南方湖區(qū)高速公路吹砂填筑路基關(guān)鍵技術(shù)研究

嚴(yán)黎

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司， 湖南 岳陽(yáng) 414000)

中國(guó)湖區(qū)、江河沿岸地區(qū)，地貌普遍為Ⅰ級(jí)堆積階地，地形平緩，路線位置多覆蓋淤泥質(zhì)土層，不利于路基填筑。如何利用湖泊河流中的砂料經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地填筑路基，堅(jiān)持資源節(jié)約、環(huán)境友好的建設(shè)原則成為公路建設(shè)中不得不面對(duì)的問(wèn)題。湖區(qū)公路建設(shè)中，路基吹砂填筑技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)。關(guān)于吹填砂路基質(zhì)量控制，由于沒(méi)有相關(guān)規(guī)范控制填筑和壓實(shí)質(zhì)量，采用吹砂填筑的路基承載力往往不夠，需采取強(qiáng)夯法進(jìn)行加固。采用吹填砂工藝填筑高等級(jí)公路路堤已在中國(guó)多個(gè)地區(qū)得到應(yīng)用，但大多修筑里程較短。此外，在包邊和封層土施工、邊坡防護(hù)、壓實(shí)及沉降控制等方面的研究還不夠成熟。針對(duì)這些技術(shù)問(wèn)題，該文結(jié)合實(shí)體工程修筑實(shí)踐，對(duì)吹填砂路基修筑關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 河砂性質(zhì)試驗(yàn)與應(yīng)用可行性分析

1.1 吹填河砂應(yīng)用要求

(1) 最大干密度的要求。含水量相同的情況下，若干密度較小，理論上通過(guò)較少的碾壓遍數(shù)就可達(dá)到壓實(shí)度要求，而實(shí)際情況往往是不能達(dá)到要求，影響路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；若干密度較大，則需消耗更多的人力、物力才能達(dá)到要求，不僅會(huì)延長(zhǎng)工期，還會(huì)造成工程成本增加。因此，在路基填筑時(shí)，特殊填料的砂應(yīng)參考相對(duì)密度，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度，作為評(píng)價(jià)填筑路基壓實(shí)度的依據(jù)。

(2) 河砂粗細(xì)及含泥量的要求。考慮吹填施工的難易程度，修筑高等級(jí)公路路堤的吹填砂應(yīng)以中、細(xì)砂為宜，如采用粉砂，則要嚴(yán)格控制最佳含水率，保證壓實(shí)質(zhì)量。含泥量(即細(xì)粒土、粉土、黏土含量)在填砂路基中會(huì)顯著影響砂的使用質(zhì)量，根據(jù)實(shí)體工程修筑實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，含泥量應(yīng)不大于15%。砂的含泥量較大，則水很難滲下去，在壓路機(jī)壓實(shí)作用下會(huì)使表層成為板體，導(dǎo)致作用力很難傳到下面。實(shí)際工程建設(shè)中應(yīng)對(duì)選取的河砂先進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定砂的物理性質(zhì)和含泥量。

1.2 實(shí)體工程河砂性質(zhì)試驗(yàn)分析

結(jié)合某湖區(qū)高速公路實(shí)體工程，對(duì)采用吹填砂的河流東支流和中支流進(jìn)行取樣，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)和篩分試驗(yàn)得出河砂的細(xì)度模數(shù)、最大干密度和最佳含水率，同時(shí)測(cè)試含泥量，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表2 河砂性質(zhì)應(yīng)用可行性分析論證

由表1～2可知：河流中支取樣的河砂含泥量為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、黏性小、保水能力差，控制粉砂的最佳含水率較困難，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。河流東支取樣的河砂含泥量為4.2%，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬于中砂，可用于吹填路基。

表1 河流取樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

2 湖區(qū)吹填路基施工技術(shù)與質(zhì)量控制

2.1 湖區(qū)吹填路基施工關(guān)鍵技術(shù)

湖區(qū)高速公路路基修筑中主要存在填料缺乏、沿線軟基較多的問(wèn)題，為解決填料缺乏的問(wèn)題，往往采用吹填砂路基進(jìn)行修筑，在軟基上修筑吹填砂路基面臨邊坡施工、沉降控制等技術(shù)問(wèn)題。

(1) 邊坡施工。受軟基工后沉降的影響，施工時(shí)邊坡坡度一般會(huì)比設(shè)計(jì)要求大，需著重研究路堤的穩(wěn)定性，施工邊坡坡度極限經(jīng)過(guò)計(jì)算路堤自身和地基的穩(wěn)定性得到。純砂的天然坡角等于內(nèi)摩擦角，而吹填砂內(nèi)部存在黏聚力，其坡比可達(dá)1∶1甚至1∶0.75。包邊土的厚度需包含軟土路基沉降的路堤加寬量，而且坡腳、坡頂需參照軟基處理工程數(shù)量進(jìn)行加寬。

