黃河泥沙用于高速公路路基填筑的可行性研究

趙然杭 華麗麗 劉恒洋

摘 要：黃河泥沙的利用是維持黃河健康發(fā)展的突破口。為分析黃河泥沙用于高速公路路基填筑的可行性，取引黃濟青渠首沉沙池中淤積的黃河泥沙，進行篩分、擊實、液塑限聯(lián)合測定、承載比等公路土工試驗，并對長深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基施工現(xiàn)場應用情況進行檢測。試驗結(jié)果為：黃河泥沙屬于公路土中級配良好的砂類土，最大干密度范圍為1.62～1.65 g/cm3，最佳含水率范圍為14.0%～14.7%，液限為29.5%，塑性指數(shù)為9%，承載比為16.8%，工程現(xiàn)場檢測上路床壓實度均值為97.2%，下路堤壓實度均值為95.1%，均滿足規(guī)范要求，表明黃河泥沙用于高速公路路基填筑是可行的。

關鍵詞：黃河泥沙;土工試驗;路基填料

Abstract：The utilization of the Yellow River sediment is a breakthrough to maintain the healthy development of the Yellow River. In order to analyze the feasibility of the Yellow River sediment used in highway roadbed filling， the silted Yellow River sediment in the sediment basin at the head of the Yellow River-Qingdao Canal was taken for screening， compaction， joint determination of liquid-plastic limit， CBR and other highway geotechnical tests， and the field application of K23+620-K23+720 roadbed construction in Gaoqing-Guangrao section of Changshen Expressway was tested. The test results show that the Yellow River sediment belongs to sandy soil with good gradation in highway soil; the maximum dry density ranges from 1.62 g/cm3 to 1.65 g/cm3; the optimum moisture content ranges from 14.0% to 14.7%; the liquid limit is not more than 50% and the plastic index is not more than 26%; California Bearing Ratio is 16.8%; the average compactness of the upper roadbed and the lower embankment is 97.2% and 95.1%， which meet the requirements of the specification， indicating that the Yellow River sediment is feasible for highway subgrade filling.

Key words： Yellow River sediment; soil test; subgrade fill

1 引 言

長期以來，泥沙問題是黃河的一個心腹大患，而對于黃河泥沙的研究一直受到國家和有關專家學者的高度重視，“治水先治沙”也一直是治理黃河的一大方針。近年來，隨著技術水平的提高和經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們開始不局限于對泥沙進行治理，而將泥沙視為一種資源，轉(zhuǎn)為對泥沙進行利用。

從廣義角度劃分，黃河泥沙利用方式可以分為自然利用和人工利用兩大方面[1]，自然利用包括填海造陸、平原塑造，人工利用泥沙的措施包括砌體材料、建筑砂料等。王曉彤等[2]在利用黃河泥沙充填采煤沉陷地方面進行了深入研究，通過對比黃河下游泥沙與山東省濟寧市采煤沉陷區(qū)農(nóng)田土壤的理化性狀，表明黃河泥沙是一種綠色、安全的充填材料。相關研究[3]表明，黃河泥沙的硅酸鹽類屬性，使其可以作為礦產(chǎn)資源進行開發(fā)，也可作為制造陶瓷及玻璃制品的原料。根據(jù)泥沙利用方式和實現(xiàn)途徑的不同，曹永瀟[4]對泥沙資源的管理進行了相關研究。

隨著中國交通設施建設尤其是高速公路建設的飛速發(fā)展，對路基原材料的需求逐漸上升，在利用“廢棄物”填筑公路路基方面也開始受到重視。盧佩霞等[5]對揚州市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的垃圾爐渣進行土工特性分析，發(fā)現(xiàn)垃圾爐渣能夠滿足二級及以下公路路基填料要求。楊闖等[6]在利用煤矸石填筑公路路基方面也做了相關研究，級配的不均勻性使得煤矸石在利用時很難達到理想的壓實度，需合理配置粗細顆粒相對含量。

雖然有關學者針對黃河泥沙利用、“廢棄物”填筑路基等作了很多研究，但是黃河泥沙應用于公路路基的相關研究甚少，也未對黃河泥沙進行公路土工試驗特性分析，更未見高速公路路基應用情況的報道。從黃河泥沙的基本特性與成分來看，泥沙類似于沙石，基本符合路基填筑要求，若將黃河泥沙用于路基填筑，則既能降低路基填筑成本，又能大規(guī)模利用黃河泥沙，減少泥沙淤積。

