湛徐高速公路徐聞港支線高液限土直接填筑實(shí)驗(yàn)研究

陳 力，黃蕾鳴

（1、廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州510507；2、廣東省高速公路有限公司 廣州510100）

0 引言

近年來(lái)，廣東高速公路建設(shè)迅猛發(fā)展，建設(shè)區(qū)域逐步從經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的珠三角地區(qū)推向經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)粵東粵西地區(qū)。湛徐高速公路徐聞港支線位于廣東省西南部雷州半島南部，路線長(zhǎng)16.219 km，全線以臺(tái)地為主，間夾沖積平原或臺(tái)間洼地，偶有低山丘陵，地形較平緩，起伏不大。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫度22～23℃，蒸發(fā)量和降水時(shí)空分布極不均勻，如2015 年就發(fā)生過(guò)嚴(yán)重干旱。雷州半島及海南島北部廣泛分布有玄武巖，以及經(jīng)風(fēng)化分解形成的殘積紅土［1］。湛江和茂名一帶的西南部地區(qū)（Ⅱ區(qū)）是廣東地區(qū)高液限土分布的 4 個(gè)代表性區(qū)域［2］，在廣東省陽(yáng)茂、茂湛、二廣、廣梧等高速公路中均分布有高液限土。

1 問(wèn)題的提出

本項(xiàng)目所在地區(qū)路基填土土源稀缺，為了最大限度地減少對(duì)已有植被的大開(kāi)挖，節(jié)約土地資源，使公路更好融于周邊自然環(huán)境，采用了沿海低路堤綠色公路方案，盡量壓低了路線縱斷面高程，例如高速路線下穿省道S376、粵海鐵路等。

另外，本項(xiàng)目附近的土源大部分是高液限土（見(jiàn)圖1），即使采用了低路堤方案，路基借土方量依然較大，如廢棄高液限土很難尋找棄土場(chǎng)，且棄土?xí)?lái)二次污染；二是短距離內(nèi)也找不到更好的土源。為了項(xiàng)目的順利推進(jìn)，需對(duì)高液限土進(jìn)行處治，其常見(jiàn)方法主要有：換填法、摻灰改良法、封閉包蓋法、土工織物加筋法、夾層法等。其中摻灰改良是目前應(yīng)用和研究最多的方法，通過(guò)摻入一定比例的砂、水泥、康耐等材料改變土的特性，來(lái)增強(qiáng)路基土的壓實(shí)性和強(qiáng)度［3］。但這些方法都有一些不足之處：一是施工工藝較復(fù)雜，改良養(yǎng)護(hù)施工進(jìn)度較慢；二是通常采用路拌，拌和不均勻，灰與土的配比難統(tǒng)一，施工質(zhì)量難保證；三是摻入集料成本高，工程投資規(guī)模較大［4］。如何利用好這些高液限土，以符合資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保的綠色公路設(shè)計(jì)理念是一大難點(diǎn)。

本文結(jié)合雷州半島特有的沿海熱帶季風(fēng)氣候，在分析項(xiàng)目高液限土工程特性的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)采取科學(xué)的工程措施和施工工藝，試驗(yàn)研究直接利用高液限土填筑路基（即不進(jìn)行改良）的方法，達(dá)到既大量利用高液限土又縮短施工工期，同時(shí)保證工程質(zhì)量和控制投資規(guī)模的目的。

圖1 徐聞港支線高液限土（夾孤石）Fig.1 High Liquid Limit Soil of Xuwengang Branch Expressway（Mixed with Boulder）

2 高液限土直接填筑技術(shù)

2.1 直接填筑技術(shù)

