鹽漬土地基風(fēng)積沙換填技術(shù)應(yīng)用研究

王 博

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

風(fēng)積沙是沙漠地區(qū)的沙被風(fēng)沙流搬移形成沙丘而產(chǎn)生的，具有水穩(wěn)定性好、沉降均勻、受季節(jié)影響小等特點(diǎn)［1］。我國新疆地區(qū)風(fēng)積沙儲量豐富，取材方便，利用風(fēng)積沙填筑路基既可以治理沙害，還可以變廢為寶，解決路基填料的難題，是一種性價(jià)比較高的路基處治的方法［2］。目前，利用風(fēng)積沙改造路基應(yīng)用廣泛，但相關(guān)理論還缺乏系統(tǒng)性。新疆G216線五彩灣至大黃山段高速公路穿越古爾班通古特沙漠，存在大量的風(fēng)積沙路段和鹽漬土路段，可利用風(fēng)積沙填筑路基隔斷路基鹽分上升，避免鹽漬土路基出現(xiàn)翻漿失穩(wěn)、路面龜裂、溶陷等公路病害，從而達(dá)到合理選材、節(jié)約工程造價(jià)、保護(hù)環(huán)境的目的［3］。本文對該鹽漬土地基風(fēng)積沙換填技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程地質(zhì)概況

G216線五彩灣至大黃山段高速公路主線全長96．31km，其中五彩灣至沙洲生態(tài)園段（K476＋500～K516＋800）穿越古爾班通古特沙漠東部。該區(qū)域的沙丘多數(shù)為固定、半固定沙丘，半固定沙丘達(dá)15%～25%，沙丘多呈北西向310°～330°展布的壟狀、鏈狀及少量新月狀沙丘，在壟狀沙丘之間存在同向的風(fēng)蝕洼地。地層主要為第四系風(fēng)積相的細(xì)砂、中砂、粉土等，松散～稍密，地基承載力基本容許值為150～250 kPa。

研究區(qū)域沿線大部分段落有石膏、芒硝結(jié)晶和泛鹽痕跡，地表蓬松，泛白，耐堿植物較多。地基土鹽漬土分類主要為氯鹽、亞氯鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽。地表主要以中鹽漬土為主，鹽漬化程度較重。該地區(qū)鹽漬土按成因方式不同可劃分為兩類：一類為地下水毛細(xì)水蒸發(fā)產(chǎn)生的鹽漬土；另一類為洪積鹽漬土。

2 風(fēng)積沙的技術(shù)特性

風(fēng)積沙主要由巖屑、長石和石英三種顆粒組成，其總含量一般達(dá)90%以上。風(fēng)積沙顆粒組成很細(xì)且單一均勻，粘聚力很小，保水性較差，易溶鹽含量少，呈微堿性，本身無腐蝕性，壓縮變形小，在保水狀態(tài)下最易壓實(shí)，主要特征為［4］：

（1）透水性好。風(fēng)積沙顆粒細(xì)且均勻，其滲透系數(shù)一般為0．75×10－3～1．1×10－3cm／s，具有良好的透水性，沙粒表面對水幾乎沒有物理吸附作用，使沙漠表層土常處于干燥狀態(tài)。

（2）沉降均勻。風(fēng)積沙顆粒均勻性好并且具有良好的透水性，所以使用風(fēng)積沙換填的路基沉降均勻。

（3）不易形成整體。風(fēng)積沙屬砂性土，受風(fēng)蝕作用顆粒被磨圓，顆粒間粘結(jié)力差，在施工時(shí)不易形成整體。

（4）壓實(shí)效果好。風(fēng)積沙在壓路機(jī)振動力的作用下，顆粒自身重力作用能夠克服顆粒之間的內(nèi)摩擦力和粘結(jié)力，可達(dá)到較高的密實(shí)度［5］。