(2) 封層土施工及沉降觀測(cè)。明確軟基路段封層土的填筑時(shí)間和位置是施工關(guān)鍵，可通過(guò)最終計(jì)算沉降和填土至封層土底標(biāo)高時(shí)的實(shí)測(cè)沉降來(lái)確定。假設(shè)計(jì)算最終沉降為S，填土至封層土底標(biāo)高的實(shí)測(cè)沉降為S1，兩者相差S-S1。由于路面施工后還會(huì)有10～30 cm沉降，封層土底標(biāo)高需比設(shè)計(jì)底標(biāo)高提高S-S1-30 cm?？紤]到吹填砂路基的特殊性，也可將上述值降低50 cm，也就是比設(shè)計(jì)底標(biāo)高增加S-S1-80 cm。

(3) 下封層和砂墊層施工。對(duì)于粉噴樁和管樁等軟基處理方法，可先鋪設(shè)透水土工布，再進(jìn)行黏土下封層施工。黏土下封層可設(shè)置4%向外的橫向排水坡度，然后實(shí)施砂墊層施工，完成后進(jìn)行吹填施工。軟基處理中的砂墊層可采用級(jí)配砂礫。采用塑料排水板處理軟基時(shí)，可直接鋪設(shè)50 cm砂墊層作為工作層，然后進(jìn)行吹填施工。吹填砂路基橫斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 軟基處吹填砂路基橫斷面設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

2.2 湖區(qū)吹填路基壓實(shí)控制技術(shù)

(1) 路基壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)。在吹填砂填筑路基施工中，壓實(shí)是非常重要的工序之一，壓實(shí)度是否合格是評(píng)定工程質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，要求路基填料均勻、密實(shí)，分層鋪筑、均勻壓實(shí)。對(duì)于吹填砂路基，為保證后期路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定，建議在路床部分采用黏性土填筑，路床填土壓實(shí)度及填料滿足表3的要求。若不能滿足要求，需及時(shí)進(jìn)行適當(dāng)處理或采取換填措施。

表3 吹填路基路床填筑壓實(shí)度及填料要求

(2) 吹填河砂擊實(shí)試驗(yàn)與壓實(shí)特性。先開(kāi)展擬吹填河砂擊實(shí)試驗(yàn)，確定取樣河砂的最大干密度、最佳含水量，確定吹填河砂的壓實(shí)特性，為確定合理的壓實(shí)工藝提供依據(jù)，也為碾壓完成后壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。擬吹填河砂取樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～3。由圖2～3可知：擬用于吹填的河流中支取樣河砂的最大干密度為1.706 g/m3，最佳含水量為13.6%；河流東支取樣河砂的最大干密度為1.945 g/m3，最佳含水量為12.3%。

圖2 湖區(qū)某河流中支取樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 湖區(qū)某河流東支取樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

(3) 填砂路基壓實(shí)度檢測(cè)。路基填筑過(guò)程中，采用灌水法對(duì)下路堤吹填砂路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：下路堤吹填砂路基壓實(shí)度為92.37%～94.65%，基本滿足公路路基下路堤壓實(shí)度要求。

表4 吹填砂路基壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

2.3 湖區(qū)吹填路基穩(wěn)定性分析與控制

(1) 邊坡穩(wěn)定性分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)黏土與砂土的c值和φ值，采用LAC/SLOPE軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和控制。對(duì)于吹填高度較大的路堤，如計(jì)算結(jié)果顯示邊坡不穩(wěn)定，則每隔2 m左右厚度加一層土工格柵，加強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。若路基失穩(wěn)，則根據(jù)不同表現(xiàn)形式采取相應(yīng)措施：若為坡頂塌陷，則重新反挖包邊土，換填包邊土并加強(qiáng)包邊土與砂袋間結(jié)合部的處理，同時(shí)加強(qiáng)邊坡的工程防護(hù)；若坡面塌陷，可采用放緩邊坡坡比的措施，如難以實(shí)現(xiàn)，則加強(qiáng)防護(hù)工程；若路基塌陷，則重新開(kāi)挖并進(jìn)行填土或填砂修筑。

(2) 沉降及水平位移觀測(cè)。吹填時(shí)，需及時(shí)觀測(cè)和記錄沉降和位移，要求地基抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)的固結(jié)時(shí)間大于填筑路基時(shí)間。填筑速度分為3個(gè)等級(jí)，分別為極限高度以下、極限高度～極限高度以上2 m、極限高度2 m以上。極限高度以下：加快填筑速度，爭(zhēng)取固結(jié)時(shí)間。極限高度～極限高度以上2 m：路基中心的表面沉降速率宜控制在15 mm/d以內(nèi)，坡腳處的側(cè)向位移宜控制在8 mm/d以內(nèi)。極限高度2 m以上：路基中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以內(nèi)，坡腳處的側(cè)向位移宜控制在5 mm/d以內(nèi)。單級(jí)孔壓系數(shù)(各級(jí)加載的孔隙水壓力增量與荷載增量之比)小于0.6，綜合孔壓系數(shù)小于0.4。

