填砂路基施工技術(shù)在高速公路工程中的應(yīng)用

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

眾所周知，中粗砂經(jīng)過(guò)充水壓實(shí)后，容易嵌擠密實(shí)，且沉降小，具有良好的穩(wěn)定性。在土源較缺乏而砂源非常豐富的地區(qū)修筑高速公路，路基本土填筑可選用中粗砂，通過(guò)在砂芯頂部和兩側(cè)用黏土進(jìn)行封層與封邊，集成黏土與中粗砂的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮就地取材的優(yōu)勢(shì)。

一、工程概況

巴基斯坦M5高速公路是中巴經(jīng)濟(jì)走廊的重要工程項(xiàng)目，起于蘇庫(kù)爾（Sukkur），途經(jīng)信德（Sindh）和旁遮普（Punjab）兩省，終于木爾坦（Multan），全長(zhǎng)392km，按照雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車時(shí)速120km/h，瀝青混凝土路面寬度為31.5m。該項(xiàng)目地處印度河沖積平原，位于印度河左岸，地質(zhì)以粉土、粉砂和黃土為主，局部存在軟土、濕陷性黃土的不良地質(zhì)。

本工程第四標(biāo)段全長(zhǎng)54km（K550～K604），路基填筑量為1194萬(wàn)m3，沿線（尤其是K590+200～K598+700）分布著大量的農(nóng)田和芒果園，土料非常有限，但距離印度河灘較近，砂源十分豐富。

二、填砂路基施工的原理

采用灌水和碾壓相結(jié)合的方式促進(jìn)填砂的壓實(shí)：由于砂料的滲透系數(shù)較大，灌水后填砂自然沉降1～2h即達(dá)到初步密實(shí)狀態(tài)，在填砂表面未出現(xiàn)液化或松散的情況下開(kāi)展碾壓作業(yè)，較大的砂粒會(huì)相互嵌擠形成骨架，多余的水分則向下排出。另外，水的滲透運(yùn)動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)小顆粒砂填充在大顆粒砂之間的間隙中，確保取得預(yù)期的壓實(shí)效果。同時(shí)，水的滲透運(yùn)動(dòng)還可以促進(jìn)先前填筑的砂進(jìn)一步密實(shí)。

三、填砂路基施工的工藝流程

圖1.填砂路基施工的工藝流程

（一）施工準(zhǔn)備

1、砂最大干密度試驗(yàn)

以往，砂最大干密度試驗(yàn)主要采取相對(duì)密度振動(dòng)擊錘法和重型擊實(shí)法，這兩種方法均為濕法壓實(shí)，水分無(wú)法排出，測(cè)得的數(shù)據(jù)離散、穩(wěn)定性差，且試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際不一致。本文對(duì)重型擊實(shí)法進(jìn)行了改進(jìn)，解決了水分無(wú)法排出的難題，能夠更真實(shí)地模擬填砂路基的實(shí)際施工條件，同時(shí)采用滲透壓實(shí)法確定最大干密度，試驗(yàn)方法如下：

（1）使用土工試驗(yàn)設(shè)備的組合，在圓筒底部均勻設(shè)置41個(gè)1mm的細(xì)孔，采用標(biāo)準(zhǔn)砂測(cè)定其體積（V）；將兩張濾紙放在圓筒底部，使用手動(dòng)擊實(shí)儀分3次將圓筒填滿，擊實(shí)時(shí)在砂層頂部放一塊鋼墊板，每層各擊實(shí)98次，水在擊實(shí)作用下滲透排出；擊實(shí)結(jié)束后，稱量砂的濕重（M）并烘干；得出擊實(shí)后的含水率（ω），并計(jì)算砂的干密度，公式為：ρd=M/V(1+0.01*ω)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)采集砂料并烘干，準(zhǔn)備從0～20%（含水率增幅為2%）共11組不同含水率的砂，通過(guò)滲透擊實(shí)法試驗(yàn)，得出干密度與含水率的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2.中粗砂干密度與含水率的曲線關(guān)系

由圖2可知，中粗砂干密度先是隨著含水率的增加而減小，當(dāng)含水率為4%時(shí)，干密度減至最?。?.7g/cm3）；當(dāng)含水率大于4%時(shí)，中粗砂干密度隨著含水率的增加而增加，當(dāng)含水率為14%時(shí)，干密度增至最大（1.92g/cm3）；當(dāng)含水率大于14%時(shí)，中粗砂干密度則保持不變。因此，采用滲透擊實(shí)法得出中粗砂的最大干密度為1.92g/cm3。

