改性荒漠砂在黃土地區(qū)路基中的隔斷效果現(xiàn)場監(jiān)測研究＊

馬紅梅

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

黃土是一種高壓縮性的含鈣質(zhì)粘性土，具有孔隙率大、干密度小等特點，濕陷性黃土在自重和外力作用下容易因內(nèi)部粘聚力減少而產(chǎn)生一定的沉陷。在黃土地區(qū)修筑路基時，因地下毛細水上升浸潤路基填筑體，導(dǎo)致路基的沉陷、陷穴、不均勻沉降、邊坡滑塌等病害。在濕陷性黃土地區(qū)地基處理技術(shù)的關(guān)鍵就是采取不同的的方法來處理黃土中的水分問題，可選擇在路基土體中設(shè)置毛細水隔斷層的辦法，以隔斷毛細水和氣態(tài)水的上升。隔斷層介于路基填筑體與地基之間，可有效防止水分進入路基上部，從而避免路基遭受破壞，確保路基穩(wěn)定。

隔斷層是在黃土路基某一層位設(shè)置一定厚度的防滲材料，以阻止水分進入路基上部，從而避免路基遭受破壞，或者出現(xiàn)早期病害。隔斷層處理濕陷性黃土地區(qū)路基，旨在消除濕陷性黃土因水分滲入導(dǎo)致路基沉陷。傳統(tǒng)的隔斷層有土工布（膜）隔斷層、砂墊層、碎礫石隔斷層、油毛氈等。改性荒漠砂是以沙漠砂和風(fēng)積砂為主要原料制備而成的，是一種新型的防滲材料。以改性荒漠砂為抗?jié)B材料設(shè)置隔斷層，可以防止土體內(nèi)毛細水上升導(dǎo)致路基土體水分過大而破壞路基使用性能，改性荒漠砂隔斷層是利用改性荒漠砂的防滲性能通過隔離不同的路基介質(zhì)達到反濾、防滲、排水、保溫等效果。

1 改性荒漠砂特點及隔斷層工藝原理

1.1 改性荒漠砂特點

隔斷層材料必須有足夠的抵抗荷載能力，這是因為在路基填筑體材料的孔隙部位或兩種材料交界面上的孔穴部位將受到擠壓作用；同時，隔斷層材料則將受到由路基填筑材料、地基材料顆粒棱角施加的穿刺力，故隔離材料還應(yīng)有抵抗刺破的能力。改性荒漠砂滿足以上兩方面的要求，即改性荒漠砂具有良好的抵抗荷載能力和抗穿刺能力，同時具有以下特點：

1）具有柔性防滲、自修復(fù)功能，可以適應(yīng)土基動態(tài)變化，提高結(jié)構(gòu)安全性；

2）密度小，方便運輸，造價較低。

3）對鋪筑要求低，施工難度小，施工效率較高。

4）充分利用荒漠砂，變廢為寶，提高資源利用率。

5）為無機類材料，在路基反濾、防滲、排水等施工中可廣泛推廣使用。

1.2 隔斷層工藝原理

改性荒漠砂隔斷層是指在兩種物理力學(xué)性質(zhì)不同的材料之間鋪設(shè)改性荒漠砂，使它們不互相混雜，即將黃土地基和路基填筑土體隔離。其原理作用如下：

1）改性荒漠砂隔斷層引起路基體內(nèi)應(yīng)力擴散，減少路基的不均勻沉降。

2）隔斷層可以阻止毛細水上升，防止路基破壞。

3）隔離路基與地基，并提供排水面，加速路基土體固結(jié)。

這類學(xué)生被調(diào)劑到中藥專業(yè)，以往從未受過中醫(yī)藥文化啟迪，入學(xué)后思想準備不足，對中醫(yī)學(xué)、中藥學(xué)認識不足，不了解其在世界醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的地位。這部分學(xué)生不清楚將來的職業(yè)定位，對個人發(fā)展方向比較迷惘，甚至?xí)袇拰W(xué)和抵觸情緒。再者，很多學(xué)生在以往的理科學(xué)習(xí)中，接觸最多的是西方科學(xué)體系，對于傳統(tǒng)中醫(yī)藥可能存有偏見或理解誤區(qū)，甚至全盤否定中醫(yī)藥文化體系。而文化教育是啟迪思想和智慧的教育，重在啟蒙而非強制。這類學(xué)生入學(xué)后，如果只接受填鴨式教學(xué)，單方面灌輸大量書本知識，那么教師就會感覺吃力，學(xué)生卻處于無奈的被動地位，從而影響教學(xué)效率。

