長江細砂路用性能分析及路基斷面設計與施工技術研究

蔡惠華

（中交第三航務工程局有限公司南京分公司，江蘇南京 210000）

引言

長江中下游某城市道路建設工程需路基填方約20 萬方，但該項目90 %路段位于長江北岸一級地段，地勢低洼，河網(wǎng)密布，路線周邊都是基本農(nóng)田，若所需路基填方全在當?shù)厝⊥?，一方面將造成基本農(nóng)田的嚴重破壞，另一方面當?shù)赝猎春枯^高，經(jīng)對開挖土方進行檢測，其含水量為28 %左右，通過“路基填土含水率試驗”，即將土樣置于平均溫度設定為28 ℃的烘箱，并24 h 工作，經(jīng)連續(xù)測量72 h 后，土樣含水量達到規(guī)范允許范圍，以此推算，現(xiàn)場自然晾曬風干需要6 d 時間，且必須連續(xù)6 d天氣晴好。通過調(diào)查工程所在地近三年天氣情況及每月雨水分布情況，每年雨天和陰天的總量占到全年總天數(shù)的一半以上，且每月的雨天并非一直連續(xù)下雨十多天，基本都是下2～3 d 雨，多云3～4 d，連續(xù)的晴好天氣非常少，即采用自然翻曬、原狀土填筑的條件非常不利。若路基填筑過程中全部采用原狀土晾曬回填，將造成工期無限期拖延。

近年來，在我國西部地區(qū)公路建設中，開展了以風積沙為路基填料的研究，并逐漸認可風積沙是一種很好的筑路材料[1]。在國外也早有用海沙、河沙以及風積沙等作為筑路材料的案例，且相當成功。因此，對該項目而言，因地制宜采用長江細砂作為路基填料，既可以保護生態(tài)環(huán)境，也可以有效推進工程的順利開展，但同時也是一個大膽的嘗試，與應用相對成熟的風積沙相比較，長江細砂在顆粒組成、粒徑、及級配等方面都有一定的區(qū)別，作為路基填料的話，填砂路基的穩(wěn)定性及如何確定其路用性能，并采取一套可靠的施工工藝確保其施工質(zhì)量是非常值得研究的技術課題。

1 路基斷面形式與穩(wěn)定性分析

1.1 路基斷面形式設計

常見的路基填砂斷面形式為路基中部填砂，兩側(cè)做包邊土處理，包邊土的形式有平行四邊形、梯形等，其中平行四邊形的優(yōu)點是施工簡便，可順序作業(yè)，能最大限度地利用細砂，缺點是包邊土與中部細砂分界線位置的壓實度不宜控制；梯形的優(yōu)點是包邊土較厚，與細砂分界線位置易壓實，缺點是細砂利用率低。

該項目路基中部填砂采取兩種方式，原地面以下采取直槽開挖，利用原土作為包邊土，原地面以上采用直角梯形包邊土形式，以充分利用細砂資源，并達到最佳壓實效果，斷面形式如圖1 所示。

圖1 項目路基填砂斷面圖Fig.1 Project subgrade sand filling profile

1.2 路基穩(wěn)定性分析

填砂路基先施工中部細砂，然后在路基兩側(cè)攤鋪石灰土，細砂與包邊土跨縫同步碾壓至設計強度，包邊土為上窄下寬的直角梯形，高度30 cm，邊坡坡度為1:1.5，詳細參數(shù)如表1 所示。

表1 計算模型各項參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Calculate the model parameters statistical table

穩(wěn)定性分析時可視包邊土為一個重力式擋土墻[2]，計算模型如圖2 所示，并按下式驗算抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性。

圖2 穩(wěn)定性驗算模型圖Fig.2 Stability checking model diagram

1）抗滑驗算：

其中：c1為包邊土的黏聚力；c2為細砂的黏聚力，一般取0；主動土壓力b為包邊土寬度，計算時取1 m。

代入式中：

抗滑穩(wěn)定性：FS≥1.3，滿足要求。

2）抗傾覆驗算：

抗傾覆穩(wěn)定性：Fc≥1.5，滿足要求。

2 指標檢測與性能分析

2.1 原材料檢測

參照土的試驗項目分別對取自長江沿岸三個具有代表性料場的細砂進行篩分、液限、塑限、天然含水率、CBR 值及有機質(zhì)含量等試驗，并統(tǒng)計結果如表2 所示。

表2 原材料檢測結果Tab.2 Raw material test result

根據(jù)統(tǒng)計結果分析可知：

1）細砂的顆粒粒徑在在0.075～0.3 mm 之間 的占90 %以上，依據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2011）[3]對砂土的分類標準，本項目長江細砂屬于細砂。經(jīng)計算其不均勻系數(shù) Cu=d60/d10=0.3/0.075=4，結果小于5，表明細砂的粒徑比較單一，級配不良；

