高速公路吹填砂填筑路基設計與施工研究

劉霞，蔡湘運

(新邵縣公路管理局，湖南 邵陽 429000)

中國湖區、江河沿岸的地質普遍為Ⅰ級堆積階地，地形平緩，路線位置多覆蓋淤泥質土層，非常不利于路基填筑。吹砂填筑技術可有效解決湖區和海邊路基填料缺乏的問題。在歐、美等發達國家，用砂來填筑路基已有許多成熟經驗，一些歐洲國家甚至用砂來填筑高等級公路路面底基層。在國內，武英(武漢—英山)、樂溫(樂化—溫家圳)、中江(中山—江門)、京珠(北京—珠海)及哈爾濱繞城高速公路等部分路段在路基施工中均采用了吹砂技術。吹填砂工藝填筑高等級公路路堤具有施工快、節約成本、不受外界環境影響、利于保護國土資源等優點，在中國多個地區得到了應用。但由于沒有相關規范控制施工質量，大多修筑里程較短，且在排水設計和邊坡設計等方面還不夠成熟。該文結合湖區某高速公路工程，研究吹填砂路基修筑技術，為湖區高等級公路吹砂填筑路基工程應用和推廣提供參考。

1 砂的可用性試驗研究

吹填路基適用于缺土多砂、可用吹填方式填筑路基的地區。吹填路基材料以中、粗砂為宜，根據JTJ 017-96《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》，其含泥量不大于15%。但實際吹填時，中、粗砂很難吹上來，即使吹上來，砂已離析，無法保證路堤壓實度，而采用中、細砂作為吹填砂則沒有這些問題。對該高速公路附近某河東支和中支河砂進行取樣，通過篩分試驗計算得到河砂的細度模數(見表1、表2)，通過擊實試驗(筒容積997 cm3；擊錘質量4.5 kg；落距45 cm；每層擊數27次)得到河砂的最大干密度和最佳含水率(見表3～6)，并對含泥量進行測量。

表1 湖區某河中支取樣河砂篩分試驗結果

表2 湖區某河東支取樣河砂篩分試驗結果

表3 湖區某河東支取樣河砂擊實試驗結果(干密度)

表4 湖區某河東支取樣河砂擊實試驗結果(含水率)

表5 湖區某河中支取樣河砂擊實試驗結果(干密度)

表6 湖區某河中支取樣河砂擊實試驗結果(含水率)

試驗結果顯示：1) 該河東支取樣河砂的最大干密度為1.706 g/cm3，最佳含水率為13.6%，含泥量為5.4%，細度模數為0.88，屬于粉砂，易吹填。但由于粉砂顆粒較均勻、塑性指數低、粘性小、保水能力差，最佳含水率控制較困難，施工時要考慮壓實工藝，控制砂的含水量，保證壓實質量。2) 中支取樣河砂的最大干密度為1.945 g/cm3，最佳含水率為12.3%，含泥量為4.2%，細度模數為2.9，屬于中砂，可用于吹填路基。但中、粗砂需考慮吹填難度，吹填時適當加大吹填設備的功率。

2 吹填砂路基排水系統設計

路基排水設計遵循排水、疏水、預防相結合的原則，并與邊坡防護、路面排水系統、地基處理等措施相協調，從而保證吹填砂路基的穩定性。

2.1 臨時排水系統設計

吹填砂過程中，水是輸送砂的關鍵介質，而排砂管總體積的80%以上是水，因而吹填砂施工前的關鍵是建立臨時排水系統。該項目采用溝渠排水的方式構建臨時排水系統(見圖1)，并根據需要設置泄水管(管口包透水土工布)和抽水泵，及時排除吹砂留下的水，避免影響路基的穩定性和周邊環境。臨時排水系統可減輕水土流失，且不容易改變水文狀態，對當地河道、灌溉系統的影響較小。

圖1 臨時排水系統設計

吹填砂路基施工、預壓和運營過程中，邊坡排水設計對路基穩定性起著很重要的作用。施工中可根據需要對高填方的坡面設置排泄水管，用于排除聚集在包邊土中的水。該項目在路基邊坡頂部設置縱向攔水壩，在距路基坡腳2 m處設置排水溝，并在適當位置設排水口，水口大小視吹砂設備功率而定，排水口處兩側攔水壩用袋裝砂包或塑料薄膜加固處理。排水溝連接到附近的排水系統，施工中產生的水先流到排水溝，經沉淀、過濾后排入附近的溝渠或當地排水系統，避免污染水源、農田等。

2.2 攔水壩及路基內部排水設計

吹填砂之前，在路基設計寬度以外修筑攔水壩。第一層采用挖溝或清頂填筑，并在路基坡腳外側填筑，保證路基坡腳的密實度。其斷面尺寸根據每層吹填厚度而定，厚度不大于1 m時，壩的寬度為80 cm，只要能滿足自身穩定性即可。包邊用的砂袋作為攔水壩的一部分起到相應的作用。從第2層開始，攔水壩用吹填砂修筑，內部用塑料薄膜鋪設，避免沖刷。

