基于黏土包邊的填砂路基技術在高速公路中的應用

趙曉輝

（河北省交通運輸綜合執(zhí)法監(jiān)督局，河北 石家莊 050000）

0 引言

在高速公路路基填筑施工項目中，中粗砂作為一種較易保證施工質量的填筑材料，具有性能穩(wěn)定高、與水混合后易擠壓密實、完工后沉降小等應用優(yōu)勢，但同時也存在一些缺陷，例如施工過程中較易失水且失水后骨料的黏性較差、應用時易發(fā)生松散現象等。但在具體實踐中，如果某高速公路施工路段所在地區(qū)存在土料資源緊張而砂資源豐富的情況時，則中粗砂可作為一種因地制宜的當地材料，能夠在路基填筑中得到較為理想的應用，體現就地取材的應用優(yōu)勢。本文即以某高速公路項目為例，針對當地土料資源不足而中砂資源易于獲取的特點，將中粗砂作為高速公路路基填筑原料，同時利用黏土材料對路基頂部兩邊開展封層和封邊處理，從而實現黏土與填砂路基的結合應用，有效保證高速公路路基的施工質量。

1 工程概況

某高速公路項目設計為雙向六車道，采用瀝青混凝土路面，整體寬度為31.5m，公路設計速度為120km/h。其中，該高速公路某標段全長約50km，建設內容包括道路、橋梁、箱涵、互通立交以及服務區(qū)等，主要采取填方路基，填方高度約為2.1～9.5m。該標段區(qū)間沿線分布大量的農田，沿線地質以粉土、粉砂和黃土為主，局部存在軟土、濕陷性黃土的不良地質。部分區(qū)段可用土料非常稀少，而該項目標段的填方工程量大，沿途土料遠不能滿足路基填筑需求。經現場勘查分析，距離該項目路段約為4km 位置處為一較大的河灘，周邊砂資源較為豐富，可作為該高速公路填方路基的填筑材料。

2 填砂路基施工技術特點

2.1 受雨季干擾較小、連續(xù)作業(yè)

對于降雨量較大或土料較為貧瘠的項目地段，當公路設計為填砂路基時，能夠有效降低施工路段抽排水所需要投入的人力和器材成本。在實際施工過程中，壓路機、自卸車以及推土機等器械設備基本不受雨季不良條件的影響，施工效率較高，空置率低，能有效保證大型施工機械連續(xù)作業(yè)。

2.2 節(jié)省資源、保護環(huán)境

針對河灘較大的砂資源，將其作為高速公路的填方原料合理進行資源化利用，實現就地取材，既便于施工時材料運輸，也充分避免了對周邊耕地環(huán)境和相關植被的破壞，利于環(huán)境保護目標的實現。

2.3 施工效率高、工期節(jié)省

對于中粗砂材料而言，其一般具有較大的滲透系數，在灌水程度大于相應最佳含水量的條件下，可通過靜置滲透約2h，而后當砂表面未液化和松散時，對其開展碾壓處理便能獲得最大的壓實程度。相比黏土材質，中粗砂在填筑施工過程中不需要嚴格把控含水率，非常便于路基填筑施工，提升工效，縮短工期。

3 填砂路基施工原理

將中粗砂用于路基填筑時，一般采取灌水結合壓路機碾壓的綜合方案。其技術原理是基于砂體較大的滲透系數，通過灌水并靜置約2h 的方式使其進行自然密實，然后在砂體表面未液化及不松散的情況下開展碾壓操作，伴隨著水分的下滲排出，砂體材料中的大顆粒物質相互擠壓嵌入后成為結實的骨架，同時，水分的下滲過程中，細小顆粒砂體不斷流動并一定程度上填充了大顆粒間的孔隙，從而進一步促進砂質路基整體的壓實程度得到提升。另外，當后續(xù)填砂過程中的灌水工藝再次進行時，水的下滲能進一步提升已完成填筑砂體路基的密實度，提升整體穩(wěn)定性。

在施工前應測定砂體的干密度，一般采取滲透擊實法或重型擊實法確定干密度與含水量的函數關系，本文經試驗，發(fā)現通過滲透擊實法確定的最大干密度為1.92g/m3，后者確定的數值則為1.85g/m3，考慮現場實際情況和試驗可靠性，經分析，本文綜合確定最大干密度數據為1.92g/m3。