引黃濟青工程是山東省“七五”期間重點工程之一，是為從根本上解決青島水資源短缺而興建的大型跨流域、遠距離調(diào)水工程。引黃濟青渠首沉沙池位于引黃濟青工程的源頭，承擔著從黃河引水、蓄水、沉沙等重要功能。截至2017年年底，沉沙池已累計攔沙1 205萬m3，清出的大部分沙土沿隔堤內(nèi)側(cè)貼坡堆放形成棄土場，棄土場不斷淤高，形成了大面積的沉沙高地，泥沙堆積裸露，遇風極易起沙，尤其是在春冬多風季節(jié)，降雨量少，土壤干旱，風力侵蝕尤為嚴重，晴天塵土飛揚，侵蝕農(nóng)田，造成周邊土地不斷沙化，嚴重影響周邊村莊群眾日常生活。為改善引黃濟青渠首生態(tài)環(huán)境，急需開展黃河泥沙資源化利用問題的研究。因此，筆者對黃河泥沙進行土工試驗研究，結(jié)合山東省路橋集團有限公司將黃河泥沙用于路基填筑的應用效果檢測結(jié)果，分析黃河泥沙應用于高速公路路基的可行性，為黃河泥沙在路基上的應用提供技術參數(shù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

室內(nèi)試驗用沙取自引黃濟青渠首2號沉沙池上游沿隔堤內(nèi)側(cè)貼邊堆放的黃河泥沙，在隔堤棄土場內(nèi)均勻布設3個采樣點，采樣點間距為10 m，每個采樣點挖取1 m3的沙樣。

現(xiàn)場檢測在長深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基填筑施工現(xiàn)場進行，利用棄土場內(nèi)經(jīng)過自然風干、晾曬和去雜的黃河泥沙進行路基填筑，并經(jīng)過機械碾壓后進行檢測。

2.2 試驗方法

采用室內(nèi)土工試驗與現(xiàn)場檢測相結(jié)合的方法進行試驗。

室內(nèi)土工試驗確定黃河泥沙的顆粒級配、最大干密度與最佳含水率、液塑限指數(shù)、承載比;現(xiàn)場試驗檢測黃河泥沙的應用效果，測試壓實度，為黃河泥沙應用于路基填筑提供參數(shù)依據(jù)。

（1）顆粒級配測定方法。路基填筑對于路基土的顆粒級配是有嚴格要求的，需要級配良好的路基土。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[7]（JTG E40—2007），試驗采用篩分法，利用電熱鼓風干燥箱、土壤篩、電子天平來分析顆粒級配。

（2）最大干密度、最佳含水率測定方法。試驗執(zhí)行擊實試驗中的重型擊實試驗方法測定室內(nèi)最大干密度，共進行10組試驗，每組試驗準備5個沙樣，采用儀器有多功能電動重型

擊實儀、電子天平、電熱鼓風干燥箱、電子稱等儀器。使用內(nèi)徑為100 mm的試筒裝填沙樣，在擊錘質(zhì)量4.5 kg、落距45 cm的情況下，分5層擊實，每層擊實27次，測得每組試驗的最大干密度和其對應的最佳含水率。

（3）液塑限指數(shù)測定方法。土壤液塑限指數(shù)可以反映土壤的入滲、抗沖、抗蝕和抗剪等情況，對路基的質(zhì)量有重要影響。試驗采用液塑限聯(lián)合測定法對黃河泥沙的液限和塑限進行測定，取0.5 mm篩下的代表性沙樣200 g，分成3份，做兩組，分別放入盛土皿中，加入純水之后反復調(diào)整含水量，使其分別接近液限、中間狀態(tài)和塑限的含水率。