經(jīng)現(xiàn)場勘測和試驗(yàn)，得到古爾班通古特沙漠風(fēng)積沙的力學(xué)特性和技術(shù)指標(biāo)：顏色為淡黃色，礦物以石英砂為主，顆粒較均一。地層垂直深度在40m內(nèi)，含水率及干密度變化不明顯，含水率在1%左右，干密度在1．58～1．62g／cm3之間。風(fēng)積沙的含鹽量低，易溶鹽含量平均0．55%，主要為硫酸鹽、亞硫酸鹽。最優(yōu)含水量為11．9%～13．6%，孔隙比為0．57～0．75，濕陷系數(shù)為0．012～0．048，抗剪強(qiáng)度 ＝32°，C＝9 kPa，滲透系數(shù)為3～10cm／s。

3 風(fēng)積沙換填方案設(shè)計(jì)

換填法是將基礎(chǔ)底面下一定范圍內(nèi)的軟弱土層清除，分層置換強(qiáng)度較高的礫石層材料，并壓實(shí)至要求的密實(shí)度。換填主要處理表層0～3m的軟弱土，因此一般選擇地下水位較深，軟弱土層＞3m的地段進(jìn)行換填。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，采用風(fēng)積沙進(jìn)行換填。對風(fēng)積沙要控制粘粒含量，保證填料的透水性和強(qiáng)度，采用換填法處理時(shí)可同時(shí)配合土工織物增加地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性［6］。

古爾班通古特沙漠風(fēng)積沙干密度與含水量關(guān)系密切，但在含水量較小時(shí)（≤10%）對干密度影響不大，在干燥狀態(tài)下具有較好的壓實(shí)性，對于干旱缺水地區(qū)，風(fēng)積沙干密度越大，其沉降變形就越小，故干密度是該種土料的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

沙漠路段路基處理方案為：下路床采用風(fēng)積沙填筑，上路床45cm采用礫石土填筑，路基邊坡采用厚30cm的礫石土進(jìn)行邊坡坡面防護(hù)。在上、下路床間路基全斷面鋪設(shè)長絲機(jī)織土工布。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。長絲機(jī)織土工布基本技術(shù)指標(biāo)為：單位面積質(zhì)量≥460g／m2；經(jīng)向斷裂強(qiáng)度≥120kN／m，緯向斷裂強(qiáng)度≥84kN／m；經(jīng)向拉伸斷裂伸長率≤35%，緯向拉伸斷裂伸長率≤30%；CBR頂破強(qiáng)度≥13．0kN；經(jīng)、緯向撕破強(qiáng)力為1．7kN／m。土工布的其他技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足GB／T 17640－2008的有關(guān)要求。

圖1 路面結(jié)構(gòu)布置圖（cm）

4 風(fēng)積沙路基填筑施工工藝

4．1 施工工藝流程

風(fēng)積沙換填主要工序?yàn)椋夯浊謇頊y量放線→填料前基底清理碾壓→基底檢測→拉運(yùn)土方分層填筑→推土機(jī)攤土粗平→分格澆水→平地機(jī)整平→壓路機(jī)碾壓→質(zhì)量檢測→下步工序施工。

4．1．1 清表

清表厚度：清表的基本要求是要將地表的草根、腐殖土、鹽漬土等雜質(zhì)清除干凈，但不能超厚或欠厚清表，對于裸露沙漠表面可不清表，工程中清表厚度一般取30cm左右。清表方法：清表應(yīng)根據(jù)地勢選擇合適的機(jī)械，對地勢平坦路段使用推土機(jī)清除表土，對坑洼較多的路段用挖機(jī)清除表土，施工分臺階進(jìn)行，每層臺階寬2m以上、向內(nèi)坡度為3%，施工順序由便道一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)。清表土處理：對于清表處理產(chǎn)生的廢土必須進(jìn)行處置，其中沙漠地段清表土可就地棄掉，用挖機(jī)將其堆碼整齊放置在路基坡腳處［7］。

