改性荒漠砂作為濕陷性黃土路基隔水層的試驗研究

劉旭峰， 李茂山， 劉喜遠， 史 杰

(甘肅省交通科學研究院集團有限公司， 蘭州 730000)

我國荒漠化土地面積已達267.4萬km2,占國土面積的27.8%[1]，甘肅省第5次荒漠化監(jiān)測結果顯示：甘肅省現有荒漠化土地面積為19.502萬km2，占監(jiān)測區(qū)面積的77.1%，占全省土地總面積的45.8%[2]?；哪纬闪舜罅康纳衬撑c風積沙，但均無法在交通領域直接使用。改性荒漠砂是以沙漠沙和風積沙為主要原料制備而成的一種新型的具有呼吸功能的防滲材料，具有柔性防滲、自修復功能，可適應土基動態(tài)變化，提高路基結構安全性[3]，可有效解決工程滲漏難題。改性荒漠砂在交通領域具有廣泛的應用前景[4]。

1 改性荒漠砂特性

1.1 級配特性

為研究改性荒漠砂的級配特性，通過室內試驗分別對其級配不均勻系數及級配曲線曲率系數進行了分析。不均勻系數是反映級配大小不同顆粒分布情況的指標，以此判斷顆粒級配是否良好，當不均勻系數小于5時，級配不良。曲率系數是描述級配曲線平滑程度的指標，與不均勻系數配合可確定顆粒級配。不均勻系數與曲率系數計算公式如式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：Cu為不均勻系數；Cc為曲率系數；d60為過篩重量占60%的粒徑；d30為過篩重量占30%的粒徑；d10為過篩重量占10%的粒徑。

根據室內顆分試驗顯示，改性荒漠砂粒徑分布在0.075 mm～0.25 mm之間，過篩重量占60%的粒徑為0.139 5 mm，過篩重量占30%的粒徑為 0.099 2 mm，過篩重量占10%的粒徑為0.077 5 mm。根據式(1)和(2)計算出改性荒漠砂不均勻系數與曲率系數分別為1.80與0.91，根據不均勻系數及曲率系數判斷，改性荒漠砂級配不良。

1.2 防滲透性

室內滲透、保濕試驗證實改性荒漠砂有隔水、保濕性能，且效果顯著，其防滲性能及透氣性能技術指標見表1、表2。

表1 防滲等級

表2 透氣性能

由表1可知，隨著改性荒漠砂防滲高度的增加，防滲等級也隨之提高。由表2可知，改性荒漠砂在同等壓強作用下，隨著防滲等級的提高，透氣速率隨之下降；在相同防滲等級的情況下，隨著壓強的增大，透氣速率也隨之增大。

2 改性荒漠砂隔水層設計方案

路基頂層設置隔水層是保證路基濕度、避免地表水滲入地基致使路基損壞的有效措施?？茖W合理的隔水層設計是確保路基穩(wěn)定性的關鍵。濕陷性黃土是一種高壓縮性的非飽和欠壓密土，具有孔隙率大、干密度小及在自重和外力作用下易浸水下沉等特點，在工程建設中存在很大隱患[5]。為降低和防止黃土濕陷性對工程造成的損害，在公路設計中，針對不同自然條件和工況下濕陷性黃土地基的特點，因地制宜地采用多種材料和方法對濕陷性黃土地基進行處理[6]。傳統(tǒng)的防滲材料主要有天然材料(如壓密粘土、石灰土等)和人造材料(如抗?jié)B水泥、土工膜等)2種，這類材料成本高、防滲效果時效性短。

改性荒漠砂作為隔水層處理濕陷性黃土路段路基，旨在阻擋水分下滲導致濕陷性黃土路基沉陷。因此，設計重點從阻水、隔水考慮，以防止上部水分下滲，土體內毛細水上升導致路基土體水分過大而破壞路基，導致其使用性能降低。隔水層設計方案主要由粗砂粒保護層、透水土工布、改性荒漠砂3部分組成，如圖1所示。