2）細砂屬低液限砂土；

3）細砂表現(xiàn)出較高的CBR 值，滿足《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2019）[4]和設計圖紙對路基填料CBR 值的要求；

4）細砂的平均含泥量為2.42 %，有機質(zhì)含量＜5 %，均滿足規(guī)范要求。

2.2 擊實試驗

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）有關擊實試驗的相關要求[5]，采用小筒重型的方法測試長江細砂的最大干密度和最佳含水量，經(jīng)多次試驗，取得了一系列的試驗數(shù)據(jù)，但試驗結果不是很穩(wěn)定，從中選擇具有代表性的三組數(shù)據(jù)，繪制不同含水率時所對應的干密度曲線如圖3 所示，并得出如下結論：

圖3 不同含水率時所對應的干密度曲線Fig.3 Dry density curve corresponding to different moisture content

1）樣品A 的干密度曲線有兩個波峰，即含水量W 在8 %時，對應的干密度峰值為1.64 g/cm3，含水量 W 在 13 %時，對應的干密度峰值為 1.65 g/cm3，說明樣品A 在含水量分別為8 %和13 %時進行壓實，均可達到理想的壓實效果；

2）樣品B 和 C 均表現(xiàn)為單峰特性，即樣品B在含水量W 為11 %時，對應的干密度峰值為 1.68 g/cm3，樣品C 在含水量W 為11 %時，對應的干密度峰值為1.62 g/cm3。

2.3 路用性能分析

1）粒徑對路基強度的影響

砂的級配與粒徑對砂的抗剪強度和液化性能均有一定的影響，有研究表明，顆粒級配不良的砂具有較強的抗液化的能力，在施工振動作用下，不宜發(fā)生砂的液化和顆粒的破碎，達到一定的壓實度后，也具有很高的抗剪強度[6]。可見，本項目細砂雖然顆粒極細，粒徑較為單一，級配不良，不是首選的路基填筑材料，但作為路基填料時，上述效果可得到有效發(fā)揮。

2）最大干密度對施工的影響

壓實度結果是否正確與最大干密度的取值有很大關系，取值偏小，極易達到壓實要求，但實際壓實度不足，取值偏大，需要較多的碾壓才能達到壓實要求，甚至達不到壓實要求。經(jīng)分析對比本項目擊實試驗數(shù)據(jù)，三種樣品的干密度的變化范圍都不大，當細砂含水量W 達到11 %之后，干密度變化僅為3 %左右，這表明長江細砂的最大干密度受含水量影響不大，且具有一定的持水能力，為使長江細砂達到最佳壓實效果，碾壓時的最佳含水量可控制在11 %～13 %。

3）含水量對壓實效果的影響

長江細砂作為路基填料進行壓實時，適當?shù)暮靠墒辜毶霸谡駝記_擊和孔隙水的潤滑作用下，密實度逐步增加，并在最佳含水量時達到最佳壓實效果，但含水量進一步增加時，孔隙間的自由水會降低壓實功效，可見細砂含水量的大小對路基壓實效果的影響很大。本項目長江細砂實測天然含水率在15.3 %，雖然比最佳含水量大一些，由于其屬于顆粒均勻的低液限砂土，塑性指數(shù)低、粘性小，雖然有一定的持水能力，但外界因素的影響極易造成失水，施工過程中應做好各道工序的銜接，縮短施工時間，并加強填料的含水量檢測與控制，以達到最佳的壓實效果。

3 工程應用

3.1 工藝參數(shù)確定及檢測

1）運輸布料

選用東風153 后橋10 t 級自卸車進行運輸試驗，結果表明這種車型在處理后的基底可以正常運輸布料，在碾壓成型后的砂層上載重行駛時，雖然會形成的14～16 cm 車轍，但不影響運輸布料[7]，施工時還需盡量采取倒車進入填筑區(qū)，減少在砂層上的調(diào)頭次數(shù)。

2）攤鋪初平

根據(jù)該項目填砂路基的特點，采取作業(yè)段內(nèi)一次填筑完成的施工方式，所謂一次填筑完成，并非全高60 cm 的砂一次填筑到位，然后碾壓完成。一次填筑也需分層施工，為防止表面填筑層失水、松散，應較好地控制分層施工的間隔時間，將作業(yè)區(qū)段內(nèi)的60 cm 砂分層在一個作業(yè)班組內(nèi)連續(xù)地填筑完成，并及時覆蓋一層改良土。由于砂的粘聚力小，攤鋪采用T140-1 的推土機，整平采用PY180 平地機。經(jīng)綜合考慮運砂車輛的運輸能力、機械設備的配置和調(diào)度能力及接管灑水的能力，路基填砂作業(yè)長度控制在100 m。