4．1．2 虛鋪厚度

風(fēng)積沙具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，其壓實(shí)一般采用水沉法。試驗(yàn)表明，虛鋪厚度一般控制在30～40cm。路基填筑采用斷面全幅分層法逐層向上進(jìn)行，先對路基兩側(cè)包邊礫石土施工，再進(jìn)行中間路槽內(nèi)風(fēng)積沙的填筑。礫石包邊土卸料后用推土機(jī)推平，再在包邊土內(nèi)側(cè)掛線進(jìn)行人工整形、找平，最后進(jìn)行灑水碾壓。考慮到風(fēng)積沙的工程特性，采用挖掘機(jī)配合裝載機(jī)推運(yùn)風(fēng)積沙填料的填筑方式進(jìn)行。

4．1．3 碾壓

碾壓是風(fēng)積沙填筑的關(guān)鍵步驟，也是路基施工中的難點(diǎn)。根據(jù)風(fēng)積沙的物理性質(zhì)和庫侖定律，如式（1）所示，因風(fēng)積沙的粘聚力基本為0，只有增大內(nèi)摩擦角才能獲得較大的抗剪強(qiáng)度，因此壓實(shí)是提高風(fēng)積沙層抗剪強(qiáng)度的主要方法。

τf——風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度；

σ——剪切面法向應(yīng)力；

φ——內(nèi)摩擦角；

C——粘聚力。

4．2 壓實(shí)度檢測

因風(fēng)積沙路基填料性質(zhì)較為特殊，用傳統(tǒng)的灌沙法、環(huán)刀法檢測其壓實(shí)度不是特別適合。目前，工程實(shí)踐中多采用一種改進(jìn)的環(huán)刀法來檢測風(fēng)積沙的壓實(shí)度。風(fēng)積沙的壓實(shí)度檢測采用灑水環(huán)刀法，礫石包邊土的壓實(shí)度檢測采用灌沙法，壓實(shí)質(zhì)量以壓實(shí)度控制。

在實(shí)測檢驗(yàn)前需進(jìn)行風(fēng)積沙填筑的外觀檢測，主要項(xiàng)目有：路基表面是否平整；邊線是否直順；路基邊坡坡面是否平順；取土坑、棄土堆、護(hù)坡道是否恰當(dāng)?shù)取Ｔ谕庥^檢測基本符合要求的情況下進(jìn)行路基壓實(shí)情況實(shí)測，檢測要求如表1所示［8］。

表1 風(fēng)積沙填筑路基壓實(shí)度檢測要求表

4．3 防護(hù)工作

為防止風(fēng)蝕現(xiàn)象，當(dāng)路堤填至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，或有較長時(shí)間的停工時(shí)，必須采取有效措施對填筑的風(fēng)積沙進(jìn)行保護(hù)：

（1）封閉。封閉的區(qū)域是風(fēng)積沙頂面和邊坡，封閉方法一般采用虛鋪厚15cm的黏土或砂礫進(jìn)行全封閉。

（2）刷坡。風(fēng)積沙地區(qū)路基分段完成后，要對路基和邊坡及時(shí)進(jìn)行保護(hù)。路堤填至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，自上而下進(jìn)行刷坡，刷坡下來的風(fēng)積沙形成擋水埝，防止地表水流入路基范圍內(nèi)；做好路基兩側(cè)的草方格防護(hù)、鋪砌卵礫石護(hù)坡等路基防護(hù)，路基邊坡坡腳漿砌片石防護(hù)和排水設(shè)施，保證路基、路床不受雨水沖刷；對路堤和路塹邊坡應(yīng)采取有效措施，做到邊施工邊養(yǎng)護(hù)。

（3）土工布鋪設(shè)。為防止風(fēng)蝕現(xiàn)象，風(fēng)積沙頂面驗(yàn)收合格后立即進(jìn)行土工布鋪設(shè)及礫石土填筑。土工布的選擇及鋪設(shè)寬度根據(jù)具體段落確定，每卷土工布寬度為6m，單卷長100m，相鄰兩幅土工布間的搭接采用工業(yè)機(jī)縫制加寬，縫制搭接寬度按照50mm施工。施工期間，現(xiàn)場未用完的土工布應(yīng)盡快遮蓋或挖坑掩埋，日照時(shí)間不得超過36h。