（4）承載比測定方法。路基土的承載能力是指路基土抵抗因承受地面荷載而產(chǎn)生的豎向位移變形的能力。表征路基土承載能力的指標有回彈模量、加州承載比、地基反應模量等。加州承載比[8]是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的指標，承載能力以材料抵抗局部荷載壓力變形的能力表征，并以標準碎石的承載能力為標準，用相對值的百分數(shù)表示。試驗執(zhí)行《公路土工試驗規(guī)程》中的承載比試驗方法，采用承載化試驗機，將標準沙樣浸水96 h，飽水之后進行貫入試驗，每層擊數(shù)為98，當貫入量達到2.5 mm時，單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載壓力的比值即為承載比，同時計算貫入量達到5 mm時的承載比，如果貫入量達到5 mm時的承載比大于貫入量達到2.5 mm時的承載比，試驗應重做，如果結(jié)果相同，則采用貫入量為5 mm時的承載比。

（5）壓實度測定方法。路基壓實度反映路基每一壓實層的緊密強度，指工地實際達到的干密度與實驗室中標準擊實試驗得到的最大干密度的比值，只有每一壓實層的緊密強度都符合規(guī)定，路基的整體強度、穩(wěn)定性、耐久性才能滿足要求。用黃河泥沙代替素土用于長深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基段的填筑，僅用于上路床與下路堤的填筑。上路床按6%的比例摻入石灰，鋪設一層，厚度為30 cm;下路堤按4%的比例摻入石灰，鋪設一層，厚度為25 cm，并執(zhí)行《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[9]（JTG E60—2008）中的挖坑灌砂法測定壓實度。施工過程中，每一壓實層均應檢驗壓實度，每1 000 m2至少檢驗2點，根據(jù)現(xiàn)場實際施工面積，在碾壓后的土層上選取路基平整、土質(zhì)均勻的4個測點，采用小型灌砂筒、標定罐、基板、玻璃板、試樣盤、電子稱及輔助工具，進行挖坑灌砂法試驗。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 顆粒級配分析

黃河泥沙篩分結(jié)果見表1，顆粒級配曲線見圖1。

由表1可知，黃河泥沙的粒徑均小于2.0 mm，粒徑大于0.075 mm的土質(zhì)量百分比為73.2%，按照《公路土工試驗規(guī)程》中土的分類，粒徑大于60 mm的質(zhì)量小于或等于總質(zhì)量15%，且粒徑大于0.075 mm的質(zhì)量大于50%的土為粗粒土。在粗粒土中，又分為礫類土和砂類土，2～60 mm之間的土為礫類土，0.075～2 mm之間的土為砂類土。粗粒土中砂類土質(zhì)量小于礫類土質(zhì)量的土為礫類土，反之為砂類土。由此可得，黃河泥沙屬于公路土中的砂類土。

由圖1可知，泥沙粒徑為0.25～2 mm時曲線走勢比較平緩，該粒徑范圍的泥沙質(zhì)量占比為5.1%;當粒徑小于0.25 mm時，曲線呈現(xiàn)陡直下降的特征，粒徑在0.075～0.25 mm范圍的泥沙質(zhì)量占比為68.1%，在泥沙級配中占主體。

土顆粒組成特征用土的級配指標不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc表示[10]。不均勻系數(shù)Cu反映粒徑分布曲線上的土粒分布范圍，按下式計算：

從圖1可知：d10=0.03 mm，d30=0.08 mm，d60=0.16 mm，計算得出Cu=5.33，Cc=1.33?！豆吠凉ぴ囼炓?guī)程》規(guī)定，當砂類土或礫類土同時滿足Cu≥5和Cc=1～3兩個條件時，稱為級配良好。由此可知，黃河泥沙為公路土中級配良好的砂類土，其級配組成滿足《公路路基設計規(guī)范》[11]，可以作為路基土使用。

3.2 最大干密度與最佳含水率分析

土工擊實試驗結(jié)果見表2，1～4號沙樣含水率與干密度的關系如圖2所示。

由表2可知，10組沙樣試驗的最大干密度范圍為1.62～1.65 g/cm3，均值為1.64 g/cm3，其對應的最佳含水率為14.0%～14.7%，可為路基填筑現(xiàn)場檢測壓實度提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 液塑限指數(shù)分析

液塑限聯(lián)合測定法測得沙樣的錐入深度（H）與含水率（W）關系見表3，根據(jù)試驗結(jié)果繪制的錐入深度與含水率的關系圖如圖3所示。

由圖3可知，黃河泥沙液限為29.5%，塑限為20.5%，塑性指數(shù)為9%，符合《公路路基設計規(guī)范》的規(guī)定“路基填料液限不大于50%、塑性指數(shù)不大于26%”，對照規(guī)范指標，黃河泥沙為低液限土，滿足路基填料的工程指標要求。