4）在路基軟弱區(qū)域，或有小范圍洞穴部位起到架橋作用，可以減弱洞穴區(qū)或軟弱區(qū)的影響。

5）隔離層還起一定的保溫作用。

2 依托工程處置方案

選擇S222線西吉（寧夏）至燕子砭(甘陜界)公路城川至新店段改建工程為改性荒漠砂隔斷層示范工程。S222線基本呈東北-西南走向，全線采用三級公路技術(shù)標準，設(shè)計車速40km/h，路基寬度8.5m。經(jīng)過實地勘察及技術(shù)方案討論，選定鋪設(shè)改性荒漠砂路基處理試驗段為K3+170-K3+210,共40m長。試驗段鋪筑改性荒漠砂隔水層厚度分四段，即K3+180～190段改性荒漠沙厚度5cm，K3+190～200段改性荒漠沙厚度8cm，K3+200～210段改性荒漠沙厚度10cm，以上30m研究試驗段共需改性荒漠沙35.8m3，透水土工布920m2，粗砂保護層35m3，土工布參數(shù)為，縱向40≥KN/m，橫向≥40KN/m，縱橫向標稱抗拉強度下的伸長率≤15%。另外為便于比對，在K3+210-K3+220處采用傳統(tǒng)方案即原設(shè)計方案進行路基填筑[1-3]。

本試驗段處于填方路段，填方路段方案主要由改性荒漠砂、中粗砂保護層兩部分組成，如上圖設(shè)置。在清表壓實后的基底鋪筑一層土工膜，土工膜上鋪設(shè)一定厚度的改性荒漠砂，隔絕路基上方滲水和地基下方毛細水上升；在改性荒漠砂上層鋪筑一層土工膜，土工膜上鋪設(shè)中粗砂，作為改性荒漠砂的保護層，即改性荒漠砂的保護層又是填方路基的過濾層；并在左側(cè)坡腳設(shè)置改性荒漠砂隔水墻，防止路基左側(cè)積水下滲到路基中；對比的原有地面在清表壓實后采用5%石灰土換填處理[4]。

3 隔水效果監(jiān)測方案

目前用改性荒漠砂填筑路基地段的健康狀況難以通過一套有效的理論計算得出，為此，需要通過實時監(jiān)測的手段來獲取荒漠砂填筑地區(qū)路基的結(jié)構(gòu)健康狀況。本項目采用美國坎貝爾Campbell的CR6對荒漠砂處理段的路基含水量、沉降、溫度、土壓力、應(yīng)力/應(yīng)變等數(shù)據(jù)變化進行實時在線監(jiān)測，積累大量的有效的實時數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測路基的結(jié)構(gòu)健康狀況，為荒漠砂改性技術(shù)在地基處理中的應(yīng)用提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持，也為今后黃土地區(qū)路基的施工運營和維護提供可靠的科研數(shù)據(jù)支持[5]。

3.1 監(jiān)測點布置

1）沉降監(jiān)測：采用沉降傳感器沿線路方向每段設(shè)立1個沉降監(jiān)測點，3個不同厚度荒漠砂段落共3個沉降監(jiān)測點；1個換填段落沉降監(jiān)測點，共計4個沉降傳感器。布設(shè)位置為：4個均在改性荒漠砂隔斷層層底[6]。

2）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測：采用埋入式應(yīng)變計監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變，每個監(jiān)測斷面水平方向布置1個，豎直方向布置1個，6個監(jiān)測段落共計12個。布設(shè)位置為：8個在改性荒漠砂隔斷層層底，4個在改性荒漠砂隔斷層層頂（5cm和10cm改性荒漠砂試驗段厚度）。

3）路基含水量及溫度：含水量及溫度共同采用土壤墑情計監(jiān)測。每個監(jiān)測斷面布設(shè)1個，共計7個。布設(shè)位置為：3個改性荒漠砂隔斷層、1個換填層層底，2個在改性荒漠砂隔斷層層頂 （5cm和10cm改性荒漠砂試驗段厚度），1個在換填層層頂。

4）土壓力監(jiān)測：土壓力采用土壓力計監(jiān)測，每個監(jiān)測斷面布設(shè)1個，共計4個。布設(shè)位置為：4個均在層底（3個改性荒漠砂試驗段和換填層層底）。