（4）礫石土填筑。礫石土對風(fēng)積沙換填層具有良好的保護(hù)作用，其施工主要流程為：礫石土填筑→攤鋪平整→灑水→碾壓→壓實(shí)度檢測→邊坡防護(hù)。

4．4 風(fēng)積沙換填常見問題及處理措施

4．4．1 灑水問題

施工時(shí)如果灑水不均勻、不徹底會影響風(fēng)積沙填筑的壓實(shí)度。風(fēng)積沙填筑的灑水方法也非常重要，現(xiàn)場灑水采取分格的方式，可保證灑水均勻，防止漏灑、過灑現(xiàn)象的發(fā)生。

4．4．2 環(huán)境污染問題

為盡量避免風(fēng)積沙填筑帶來的環(huán)境污染，一般采用噸位大、車廂封閉好的自卸汽車運(yùn)輸風(fēng)積沙；在施工過程中，對風(fēng)積沙及施工便道及時(shí)進(jìn)行灑水濕潤，以防止揚(yáng)塵現(xiàn)象發(fā)生。在設(shè)計(jì)方面，對取土場進(jìn)行強(qiáng)制性規(guī)定，防止亂挖、超挖對環(huán)境造成的破壞。

4．4．3 滲水問題

風(fēng)積沙路基填筑時(shí)如有滲水容易造成邊坡坡腳坍塌，嚴(yán)重影響交通。因此必須嚴(yán)格控制風(fēng)積沙填筑路基的灑水量，并采取排水措施，保護(hù)路基坡腳和便道。

5 路基沉降分析

施工觀測主要以沉降觀測為主。路基在外荷載作用下，沉降量隨時(shí)間發(fā)展逐漸增大，經(jīng)過瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降最終達(dá)到穩(wěn)定。沉降測點(diǎn)布設(shè)斷面一般在路堤中心及路肩，鹽漬土路段每200m布設(shè)一個(gè)斷面。本文以K516＋800～K517＋300鹽漬土路段為例進(jìn)行監(jiān)測分析，共設(shè)計(jì)3個(gè)觀測斷面，9個(gè)觀測點(diǎn)。在完成主體施工任務(wù)后開始首次沉降觀測。測點(diǎn)的沉降量集中在24～72mm范圍內(nèi)，最大沉降量為72mm，發(fā)生在測點(diǎn)K516＋880左點(diǎn)處，曲線圖如圖2所示。

從圖2可知，該測點(diǎn)共觀測162d，約65d后沉降基本達(dá)到穩(wěn)定，后期沉降均很小，沉降量在2mm以內(nèi)。該斷面前期沉降較大，主要是受填土預(yù)壓等影響，使得軟弱土地基沉降較大，測點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間較短，根據(jù)規(guī)范要求，處理后的沉降值累計(jì)不超過0．1m，而該點(diǎn)累計(jì)沉降為72mm，低于允許值0．1m，說明該處置方法已達(dá)到預(yù)期效果。

圖2 K516＋880（左）沉降曲線圖

6 結(jié)語

風(fēng)積沙換填鹽漬土地基的效果與其工程力學(xué)的特性密切相關(guān)，尤其是風(fēng)積沙的最大干密度和含水量，在換填前必須嚴(yán)格控制相關(guān)指標(biāo)。在施工過程中，要注意風(fēng)積沙填筑路基的灑水、滲水以及環(huán)境污染問題，采取合理有效的解決方案，確保風(fēng)積沙路基的施工質(zhì)量，并最大限度考慮環(huán)保因素。工程實(shí)踐表明，風(fēng)積沙換填后沉降滿足規(guī)范要求，有效地保證了工程質(zhì)量，降低了工程成本，提高了社會經(jīng)濟(jì)效益，為沙漠地區(qū)公路建設(shè)提供了寶貴的施工參考經(jīng)驗(yàn)。