高液限土直接填筑技術(shù)（即不改良）在國(guó)內(nèi)部分高速有相關(guān)實(shí)驗(yàn)性研究成果。劉銀生［5］研究了適合于直接填筑的土質(zhì)分類(lèi)，提出了適合于直接填筑的高液限粘土土質(zhì)分類(lèi)的具體指標(biāo)，并對(duì)這些分類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行了定量化分析。二廣高速試驗(yàn)利用18 t 壓路機(jī)通過(guò)不同碾壓參數(shù)組合，直接利用高液限土進(jìn)行93 區(qū)路基填筑，使填土達(dá)到 93%的壓實(shí)度［3］。武明［6］通過(guò)對(duì)綜合法、層鋪法、拌和法及傳統(tǒng)法路基填筑施工工藝進(jìn)行研究，確認(rèn)4 種高液限土直接填筑方法均是可行的。程濤等人［7］對(duì)云羅高速高液限土采取包蓋法處理及降低壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)至88%后的直接填筑方案。盧佩霞等人［8］對(duì)高液限土路堤直接填筑質(zhì)量控制參數(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為高液限粘土和含砂高液限粘土可用于路堤直接填筑。文獻(xiàn)［2］提出高液限土CBR 值大于或等于3%、細(xì)顆粒含量介于50%～90%之間、液限介于50%～70%，可考慮作為路堤93 區(qū)以下（包括93 區(qū)）的填料直接填筑。李躍中等人［9］以貴州某高速公路為例，提出高液限土以84%作為該條高速公路高液限土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

目前對(duì)高液限土直接填筑處理的主要工法是“包芯法”、“包邊法”或“包蓋法”［4］，即采用排水墊層+非高液限土包邊+封頂層隔水保護(hù)，使包裹在內(nèi)芯里的高液限土不受水浸破壞。該方案在廣東省茂湛高速公路、揭博高速、渝湛高速公路等多條高速公路上得到了良好的應(yīng)用。徐一鳴等人［10］對(duì)包蓋法直接填筑方案如何選擇高液限土路堤封層、包邊以及加筋參數(shù)進(jìn)行了施工總結(jié)。

但“包芯法”或“包邊法”的最大問(wèn)題是路堤兩側(cè)非高液限土包邊很難與高液限土同步施工壓實(shí)，且底部、頂部、路堤兩側(cè)均需非高液限土包邊，施工程序繁瑣，影響施工質(zhì)量和進(jìn)度。

2.2 徐聞港支線高液限土特性

根據(jù)勘測(cè)結(jié)果，湛徐高速公路徐聞港支線工程大部分挖方段均分布有高液限土，極少部分高液限土細(xì)顆粒含量大于90%，不能作為路堤填料直接填筑，考慮作為綠化種植土。同時(shí)，分析了3 個(gè)取土場(chǎng)土樣，細(xì)顆粒含量均介于50%～90%之間，液限介于50%～60%，最大特點(diǎn)是CBR 值較大（均大于10%），如表1所示，按文獻(xiàn)［2］的要求，取土場(chǎng)高液限土可試驗(yàn)作為路堤93 區(qū)以下（包括93 區(qū)）的填料直接填筑。

3 “三明治法”工法

3.1 直接填筑方案比選

本項(xiàng)目路基填方路堤高度2～6 m，最大填土高度不超過(guò)8 m，屬于典型的低路堤公路。為了設(shè)計(jì)出合理的高液限土填筑方案，以4 m 高的填土路堤為例，進(jìn)行填方路段高液限土處治的方案比選（見(jiàn)圖2）。

徐聞港支線路基標(biāo)準(zhǔn)寬度28m（雙向四車(chē)道），針對(duì)本項(xiàng)目土方短缺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用低路堤以節(jié)省土方，利用完本項(xiàng)目挖方的91.4 萬(wàn)m3土（含約50 萬(wàn)m3高液限土），仍需從取土場(chǎng)外借15 萬(wàn)余m3高液限土。

表1 取土場(chǎng)土工實(shí)驗(yàn)報(bào)告Tab.1 Geotechnical Test Report of the Borrow Pit

圖2 高液限土處治方案比選Fig.2 Treatment Method Comparison

以10 km 長(zhǎng)，平均4 m 高的路堤為例，對(duì)比填土工程數(shù)量如表2 可得出：若采用傳統(tǒng)的“包蓋法”直接填筑高液限土，則需要70.52 萬(wàn)m3非高液限土包蓋，而3 個(gè)取土場(chǎng)均是高液限土，無(wú)法找到非高液限土源，且低路堤公路路堤中間會(huì)出現(xiàn)夾10～30 cm 左右高的液限土薄層，不利于施工，基于本項(xiàng)目低路堤公路特征，推薦采用“三明治法”工法。

