和沙漠公路二標砂礫最遠運距達260 km，成本很高，利用風積沙筑路，風積沙運距非常近，大大節(jié)約了路基的造價。利用本文的技術可以防治路面結構層砂石料的嵌入，從而有效地降低了筑路成本，使其在沙漠地區(qū)公路應用有了較為廣闊的條件。

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