2、軟基處理

在填砂路基施工前，需要對(duì)路基范圍內(nèi)的軟基進(jìn)行處理：

（1）農(nóng)田區(qū)域：清除表層種植土。采用推土機(jī)清表，以清到硬土為準(zhǔn)，平均清表厚度為60cm。

（2）魚(yú)塘區(qū)域：先在路基坡腳外修筑圍堰，排干圍堰內(nèi)積水后，用濕地推土機(jī)將淤泥推到圍堰內(nèi)側(cè)，再使用挖掘機(jī)將淤泥裝載至自卸車運(yùn)輸，平均疏浚厚度80cm，以清到硬土為準(zhǔn)。

3、基底壓實(shí)

在完成路基基底處理之后，使用20t壓路機(jī)按照兩側(cè)向中間、從低到高的順序進(jìn)行碾壓作業(yè)，確保路基基底承載力滿足設(shè)計(jì)要求，壓實(shí)度不低于90%。

4、臨時(shí)排水設(shè)施

為確保填砂路基中超出最佳含水量的殘水被平穩(wěn)地滲透和去除，可將直徑為Φ75mm的PVC管作為排水盲溝管，埋設(shè)在砂與土的結(jié)合部位，PVC管向外傾斜3%，管口用土工布包裹。

臨時(shí)排水溝（深度0.3～0.6m，寬度0.5m）設(shè)置在路基邊坡腳下2m處，排水溝的縱向坡度與現(xiàn)場(chǎng)地形相結(jié)合，以排水溝中的水可以排放到其他水溝或水塘為宜。

（二）填砂和封邊土施工程序

砂芯兩側(cè)和頂部采用土料進(jìn)行封邊，兩側(cè)主要采用以下兩種方法進(jìn)行施工：

1、先填砂后填封邊土

首先，在路基中填筑砂芯，人工將砂芯兩側(cè)修成小臺(tái)階，然后按照自下而上分層的方法，填筑封邊黏土并包邊。

該施工方法的特點(diǎn)為：砂和黏土分開(kāi)施工，相互干擾較小，能夠形成流水作業(yè)，施工效率高，砂與土結(jié)合部位可充分碾壓密實(shí)。

2、先填封邊土后填砂

先在路基兩側(cè)填筑封邊黏土，在填筑砂芯前，按照設(shè)計(jì)圖紙每填筑50cm高包邊土后修內(nèi)側(cè)坡（呈臺(tái)階狀）；然后在中間分層填砂，壓路機(jī)緊貼土邊緣進(jìn)行碾壓。

本工程采用先填砂后填封邊土的方法，充分發(fā)揮了砂源充足條件下集中可利用大型土方設(shè)備進(jìn)行填筑的優(yōu)勢(shì)。砂芯兩側(cè)和頂部用黏土進(jìn)行封邊，其中兩側(cè)封邊土寬度為2m，頂部封邊土厚度為45cm，封邊黏土的塑性指數(shù)為5≤PI≤10，土料填筑松鋪厚度為30cm，采用小型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行攤鋪、平整、碾壓作業(yè)。

（三）填砂路基施工

1、填砂厚度

第一層填砂的厚度不宜小于80cm，其余各層控制在60cm以內(nèi)。如果填砂厚度過(guò)薄，在重型車輛荷載作用下，容易產(chǎn)生塑性剪切變形，形成車轍病害，導(dǎo)致陷車。

2、砂料運(yùn)輸

根據(jù)填筑長(zhǎng)度、寬度、松鋪厚度計(jì)算本層填筑量，再根據(jù)自卸汽車的運(yùn)輸量設(shè)定卸料、攤鋪的網(wǎng)格線。

在驗(yàn)收合格的填砂路堤表面上運(yùn)輸砂料時(shí)，一定要進(jìn)行灑水作業(yè)，確保已填筑砂層的表層含水量不低于12%。當(dāng)砂層表面出現(xiàn)車轍時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用推土機(jī)進(jìn)行整平，以保證自卸汽車將砂料運(yùn)至指定地點(diǎn)；由于河砂顆粒間內(nèi)摩擦角較小，應(yīng)避免或者減少自卸車直接在卸砂點(diǎn)調(diào)頭，以防對(duì)已經(jīng)結(jié)板成型的填砂產(chǎn)生不良影響。