4 填砂路基施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

圖1 填砂路基施工工藝流程圖

5 填砂路基施工方法

5.1 施工準備

5.1.1 砂最大干密度試驗

為確定砂的最大干密度，往往采用滲透擊實法或重型擊實法進行確定，但兩方案試驗時的水分均不易排出，擊實過程與工程實際情況有較大出入。在實際中，砂是透水性較好的材料，其中含有水分時，砂在被碾壓過程中水分將會向下滲透，而試驗方案中的水分無法向外滲透。故而，現場碾壓后在填砂密實條件下的最佳含水率與室內試驗方案存在差異，且相關數據有較大的離散性。

考慮上述情況，即通過室內試驗方法確定的最大干密度存在與實際情況不符且數據離散性較大的弊端，本次項目擬對實際施工條件進行模擬分析，基于上述的重型擊實試驗工況進行改善和優(yōu)化，從而確定出新型的基于中粗砂滲透擊實法的最大干密度測定模型，其基本原理主要如下：

對傳統(tǒng)土工試驗裝置進行適應性改造，將內徑152mm 的試筒底部均勻開設直徑1mm 的小孔，共計14個，試筒高度為152mm，壁厚約為10mm，再利用標準砂灌砂法進行試筒的體積測試，數據取為V。之后再試筒底部鋪設2 張濾紙，并通過手動擊實儀將試筒擊滿，過程中分3次進行。擊實前在砂層頂面上放置一塊鋼墊板，每層進行98 次擊實操作，使水在擊實作用下下滲排出。擊實完成后稱取砂濕重，記為M，再對其烘干，獲得其擊實后的含水率，記為ω，最后計算求得不同含水率擊實后的干密度ρd數值，如式（1）所示：

式中：ρd為擊實后試樣的干密度（g/cm3）；M為砂濕重（g）；V為擊實筒容積（cm3）；ω為擊實后的含水率（%）；

現場進行樣品選取，烘干砂體，并按方案配制不同含水率的砂樣，共計11 組，含水率級差為2%。稱取砂樣后，依次進行滲透擊實法和重型擊實法試驗（作為對照），分別獲得相應的含水率與最佳干密度函數曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 基于滲透擊實法的函數曲線

圖3 基于重型擊實法的函數曲線

5.1.2 軟基處理

開展路基填砂施工之前，對涉及的軟基區(qū)域實施加固處理，具體為：

（1）對于農田地段，將表層種植土清除干凈，主要措施為平地機結合壓路機，前者刮平表土，后者進行碾壓處理，平均清除厚度約60cm直至硬土為止。

（2）對于魚塘地段，平均清淤厚度約為80cm 直至硬土為止，主要措施為先行圍堰，范圍至路基坡腳外側，抽取內部積水后對淤泥進行清除，借助推土機和接駁車將淤泥外運。當淤泥厚度非常厚，甚至達3.5m的區(qū)域，可采用拋石擠淤法進行處理，粒徑約為40cm，完成后進行承載力測試。在后期砂料填筑前，以黏土將拋石表面填平擠壓密實，厚度為30cm，避免填砂路基中的水從拋石縫隙間滲透后導致砂粒流失。

5.1.3 基底壓實

在高速公路軟基加固結束后，采用壓路機開展碾壓施工，噸位為20t，順序為先兩側后中間，且根據從低到高的方法碾壓，確保路基基底壓實度不少于90%，保證承載力要求。

5.1.4 臨時排水設施

對于填砂路基中多余的水，為將其順利排除出路基外，擬在砂土交界位置布設PVC 排水盲管，直徑為100mm，向路基外側傾斜為3%，以土工織物和過濾層包裹管口。同時，在路基坡腳外側增設排水溝，位置離開坡腳約為2m，尺寸為1m×0.9m。結合當地實際地形進行排水溝縱坡布置，保證溝內水體順利排至外部水塘。

5.2 填砂和封邊土施工程序

對于本文高速公路路基兩側和頂面部位，擬采取土料進行封邊，具體方法包括下面兩種。

（1）方案一：先填砂、后填包封土。該方法實施時，先將砂芯填筑完成于路基中間處，對砂芯兩邊進行包土修坡處理，并盡量整形成為臺階狀，后采取從下往上的順序分層填筑土料并包邊。在實踐中，該方法的特色體現為：砂料和土料分別施工，互不干涉，整體工效高，且過程中能形成流水作業(yè)模式，結合處能得到充分碾壓，密實度較好。對于多雨條件下，則應重視施工組織的合理性，充分利用天氣晴好時間進行黏土封邊施工。