通過在K4+730～K4+850 段進行松鋪系數(shù)試驗，即按虛鋪厚度25 cm、35 cm、45 cm，分別進行填砂作業(yè)40 m 后，進行沉降量和壓實系數(shù)的觀測與分析，具體結果如圖4、5 所示，根據(jù)試驗結果，考慮機械設備在施工過程中對測點的影響，計算得松鋪系數(shù)的去尾平均值為1.17，松鋪厚度為 35 cm。

圖4 沉降量試驗結果Fig.4 Settlement test results

圖5 壓實系數(shù)試驗結果Fig.5 Compaction coefficient test results

3）碾壓檢測

碾壓工藝選用11 t、13 t兩種光輪壓路機和16 t、22 t、24 t 三種振動壓路機進行試驗，先采用光輪壓路機靜壓2 遍，再用振動壓路機振動碾壓2～6 遍，然后用振動壓路機靜壓2 遍，最后進行壓實度檢 測[8]。經(jīng)統(tǒng)計分析不同工況下的壓實情況得出如下結論：

①無論采取何種機械搭配，壓實度與壓實遍數(shù)的關系呈正比，在振動碾壓前4 遍中，壓實度變化較大，后續(xù)碾壓的壓實度值變化較小，從施工角度出發(fā)，總體碾壓8 遍是最經(jīng)濟的壓實遍數(shù)；

②初始靜壓的壓實度區(qū)別不是很大，雖然采用DD-130 壓路機比采用DD-110 壓路機的壓實度略高，但不能影響路基最終的壓實度，因此，初始靜壓采用DD-110 壓路機較為經(jīng)濟；

③振動碾壓的壓實度有合格與不合格之分，說明采用YZ16JC 壓路機振動碾壓的壓實效果不是很理想，不能達到設計要求，而采用YZ20JC 壓路機和YZ24JC 壓路機振動碾壓的壓實度，均能達到設計要求，但兩者之間的壓實度提高率不是很大，因此，振動碾壓采用YZ20JC 壓路機較為經(jīng)濟。

填砂路基施工結束，并完成試驗檢測后，分析可知作為過度層的下部30 cm 填砂層的檢測壓實度有個別段落不能達到規(guī)范要求，其原因可能為局部基底承載力不足，導致填砂層形成不了壓實度，但經(jīng)過第二層砂的處理，路基頂層的壓實度滿足要求，可見該項目通過試驗確定的工藝參數(shù)是合理的，同時將填砂層的第一層作為過度段是可行的。

3.2 沉降觀測

根據(jù)沉降觀測的目的及相關的設計標準、規(guī)范的要求，結合其它高等級公路路基沉降觀測經(jīng)驗[9]，對填砂路基的基礎處理層和頂層分別進行沉降觀測，并統(tǒng)計監(jiān)測結果后，通過對基礎處理層和填砂頂層沉降觀測曲線圖對比、分析可知。

1）在路基填筑期，雖然累計沉降觀測曲線較陡，但單次沉降量觀測值均在10 mm 以內(nèi)，滿足日沉降量小于10 mm/d 的要求，說明填砂路基在填筑期無失穩(wěn)特征，按此流程進行路基填筑是可行的；

2）對比兩個沉降曲線的沉降量值，填砂頂層的累計沉降量值為60 mm，比基礎處理層的累計沉降量平均大15 mm 左右，說明長江細砂路基工后的壓縮變形較小，大部分沉降量為深厚軟基在荷載作用下產(chǎn)生的[10]；

3）路基填筑期沉降量較大，待填筑完底基層第一層灰土后，進行為期一個月的觀測時，其沉降速率呈遞減之勢，逐漸趨于穩(wěn)定，采用10 %灰土進行沉降補償后，可進行路面水穩(wěn)和瀝青的攤鋪；

4）瀝青路面完成后，連續(xù)三個月的月沉降量均小于3 mm，說明填砂路基的沉降變形值在可控范圍之內(nèi)。

4 結語

長江細砂雖粒徑單一，級配不良，但其CBR值、含泥量、有機質(zhì)含量均滿足規(guī)范要求，通過施工過程中有效控制最佳含水量，并采用合適的填砂施工工藝，可使長江細砂發(fā)揮良好的路用性能，但其可復制性較差，類似工程將長江細砂作為道路路基填料時，需進一步試驗分析、總結應用。