高速公路吹填砂填筑路基設(shè)計(jì)與施工研究

劉霞，蔡湘運(yùn)

(新邵縣公路管理局，湖南 邵陽 429000)

中國湖區(qū)、江河沿岸的地質(zhì)普遍為Ⅰ級堆積階地，地形平緩，路線位置多覆蓋淤泥質(zhì)土層，非常不利于路基填筑。吹砂填筑技術(shù)可有效解決湖區(qū)和海邊路基填料缺乏的問題。在歐、美等發(fā)達(dá)國家，用砂來填筑路基已有許多成熟經(jīng)驗(yàn)，一些歐洲國家甚至用砂來填筑高等級公路路面底基層。在國內(nèi)，武英(武漢—英山)、樂溫(樂化—溫家圳)、中江(中山—江門)、京珠(北京—珠海)及哈爾濱繞城高速公路等部分路段在路基施工中均采用了吹砂技術(shù)。吹填砂工藝填筑高等級公路路堤具有施工快、節(jié)約成本、不受外界環(huán)境影響、利于保護(hù)國土資源等優(yōu)點(diǎn)，在中國多個(gè)地區(qū)得到了應(yīng)用。但由于沒有相關(guān)規(guī)范控制施工質(zhì)量，大多修筑里程較短，且在排水設(shè)計(jì)和邊坡設(shè)計(jì)等方面還不夠成熟。該文結(jié)合湖區(qū)某高速公路工程，研究吹填砂路基修筑技術(shù)，為湖區(qū)高等級公路吹砂填筑路基工程應(yīng)用和推廣提供參考。

1 砂的可用性試驗(yàn)研究

吹填路基適用于缺土多砂、可用吹填方式填筑路基的地區(qū)。吹填路基材料以中、粗砂為宜，根據(jù)JTJ 017-96《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》，其含泥量不大于15%。但實(shí)際吹填時(shí)，中、粗砂很難吹上來，即使吹上來，砂已離析，無法保證路堤壓實(shí)度，而采用中、細(xì)砂作為吹填砂則沒有這些問題。對該高速公路附近某河?xùn)|支和中支河砂進(jìn)行取樣，通過篩分試驗(yàn)計(jì)算得到河砂的細(xì)度模數(shù)(見表1、表2)，通過擊實(shí)試驗(yàn)(筒容積997 cm3；擊錘質(zhì)量4.5 kg；落距45 cm；每層擊數(shù)27次)得到河砂的最大干密度和最佳含水率(見表3～6)，并對含泥量進(jìn)行測量。

表1 湖區(qū)某河中支取樣河砂篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 湖區(qū)某河?xùn)|支取樣河砂篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 湖區(qū)某河?xùn)|支取樣河砂擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(干密度)

表4 湖區(qū)某河?xùn)|支取樣河砂擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(含水率)

表5 湖區(qū)某河中支取樣河砂擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(干密度)

表6 湖區(qū)某河中支取樣河砂擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(含水率)

試驗(yàn)結(jié)果顯示：1) 該河?xùn)|支取樣河砂的最大干密度為1.706 g/cm3，最佳含水率為13.6%，含泥量為5.4%，細(xì)度模數(shù)為0.88，屬于粉砂，易吹填。但由于粉砂顆粒較均勻、塑性指數(shù)低、粘性小、保水能力差，最佳含水率控制較困難，施工時(shí)要考慮壓實(shí)工藝，控制砂的含水量，保證壓實(shí)質(zhì)量。2) 中支取樣河砂的最大干密度為1.945 g/cm3，最佳含水率為12.3%，含泥量為4.2%，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬于中砂，可用于吹填路基。但中、粗砂需考慮吹填難度，吹填時(shí)適當(dāng)加大吹填設(shè)備的功率。

2 吹填砂路基排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

路基排水設(shè)計(jì)遵循排水、疏水、預(yù)防相結(jié)合的原則，并與邊坡防護(hù)、路面排水系統(tǒng)、地基處理等措施相協(xié)調(diào)，從而保證吹填砂路基的穩(wěn)定性。