5）翻斗式雨量傳感器：用于監(jiān)測降雨量，共布設(shè)1個。布設(shè)位置為：路基外側(cè)數(shù)采防護機箱旁邊。

3.2 監(jiān)測效果評價

由圖1可知，各監(jiān)測斷面中5cm改性荒漠砂試驗段土壓力最大，10cm改性荒漠砂試驗段土壓力次之，8cm改性荒漠砂試驗段土壓力最小，這是由于隔斷層厚度太薄，則其應(yīng)力分散效果不顯著，故表現(xiàn)在土壓力上就是隔斷層層底壓應(yīng)力較大；隔斷層厚度較厚時，由于隔斷層自重而造成層底土壓力較大。

圖1 土壓力監(jiān)測結(jié)果

圖2中監(jiān)測界面有突變點是由于后續(xù)施工對傳感器產(chǎn)生擾動造成，監(jiān)測系統(tǒng)反饋到數(shù)據(jù)監(jiān)控人員處，監(jiān)控人員通知現(xiàn)場施工人員及時進行了處置，并采取了保護措施避免施工擾動造成的傳感器異常，后續(xù)采集數(shù)據(jù)趨向正常水平。由圖2可知，3個改性荒漠砂段沉降（1#～3#）較換填段（4#）沉降小，且3個改性荒漠砂段整體沉降水平非常穩(wěn)定，說明改性荒漠砂用于公路路基處理是可行的。三個改性荒漠砂段中10cm改性荒漠砂段沉降較5cm和8cm處大，這是由于填筑較厚時由于自重作用可產(chǎn)生一定的自由沉降效應(yīng)較5cm和8cm段大。因此，現(xiàn)場鋪設(shè)時，需結(jié)合試驗段地下水位及路基填筑厚度等其他各項監(jiān)測結(jié)果來綜合確定填筑厚度[7]。

圖2 沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)圖3分析可知，5cm、10cm改性荒漠沙層底含水量較頂層含水量大，而灰土換填段頂層含水量較底層含水量大；且10cm改性荒漠沙底層和頂層含水量差值在0.05左右，5cm改性荒漠沙底層和頂層含水量差值在0.03左右，即10cm改性荒漠沙層隔水作用較5cm改性荒漠沙層顯著，8cm改性荒漠沙段頂層因施工原因未埋設(shè)含水量傳感器，故不做比對分析?；彝翐Q填段頂層含水量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，整體斜率較5cm、10cm改性荒漠沙段大，5cm、10cm改性荒漠沙段頂層含水量逐步趨于穩(wěn)定，說明改性荒漠沙層可以有效控制地下毛細水的上升[8]。

圖3 含水量監(jiān)測結(jié)果

由圖4可知，各監(jiān)測段落底層溫度較頂層低，換填段溫差較三個改性荒漠砂段大，且換填段溫度整體較其他改性荒漠砂試驗段溫度低，三個改性荒漠砂段中10cm改性荒漠砂段頂層溫度較高，說明鋪筑厚度對改性荒漠砂對路基的保溫作用影響較大[9]。綜上，監(jiān)測結(jié)果表明改性荒漠砂對路基土體的阻斷隔水、保溫效果較為顯著。

圖4 溫度監(jiān)測結(jié)果

黃土的濕陷與一般土在水的作用下表現(xiàn)出來的壓縮性稍有增加的現(xiàn)象不同。壓縮變形一般在一段時間內(nèi)能趨于穩(wěn)定，且總變形量不大；而濕陷變形的特點是變形量大、發(fā)生的速度快、變形不均勻、突變性、非連續(xù)性和不可逆性[10]。因此，黃土的工程性質(zhì)要求濕陷性黃土地區(qū)路基范圍內(nèi)含水量需嚴格控制，而本項目采取的改性荒漠沙隔斷層可以有效阻止毛細水的上升，對于保持路基含水量具有非常積極的作用。

4 結(jié)論

在黃土路基改性荒漠砂隔斷層施工過程中，對土壓力、含水量、溫度、應(yīng)力應(yīng)變、和土壓力進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，提出了具體的監(jiān)測要求、測點布設(shè)方案、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測實施方法，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知：

1）通過現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，改性荒漠砂用于濕陷性黃土地區(qū)地基處理是可行的，且改性荒漠砂隔斷層隔水、保溫效果較為顯著。

2）改性荒漠砂隔斷層厚度宜控制在合理范圍內(nèi)，綜合試驗段沉降、應(yīng)力應(yīng)變、含水量、土壓力、溫度監(jiān)測結(jié)果，推薦S222線西吉（寧夏）至燕子砭(甘陜界)公路城川至新店段改性荒漠砂隔斷層鋪筑厚度為8cm。