3.4 承載比指標分析

承載比試驗記錄見表4，單位壓力與貫入量關系曲線如圖4所示。

由表4和圖4可知，試驗貫入量為2.5 mm時的承載比為16.8%，貫入量為5 mm時的承載比為14.8%。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》規(guī)定，貫入量為2.5 mm時的承載比大于貫入量5 mm時的承載比，結(jié)果采用貫入量為2.5 mm時的承載比，即黃河泥沙的承載比為16.8%，符合《公路路基施工技術規(guī)范》[12]中高速公路及一級公路下路堤、上路堤、下路床與上路床填料承載比要求。

3.5 壓實度分析

經(jīng)過路基的層層鋪設與碾壓，對上路床30 cm厚度的土層與下路堤25 cm厚度的土層進行現(xiàn)場壓實度檢驗，結(jié)果見表5。

由表5可知：上路床土層4個測點的壓實度范圍為96.5%～98.3%，均值為97.2%，表明工地實際達到的干密度與最大干密度比值為97.2%，含水率也接近最佳含水率，土層的穩(wěn)定性良好，滿足設計要求（壓實度設計值為96%）;下路堤土層4個測點的壓實度范圍為93.3%～96.9%，均值為95.1%，滿足壓實度大于93%的設計要求。壓實度間接反映土層的含水率，由于黃河泥沙透水性好、黏結(jié)度小，含水率低時土層松散、承載力低，含水率過大容易造成彈簧、翻漿，因此黃河泥沙用于路基填筑時要注意掌握好壓實度。

3.6 討 論

室內(nèi)試驗結(jié)果表明黃河泥沙屬于公路土中級配良好的砂類土，雖然滿足《公路路基設計規(guī)范》對路基填料的要求，但從黃河泥沙篩分結(jié)果來看，含有較大比重的細沙，所以黃河泥沙在用于路基填筑時應注意掌握好壓實度，并且可以摻入石灰對土質(zhì)進行改良[13]，提高抗剪強度。

雖然將黃河泥沙應用于高速公路的路基填筑時壓實度滿足設計要求，但是公路的建設正處于施工階段，還未通車運行，應繼續(xù)對黃河泥沙在公路上的應用效果進行跟蹤評價，為黃河泥沙應用于公路路基填筑提供進一步的技術參考。

受坡降、流速、沖刷、人類活動等影響，黃河泥沙粒徑隨時空的變化有所差異[14]，本文只是對黃河下游泥沙進行室內(nèi)土工試驗和工程現(xiàn)場檢測，試驗結(jié)果滿足路基填料的相關規(guī)定與設計要求，如需利用黃河中上游泥沙，仍需進行公路土工試驗分析，探討是否滿足規(guī)范要求。

由于黃河泥沙質(zhì)地疏松，透水性好，黏結(jié)度小，因此在應用于公路路基填筑時要做好路基排水措施，盡量避免應用于多雨潮濕地區(qū)和地下水位過高地區(qū)。

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)公路土工試驗與應用黃河泥沙于長深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基現(xiàn)場檢測試驗，得到：黃河泥沙屬于公路土中級配良好的砂類土，液限為29.5%、塑性指數(shù)9%，承載比為16.8%，均符合《公路路基設計規(guī)范》與《公路路基施工技術規(guī)范》中路基填料的相關規(guī)定;路基應用效果檢測測得上路床壓實度均值為97.2%，滿足壓實度設計值為96%的要求;測得下路堤壓實度均值為95.1%，滿足壓實度設計值為93%的要求。結(jié)果表明黃河泥沙是一種良好的路基填筑材料，可以代替素土使用，不僅符合一般公路路基的填筑要求，而且可以作為高速公路的路基填料。

考慮到泥沙運輸?shù)馁M用，黃河泥沙可以用于近距離的公路及高速公路的路基填筑，泥沙價格較低，大規(guī)模利用黃河泥沙既可以降低公路及高速公路路基填筑成本，又可以減少黃河泥沙在周邊的淤積，減少周邊土地的沙化，改善周邊的生態(tài)環(huán)境，找到一條黃河泥沙的長久利用之道，實現(xiàn)黃河的健康、可持續(xù)發(fā)展。

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【責任編輯 張 帥】