表2 工程數(shù)量對(duì)比（10km）Tab.2 Project Quantity Comparison（10 km）

3.2 “三明治法”工法特點(diǎn)

本工法結(jié)合雷州半島特有氣候條件和低路堤公路特性，提出對(duì)傳統(tǒng)“包蓋法”或“包邊法”（見(jiàn)圖3）進(jìn)行調(diào)整，即取消非高液限土包邊，在低路堤公路中試驗(yàn)采用“三明治法”工法（見(jiàn)圖4），設(shè)置50 cm 石屑?jí)|層+高液限土+20 cm 石屑封層+一層兩布一膜隔水，該方案具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

圖3 “包邊法”工法（比較方案）Fig.3 Envelope method（Comparative Scheme）

圖4 “三明治法”工法（推薦方案）Fig.4 “Sandwich”Method（Recommended）

⑴ 相對(duì)于傳統(tǒng)“包蓋法”，“三明治法”工法用于雷州半島填土高度為2～6 m 的低路堤公路，可快速直接填筑高液限土（即不改良），極大了減少施工工序和降低工程成本；

⑵ 針對(duì)徐聞港支線低路堤、降雨邊坡匯水面積小、坡面匯流歷時(shí)短的特點(diǎn)，試驗(yàn)取消邊坡非高液限土包邊，采用噴播植草或三維網(wǎng)植草防護(hù)（見(jiàn)圖5），避免傳統(tǒng)方法出現(xiàn)非高液限土包邊與高液限土分期填筑施工，壓實(shí)不統(tǒng)一的問(wèn)題；

⑶ 相比較非高液限土封頂，采用兩布一膜+20 cm 石屑封頂，防水性較好且攤鋪快（見(jiàn)圖6）；

⑷ 低路堤公路采用“三明治法”工法不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)“包蓋法”夾薄層的情況，能大量利用本項(xiàng)目挖出的高液限土，解決了土方短缺的問(wèn)題。

圖5 徐聞港支線高速（低路堤）Fig.5 Xuwen Port Extension Expressway（Low Embankment）

圖6 石屑+兩布一膜封頂?shù)母咭合尥撂幹霉し‵ig.6 High Liquid Limit Soil Disposal Method Using Stone Bed Cushion + Two Cloth and One Film Cover

3.3 翻曬施工

高液限土的特點(diǎn)之一是天然含水率較高，一般地區(qū)（如廣梧高速）通過(guò)晾曬的方法很難在短時(shí)間內(nèi)使其含水率降到最優(yōu)含水率范圍內(nèi)［8］。而雷州半島臨近海南，徐聞港支線位于瓊州海峽北側(cè)，炎熱多雨，光照時(shí)間長(zhǎng)，為干濕季節(jié)變化明顯的熱帶季風(fēng)氣候，這為高液限土通過(guò)翻曬控制含水率，進(jìn)而能夠直接填筑提供了有利條件。

曹為等人研究了?？谥镣筒胃咚俟吩囼?yàn)段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)翻曬測(cè)試以及填筑效果驗(yàn)證了高液限紅黏土在高含水率狀態(tài)下，翻曬2 d 即可滿足壓實(shí)要求，可直接用作路堤填料［11］。楊博等人對(duì)海南中線高速高液限土進(jìn)行了翻曬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)翻曬1～4 d 降低其含水率后即可用于填料施工，并提出了南方多雨地區(qū)路基擇時(shí)施工方法［12］。

徐聞港支線試驗(yàn)了翻曬施工工藝和參數(shù)：

⑴ 本項(xiàng)目所在地多為陣雨，并有沿海微風(fēng)，路堤高液限填土經(jīng)常因?yàn)楹蔬^(guò)低收縮開(kāi)裂（見(jiàn)圖7），炎熱干燥施工期定時(shí)對(duì)路基土灑水，利用平地機(jī)翻開(kāi)上層開(kāi)裂高液限填土，并用灑水車(chē)適當(dāng)灑水，控制其含水率至最佳含水率附近，再重新填筑壓實(shí)。