圖1 改性荒漠砂隔水層方案設計

3 鋪筑試驗段

3.1 試驗方案

經實地勘察及技術方案討論，在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，選定鋪設改性荒漠砂路基處理試驗段共30 m，試驗段施工取土場地典型原狀土基本物理力學指標見表3。取樣地點土層較均勻，平均天然含水率為20.2%，塑性指數為12，其工程分類為低液限黏土。

表3 S222線城川至新店段改建工程試驗段原狀土基本物理力學指標

試驗段鋪筑采用3種不同厚度的改性荒漠砂進行對比分析，分別為5 cm、8 cm、10 cm。鋪筑方案如圖2所示。

3.2 鋪筑施工步驟

1) 清表、碾壓。清除場地表土，對基底進行碾壓，確保平整，并用測量儀器復核地面高程。

2) 攤鋪隔水層。鋪筑透水土工布，搭接寬度控制在0.5 cm以上，按照噸袋裝料量計算每袋量可攤鋪的面積，用改性荒漠砂打出網格，使用裝載機將噸袋運至施工網格后，人工攤鋪，使改性荒漠砂平整，并檢查改性荒漠砂攤鋪厚度。

3) 固定隔水層。在改性荒漠砂頂部再次鋪筑透水土工布，以固定改性荒漠砂。

4) 攤鋪保護層。用路基砂礫填料攤鋪保護層，并進行碾壓平整。

3.3 阻水效果分析

試驗段鋪筑完成后，通過預埋在改性荒漠砂隔水層上下層的實時檢測設備，獲知改性荒漠砂隔水層地段路基的結構健康狀況。對該處路基含水量的變化進行遠程實時監(jiān)測,結果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，經過長期監(jiān)測，改性荒漠砂隔水層上部含水率明顯大于下部含水率，說明改性荒漠砂起到了阻止地表水入滲地基的功效，具有顯著的隔水作用，有效預防了濕陷性黃土路段地基因水滲入而造成的地基沉陷。

圖3 隔水層上下含水率對比

由圖4可知，隨著改性荒漠砂隔水層厚度的增加，隔水層底部含水率有所降低，但差別較小；相較傳統(tǒng)灰土隔水層，其前期底部含水率與改性荒漠砂隔水層底部含水率相差較小，隨著公路運營時間增長，傳統(tǒng)灰土隔水層底部含水率逐漸增大，且大于改性荒漠砂隔水層底部含水率，說明改性荒漠砂較傳統(tǒng)灰土隔水效果更優(yōu)。

(a) K3+180橫斷面

(b) K3+200橫斷面

(c) K3+220橫斷面

圖4 不同隔水層對應含水率對比

3.4 經濟效益分析

在同等條件下，對傳統(tǒng)基底處治方案與改性荒漠砂處治方案的造價進行對比分析，結果見表4。

表4 濕陷性黃土路基處置方案工程造價對比(每10 m)

由表4可知，同等條件下，改性荒漠砂處治方案造價較傳統(tǒng)處治方案高，但改性荒漠砂作為一種新材料，對改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)約資源、再生利用方面有較好的效益。

4 結束語

1) 用改性荒漠砂作為隔水層具有明顯的隔水效果，可防止地表水滲入地基，對濕陷性黃土地基沉陷有較好的預防作用。

2) 隨著公路運營時間的增長，改性荒漠砂隔水層底部含水率的增長率小于傳統(tǒng)灰土隔水層底部含水率的增長率，說明改性荒漠砂隔水層較傳統(tǒng)灰土處治有更好的耐久性。

3) 當改性荒漠砂隔水層厚度逐漸增加后，隔水效果增加不顯著，綜合考慮經濟因素、施工工藝和施工過程中的壓實問題，建議改性荒漠砂鋪筑厚度為5 cm。