（2）方案二：先填封邊土、后填砂。采取先施工封邊黏土，再進行路基填砂施工時，需要在兩側封邊土填至50cm后對內部進行修坡處理，呈現為小臺階后再分層填筑砂料，通過壓路機沿砂土邊沿開展碾壓操作。

對比分析上述兩種可知，方案一能充分發(fā)揮大型土方機械的填筑優(yōu)勢，且能流水開展封邊施工，利于砂料充足條件下的工效提升。實踐中，兩側封邊土寬為2m，頂面封邊土厚45cm，松鋪厚為30cm，通過小型機械開展攤鋪和碾壓等操作。

5.3 填砂路基施工

5.3.1 填砂厚度

在路基填砂施工中，首層厚度不宜過薄，以免在大型車輛荷載下發(fā)生塑性變形，引起陷車。實踐中，首層砂厚可取為80cm，其余層厚不超過60cm。

5.3.2 砂料運輸

在進行填筑前，先根據分層填筑段的面積和松鋪厚獲得體積量，再按照自卸車的運量根據網格線依次卸料、攤鋪。對于已經完成路基填筑的區(qū)域，對頂部應適時灑水保持一定的砂層含水量，一旦出現車轍跡象，則應及時采取推土機碾平。自卸車應當按照既定路線停于相應位置卸料。考慮砂料顆粒之間內摩擦角較低，運輸時應盡量避免車輛掉頭對已成型填砂路基下部結構的不利影響。

5.3.3 砂料平整

砂料卸載后，根據中間低、兩邊高的順序進行攤鋪和整平，先以推土機控制土料呈鍋底形，再以平地機進行精修坡，保證橫坡為1.5%～2.0%。

5.3.4 灌水碾壓

砂料平整后開展灌水工作，再靜置約2h，使水充分下滲并帶動砂顆粒自然密實。然后在最佳碾壓含水率狀態(tài)下開展碾壓操作，先兩側再中間，按照2 遍靜壓+2 遍振動碾壓+2 遍靜壓的順序進行操作。初始碾壓速度約為1.5km/h，后逐步增為2km/h，輪跡重疊范圍不大于輪寬的1/3。

5.4 構造物和溝槽回填

路基主體填筑施工完成后，對相應范圍內的檢查井、箱涵等構造物及溝槽進行回填處理，并分層嚴格控制施工壓實度。填筑時兩邊宜對稱進行，高差不大于30cm?；靥钸^程中對每層完工后的成型結構進行灑水并夯實。溝槽回填至頂部50cm 后進行灌水，再以振搗棒實施振搗，通過水夯法保證密實度。

6 結論

（1）對于高速公路的路基填筑施工，應當根據項目周邊環(huán)境和實際條件，因地制宜地選取填筑材料。本項目基于砂料資源豐富的現狀，對高速公路路基采取填砂路基結合黏土封邊的方案，有效保證了施工質量和經濟效益。

（2）在填砂路基施工過程中，鑒于砂體較大的滲透系數，能較好地適應雨季期間的施工，能充分發(fā)揮流水作業(yè)的優(yōu)勢，受降雨影響小，有效提升工效，節(jié)約施工周期。

（3）填砂路基施工狀況較為靈活，操作便捷，能充分發(fā)揮大型機械的效能。借助于砂料良好的滲透性能，通過灌水法能有效保證砂體的沉積密度，大幅提高填砂路基的施工質量。同時，填砂路基不必嚴格控制含水量，相較于黏土材料，省去了含水量控制所需的翻松或晾曬環(huán)節(jié)，大幅加快工程進度。

（4）對于填砂路基而言，分層回填厚度可大幅提高，一般可取為60cm，大幅提升工效。同時，相比傳統(tǒng)的土料回填，每層砂體回填后的碾壓次數平均能減少3次左右，在有效保證路基施工質量的基礎上，充分發(fā)揮了大型機械的優(yōu)勢，提升利用率，節(jié)約成本。