圖7 含水率過(guò)低高液限土路基收縮開(kāi)裂Fig.7 Shrinkage and Cracking of Subgrade with Low Water Content and High Liquid Limit Soil

⑵ 施工中下雨時(shí)用兩布一膜對(duì)已填路基土進(jìn)行覆蓋，當(dāng)含水率過(guò)大時(shí)，雨停后用平地機(jī)翻開(kāi)上層填筑高液限土（見(jiàn)圖8），通常翻曬1～4 d 控制其含水率至最佳含水率附近：93 區(qū)控制含水量在27.5%～31.5%范圍，94 區(qū)控制含水量在20.8%～26.8%范圍，96 區(qū)控制含水量在15.1%～21.1%范圍，即可直接填筑高液限土。

圖8 平地機(jī)翻晾含水率過(guò)大的高液限土Fig.8 Grader Turning over High Liquid Limit Soil with Excessive Moisture Content

4 高液限土路堤穩(wěn)定性分析

徐聞港支線采用了低路堤方案，為了解決部分涵洞排水困難的難題，在部分路段設(shè)置了排水蒸發(fā)池，例如K514+012 右側(cè)路堤采用高液限土填筑：路堤填土高度約4.2 m（不含路面厚度），邊坡坡率1∶1.5，蒸發(fā)池坡率1∶0.75，南側(cè)蒸水池挖深3 m，路堤坡腳到蒸發(fā)池距離7 m。根據(jù)地勘報(bào)告，該處土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下：凝聚力 25.5 kPa，內(nèi)摩擦角 19.2°，濕密度 1.74 g/cm3。

通過(guò)數(shù)值分析軟件建立了分析模型（見(jiàn)圖9），經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，該處填方路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)為2.1（見(jiàn)圖10、圖11），滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

⑴ 本文依托雷州半島湛徐高速公路徐聞港支線工程，針對(duì)項(xiàng)目地區(qū)路基填土土源稀缺、高液限土CBR值高、填土高度2～6 m 的低路堤公路特點(diǎn)，提出對(duì)傳統(tǒng)“包蓋法”或“包邊法”進(jìn)行調(diào)整，即取消非高液限土包邊，試驗(yàn)采用直接填筑高液限土的“三明治法”工法。

Fig.9 路堤穩(wěn)定性數(shù)值分析模型Fig.9 Numerical Analysis Model of Embankment Stability

圖10 安全系數(shù)云圖Fig.10 Safety Factor Cloud Map

圖11 滑動(dòng)面分布Fig.11 Embankment Sliding Surface Distribution

⑵ 相對(duì)于傳統(tǒng)工法，“三明治法”取消非高液限土包邊，可快速直接填筑高液限土（即不改良），同時(shí)避免傳統(tǒng)方法出現(xiàn)非高液限土包邊與高液限土分期填筑施工，壓實(shí)不統(tǒng)一的問(wèn)題，也不易出現(xiàn)傳統(tǒng)“包蓋法”夾薄層的情況，能大量利用項(xiàng)目挖出的高液限土，一定程度上解決了項(xiàng)目土方短缺的問(wèn)題，極大減少了施工工序和降低工程成本。

⑶ 徐聞港支線利用有利的沿海熱帶氣候條件，實(shí)驗(yàn)總結(jié)了高液限土翻曬1～4 d 控制其含水率至最佳含水率附近，進(jìn)而能夠直接填筑的施工經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并對(duì)高液限土路堤進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

⑷ 工程質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告顯示本項(xiàng)目路基壓實(shí)度合格率為97.7%，彎沉合格率為100%，滿足交工驗(yàn)收要求，驗(yàn)證了本方案設(shè)計(jì)的合理性，本項(xiàng)目的實(shí)施體現(xiàn)了資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，可為同類(lèi)地區(qū)綠色公路建設(shè)提供參考。