2.1 臨時(shí)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吹填砂過程中，水是輸送砂的關(guān)鍵介質(zhì)，而排砂管總體積的80%以上是水，因而吹填砂施工前的關(guān)鍵是建立臨時(shí)排水系統(tǒng)。該項(xiàng)目采用溝渠排水的方式構(gòu)建臨時(shí)排水系統(tǒng)(見圖1)，并根據(jù)需要設(shè)置泄水管(管口包透水土工布)和抽水泵，及時(shí)排除吹砂留下的水，避免影響路基的穩(wěn)定性和周邊環(huán)境。臨時(shí)排水系統(tǒng)可減輕水土流失，且不容易改變水文狀態(tài)，對當(dāng)?shù)睾拥?、灌溉系統(tǒng)的影響較小。

圖1 臨時(shí)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吹填砂路基施工、預(yù)壓和運(yùn)營過程中，邊坡排水設(shè)計(jì)對路基穩(wěn)定性起著很重要的作用。施工中可根據(jù)需要對高填方的坡面設(shè)置排泄水管，用于排除聚集在包邊土中的水。該項(xiàng)目在路基邊坡頂部設(shè)置縱向攔水壩，在距路基坡腳2 m處設(shè)置排水溝，并在適當(dāng)位置設(shè)排水口，水口大小視吹砂設(shè)備功率而定，排水口處兩側(cè)攔水壩用袋裝砂包或塑料薄膜加固處理。排水溝連接到附近的排水系統(tǒng)，施工中產(chǎn)生的水先流到排水溝，經(jīng)沉淀、過濾后排入附近的溝渠或當(dāng)?shù)嘏潘到y(tǒng)，避免污染水源、農(nóng)田等。

2.2 攔水壩及路基內(nèi)部排水設(shè)計(jì)

吹填砂之前，在路基設(shè)計(jì)寬度以外修筑攔水壩。第一層采用挖溝或清頂填筑，并在路基坡腳外側(cè)填筑，保證路基坡腳的密實(shí)度。其斷面尺寸根據(jù)每層吹填厚度而定，厚度不大于1 m時(shí)，壩的寬度為80 cm，只要能滿足自身穩(wěn)定性即可。包邊用的砂袋作為攔水壩的一部分起到相應(yīng)的作用。從第2層開始，攔水壩用吹填砂修筑，內(nèi)部用塑料薄膜鋪設(shè)，避免沖刷。

由于吹砂過程中水量較大，需要一定的含水量才能使砂達(dá)到一定的密實(shí)度，但會(huì)造成路基積水，如果不能將水及時(shí)排除，路基底部會(huì)在水長時(shí)間浸泡下軟化，甚至出現(xiàn)邊坡坍塌、路面塌陷的情況。該項(xiàng)目采用袋裝砂+黏土后包邊的方式進(jìn)行路基內(nèi)部排水，解決砂土結(jié)合部位水難以排除的問題。

3 吹填砂路基斷面設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 橫斷面設(shè)計(jì)

(1) 厚度設(shè)計(jì)。規(guī)范要求包邊厚度為0.4～1 m，實(shí)踐中有的項(xiàng)目包邊土的最小厚度放寬至0.75 m甚至0.5 m?？紤]到該項(xiàng)目為湖區(qū)公路，又處在降水量和強(qiáng)度較大的地區(qū)，為避免坡面因水流沖刷導(dǎo)致邊坡破壞，在試驗(yàn)路修筑中包邊土厚度采用1 m，并根據(jù)試驗(yàn)路情況在后續(xù)大面積施工中對包邊土厚度進(jìn)行優(yōu)化。

(2) 邊坡設(shè)計(jì)。邊坡主要有平行四邊形和梯形兩種形式，平行四邊形包邊土兩側(cè)坡度相等(見圖2)，而梯形包邊土外側(cè)坡度較小。對于砂類土，在地基狀況良好的情況下，邊坡坡度宜為1.0∶1.5；對于高填土的軟土地基，如條件允許，應(yīng)盡可能將邊坡坡度放至1∶2。但實(shí)際上由于土地資源缺乏，很難將邊坡放至1∶2。該項(xiàng)目采用平形四邊形邊坡形式，坡度為1.0∶1.5(見圖3)。對于部分高填方路堤，為保證邊坡穩(wěn)定，同時(shí)節(jié)省占地面積、不破壞生態(tài)平衡，采用圖4所示邊坡結(jié)構(gòu)。

圖2 吹填砂路基橫斷面整體設(shè)計(jì)

圖3 吹填砂路基橫斷面設(shè)計(jì)(單位：cm)