3 湖區(qū)公路吹填路基邊坡防護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益

3.1 邊坡防護(hù)方案設(shè)計(jì)

吹填砂路堤包邊外邊坡采取植物防護(hù)與工程防護(hù)結(jié)合的方式。考慮到填筑路基周期較長(zhǎng)，為保證每層填土寬度和厚度，并避免雨水沖刷邊坡導(dǎo)致泥沙流失破壞農(nóng)田，吹填過(guò)程中對(duì)路基邊坡進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)。編織袋按設(shè)計(jì)坡度打磨，每層堆高40～50 cm，起到臨時(shí)防護(hù)作用，可避免邊坡被降雨沖刷，保證路基的穩(wěn)定性。

某湖區(qū)高速公路修筑中，設(shè)計(jì)4種邊坡防護(hù)方案(見(jiàn)圖4～7)，通過(guò)試驗(yàn)路修筑驗(yàn)證其合理性。

圖4 拱形骨架襯砌內(nèi)植草護(hù)坡平面示意圖(方案一)

圖5 六邊形空(實(shí))心預(yù)制砼塊護(hù)坡平面示意圖(方案二)

圖6 噴播草護(hù)坡示意圖(方案三，單位：cm)

圖7 魚(yú)塘及河流護(hù)坡平面示意圖(方案四)

上述4種方案環(huán)保又穩(wěn)定且都與自然和諧統(tǒng)一，其中：方案二的六邊形空洞處可填土植草，且綠化部分為重復(fù)的排列有序的標(biāo)準(zhǔn)六邊形，可改善、美化環(huán)境；預(yù)制塊外側(cè)做成斜面，鋪砌時(shí)可形成縱橫相通的預(yù)留縫，可對(duì)坡面進(jìn)行自由散水、排水，達(dá)到防沖刷的目的；為保證填砂路堤安全，方案二和方案四中的預(yù)制塊之間設(shè)為黏結(jié)，加強(qiáng)預(yù)制塊護(hù)坡的整體性，形成整體強(qiáng)度。具體方案選取視實(shí)際情況而定。

3.2 吹填砂填筑路基的經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)吹填段如果進(jìn)行常規(guī)的填筑土施工，為選取合格的填筑土，需遠(yuǎn)距離取土，會(huì)給當(dāng)?shù)亟煌◣?lái)不利影響，且效率低、造價(jià)高。選用河道中取砂礫吹填的方法，可解決選調(diào)土造成的交通影響，還可疏通河道，帶來(lái)良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。表5為不同填筑方式的經(jīng)濟(jì)效益比較。

表5 不同填筑方式的經(jīng)濟(jì)效益比較

由表5可知：吹填砂的平均填筑距離為2 km左右，吹填成本為25元/m3左右。擬吹填段除封層土和包邊土外的填方量約為400萬(wàn)m3，填土路基約40元/m3(平均運(yùn)距為15 km)，與一般填筑土施工相比，吹填砂填筑通過(guò)控制材料就能節(jié)約近6 000 萬(wàn)元。此外，砂礫取材方便、運(yùn)輸簡(jiǎn)潔，可提高施工進(jìn)度，節(jié)約工期，這也可大幅度降低工程造價(jià)。

4 結(jié)論

(1) 用于吹填的河砂樣品一的含泥量為5.4%，細(xì)度模數(shù)為0.9，屬于粉砂；樣品二的含泥量為4.2%，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬于中砂。二者均可用于吹填路基。但粉砂施工時(shí)要嚴(yán)格控制砂的含水量，保證壓實(shí)質(zhì)量。

(2) 為確保吹填砂路基封層土的設(shè)計(jì)厚度，軟基路段封層土的底標(biāo)高比設(shè)計(jì)底標(biāo)高提高S-S1-80 cm；對(duì)于加樁基處理的軟基，應(yīng)先鋪設(shè)透水土工布，再施工下封層、砂墊層，最后進(jìn)行吹填施工，沉降和水平位移觀測(cè)采用三級(jí)控制。

(3) 吹填砂路基包邊土的外邊坡采用植物防護(hù)與工程防護(hù)結(jié)合的方式，并充分考慮邊坡的抗沖刷能力、安全與穩(wěn)定性。邊坡的穩(wěn)定性采用LAC/SLOPE進(jìn)行計(jì)算和分析。

(4) 結(jié)合實(shí)體工程修筑實(shí)踐，測(cè)試吹填砂路基的壓實(shí)度，均滿足求。湖區(qū)吹填砂路基的成本在25元/m3左右，相比于湖區(qū)填土修筑路基可大大節(jié)約成本和工期。