3、砂料平整

采用推土機(jī)按照“中心低、兩側(cè)高，鍋底型”的原則進(jìn)行鋪料、粗略平整，然后用平地機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)平整，內(nèi)傾橫坡控制在1.5～2%。

4、灌水碾壓

待砂料整平完成后方可進(jìn)行灌水密實(shí)，利用水的滲透作用使砂料自然沉降，達(dá)到初步密實(shí)。在填砂表面無(wú)液化或松散的情況下（最佳碾壓含水率），采用壓路機(jī)由兩側(cè)向中間進(jìn)行碾壓（2遍靜壓+2遍振動(dòng)碾壓+2遍靜壓），壓路機(jī)碾壓速度控制在1.5～4km/h，輪跡重疊寬度不小于1/3輪寬。

在完成填砂路基灌水、碾壓后，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度，合格后方可進(jìn)行下一層循環(huán)施工。

（四）構(gòu)造物和溝槽回填

填砂路基范圍內(nèi)，雨水管、檢查井、管涵、過(guò)水箱涵等構(gòu)造物的回填應(yīng)分層進(jìn)行，每層砂的填筑厚度應(yīng)嚴(yán)格控制在15cm左右，兩側(cè)對(duì)稱填筑，不平衡高度在30cm以內(nèi)。每層砂填筑完成后都要灑水，采用人工配合小型強(qiáng)夯機(jī)的方法進(jìn)行壓實(shí)，溝槽回填至管頂50cm后灌水，然后利用插入式振搗棒進(jìn)行振搗密實(shí)，振搗棒垂直插入至底部，0.5～1min后傾斜拔出，間距在20～30cm左右。

橋臺(tái)回填同樣采取分層填筑、灑水、小型機(jī)械壓實(shí)的方式，每填筑2～3m后進(jìn)行灌水、振搗作業(yè)。為增加橋臺(tái)過(guò)渡段的回填剛度，使橋臺(tái)剛性向路基材料柔性線型過(guò)渡，增強(qiáng)其抗車輛水平反復(fù)剪切沖擊的能力，在橋背回填部位進(jìn)行注漿處理。注漿范圍為：臺(tái)背外側(cè)錐坡范圍內(nèi)5m，內(nèi)側(cè)為臺(tái)背全長(zhǎng)，深度為橋涵頂面至基底標(biāo)高，采用梅花型布孔，間距為1m，注漿孔擴(kuò)散半徑為0.5m。

（五）填砂路基成型后蓄水沉降

填砂路基達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，培砂壟進(jìn)行灌水，持續(xù)2個(gè)月時(shí)間，以確保填砂路基充分沉降。

四、填砂路基施工的優(yōu)點(diǎn)

1、填砂路基施工適用于砂源豐富地區(qū)的高速公路、快速路、機(jī)場(chǎng)等建設(shè)項(xiàng)目，能充分結(jié)合實(shí)際情況，就地取材。

2、填砂路基施工受雨季干擾小，適用于雨水較為豐富的地區(qū)，小雨不用停工，大雨后可快速恢復(fù)施工，施工效率極高，能有效縮短路基施工工期。

3、填砂路基施工控制方便，機(jī)械設(shè)備利用率大幅提高。利用砂的滲透特性，灌水量超過(guò)最佳含水量后靜置1～2h，在填砂表面無(wú)液化或松散的情況下碾壓均能達(dá)到密實(shí)效果，且灌水有利于增加砂的密實(shí)度，保證了路基填筑的質(zhì)量。此外，填砂路基施工與土料填筑相比，控制含水率所需的額外時(shí)間大大減少，有利于縮短施工工期。

4、填砂路基施工每層填筑虛鋪厚度可增加到60cm，每層的碾壓遍數(shù)也較填土路基有所減少，在保證施工質(zhì)量的前提下，提高了機(jī)械設(shè)備的利用率，降低了機(jī)械設(shè)備成本。

五、結(jié)語(yǔ)

巴基斯坦M5高速公路第四標(biāo)段于2016年8月4日開(kāi)工建設(shè)，2018年5月31日完成主線路基填筑施工，路基填筑施工共用了22個(gè)月左右，其中K590+200～K598+700段采用填砂路基施工方法，填砂路基施工完成后，持續(xù)灌水2個(gè)月，觀測(cè)路基本體沉降累計(jì)最大為2cm，路基本體沉降在灌水前10天收斂，后期觀測(cè)標(biāo)高無(wú)變化，完全滿足設(shè)計(jì)要求，為其他類似條件高速公路施工提供了借鑒。