(3) 吹填高度。對于吹填砂路基，邊坡高度取多少較合理還沒有定論。根據(jù)該項(xiàng)目黏土、砂土的實(shí)測粘聚力和內(nèi)摩擦角，采用FLAC/SLOPE5.00進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，同時(shí)考慮實(shí)際環(huán)境因素，得出吹填砂路基高度不超過8 m。

3.2 包邊土施工設(shè)計(jì)

(1) 包邊土施工。吹填砂包邊土施工方法有同步施工、基本同步施工、后包邊施工3種。其中：同步施工法有利于施工組織，造價(jià)低，路基壓實(shí)度、標(biāo)高、平整度及工期易控制，路基不容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；基本同步法具有同步施工的大部分特點(diǎn)，只是砂土和黏性土的結(jié)合面不易壓實(shí)；后包邊法可較好地解決壓實(shí)度的問題，不會(huì)引起路基不均勻沉降，且由于砂土和黏性土施工相隔時(shí)間較長，前期施工能充分利用機(jī)械和人力，加快施工進(jìn)度，但后包邊的棄方非常大。該項(xiàng)目采用同步施工和后包邊相結(jié)合的方式，先修建攔水壩，砌筑砂袋，砂袋起包邊作用并作為攔水壩的一部分，在分層吹填的一層結(jié)束且壓實(shí)度達(dá)到要求后進(jìn)行下一層施工，吹填結(jié)束后進(jìn)行包邊土施工，包邊土施工完成后對路基兩側(cè)包邊黏土進(jìn)行壓實(shí)。碾壓方法與普通路基一樣，其關(guān)鍵是控制含水率，對薄弱部分充分壓實(shí)，保證填筑質(zhì)量。

圖4 高填方路基包邊示意圖

(2) 包邊形式。試驗(yàn)路修筑中采用黏性土進(jìn)行包邊，要求其液限小于50%，塑性指數(shù)小于26%，同時(shí)填料的強(qiáng)度和粒徑達(dá)到要求。黏性土具有較大的粘結(jié)性、穩(wěn)定性，砂土具有水穩(wěn)定性好但失水后干穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，考慮到施工和排水難度，采取土包砂的填筑方法，即采用砂土填芯，碼砌砂袋+黏土包邊的方式，以發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)(見圖5)。堆碼砂袋不僅起到包邊與攔水壩的作用，臺(tái)階式的堆碼對路基和邊坡的穩(wěn)定也起到重要作用，還可減少包邊土施工時(shí)界線劃分等工序。

圖5 包邊形式

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

與一般路基相比，吹填砂路基能解決筑路土源缺乏、運(yùn)輸費(fèi)用大等難題，有利于保護(hù)國土資源，節(jié)省成本。以加壓次數(shù)分段，對每個(gè)施工段進(jìn)行吹砂、填砂、填土概預(yù)算分析，結(jié)果見表7。

由表7可知：1) K46+000—K50+789段不適宜吹砂，因?yàn)榇瞪暗木嚯x較大，其成本比普通填土高。2) K50+789—K90+199.75段吹砂成本為128 006 129元，填砂成本為115 181 474元，填土成本為168 205 415元，適宜吹填。在施工圖設(shè)計(jì)中確定的各取土場滿足取土方量需求且土質(zhì)滿足路堤填料要求的前提下，該段采用吹砂填筑可節(jié)約成本近4 000萬元，采用填砂可節(jié)約近5 300萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 不同路基填筑方案的經(jīng)濟(jì)性比較

4 結(jié)論

(1) 修筑高等級公路的吹填砂應(yīng)以中、細(xì)砂為主，其含泥量不大于15%，并嚴(yán)格控制其含水量。

(2) 可通過溝渠排水的方式構(gòu)建臨時(shí)排水系統(tǒng)排除吹砂留下的水，并分層修建攔水壩，采用袋裝砂+黏土的包邊形式排出路基內(nèi)部水。

(3) 吹填砂路基橫斷面和高填土路基設(shè)計(jì)中，包邊土厚度取1 m，采用坡度為1∶1.5的平行四邊形邊坡，吹填砂路基高度不大于8 m。采用袋裝砂+黏土的包邊形式，以同步施工和后包邊相結(jié)合的方式進(jìn)行包邊土施工。

(4) 在湖區(qū)填筑路基，與填土修筑相比，吹填砂填筑可顯著節(jié)約成本和工期，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。