由于吹砂過程中水量較大，需要一定的含水量才能使砂達到一定的密實度，但會造成路基積水，如果不能將水及時排除，路基底部會在水長時間浸泡下軟化，甚至出現邊坡坍塌、路面塌陷的情況。該項目采用袋裝砂+黏土后包邊的方式進行路基內部排水，解決砂土結合部位水難以排除的問題。

3 吹填砂路基斷面設計及經濟性分析

3.1 橫斷面設計

(1) 厚度設計。規范要求包邊厚度為0.4～1 m，實踐中有的項目包邊土的最小厚度放寬至0.75 m甚至0.5 m。考慮到該項目為湖區公路，又處在降水量和強度較大的地區，為避免坡面因水流沖刷導致邊坡破壞，在試驗路修筑中包邊土厚度采用1 m，并根據試驗路情況在后續大面積施工中對包邊土厚度進行優化。

(2) 邊坡設計。邊坡主要有平行四邊形和梯形兩種形式，平行四邊形包邊土兩側坡度相等(見圖2)，而梯形包邊土外側坡度較小。對于砂類土，在地基狀況良好的情況下，邊坡坡度宜為1.0∶1.5；對于高填土的軟土地基，如條件允許，應盡可能將邊坡坡度放至1∶2。但實際上由于土地資源缺乏，很難將邊坡放至1∶2。該項目采用平形四邊形邊坡形式，坡度為1.0∶1.5(見圖3)。對于部分高填方路堤，為保證邊坡穩定，同時節省占地面積、不破壞生態平衡，采用圖4所示邊坡結構。

圖2 吹填砂路基橫斷面整體設計

圖3 吹填砂路基橫斷面設計(單位：cm)

(3) 吹填高度。對于吹填砂路基，邊坡高度取多少較合理還沒有定論。根據該項目黏土、砂土的實測粘聚力和內摩擦角，采用FLAC/SLOPE5.00進行邊坡穩定性分析，同時考慮實際環境因素，得出吹填砂路基高度不超過8 m。

3.2 包邊土施工設計

(1) 包邊土施工。吹填砂包邊土施工方法有同步施工、基本同步施工、后包邊施工3種。其中：同步施工法有利于施工組織，造價低，路基壓實度、標高、平整度及工期易控制，路基不容易產生開裂現象；基本同步法具有同步施工的大部分特點，只是砂土和黏性土的結合面不易壓實；后包邊法可較好地解決壓實度的問題，不會引起路基不均勻沉降，且由于砂土和黏性土施工相隔時間較長，前期施工能充分利用機械和人力，加快施工進度，但后包邊的棄方非常大。該項目采用同步施工和后包邊相結合的方式，先修建攔水壩，砌筑砂袋，砂袋起包邊作用并作為攔水壩的一部分，在分層吹填的一層結束且壓實度達到要求后進行下一層施工，吹填結束后進行包邊土施工，包邊土施工完成后對路基兩側包邊黏土進行壓實。碾壓方法與普通路基一樣，其關鍵是控制含水率，對薄弱部分充分壓實，保證填筑質量。

圖4 高填方路基包邊示意圖

(2) 包邊形式。試驗路修筑中采用黏性土進行包邊，要求其液限小于50%，塑性指數小于26%，同時填料的強度和粒徑達到要求。黏性土具有較大的粘結性、穩定性，砂土具有水穩定性好但失水后干穩定性差的特點，考慮到施工和排水難度，采取土包砂的填筑方法，即采用砂土填芯，碼砌砂袋+黏土包邊的方式，以發揮兩種材料的優點(見圖5)。堆碼砂袋不僅起到包邊與攔水壩的作用，臺階式的堆碼對路基和邊坡的穩定也起到重要作用，還可減少包邊土施工時界線劃分等工序。

圖5 包邊形式

3.3 經濟效益分析

與一般路基相比，吹填砂路基能解決筑路土源缺乏、運輸費用大等難題，有利于保護國土資源，節省成本。以加壓次數分段，對每個施工段進行吹砂、填砂、填土概預算分析，結果見表7。

由表7可知：1) K46+000—K50+789段不適宜吹砂，因為吹砂的距離較大，其成本比普通填土高。2) K50+789—K90+199.75段吹砂成本為128 006 129元，填砂成本為115 181 474元，填土成本為168 205 415元，適宜吹填。在施工圖設計中確定的各取土場滿足取土方量需求且土質滿足路堤填料要求的前提下，該段采用吹砂填筑可節約成本近4 000萬元，采用填砂可節約近5 300萬元，具有較好的經濟效益。

表7 不同路基填筑方案的經濟性比較

4 結論

(1) 修筑高等級公路的吹填砂應以中、細砂為主，其含泥量不大于15%，并嚴格控制其含水量。

(2) 可通過溝渠排水的方式構建臨時排水系統排除吹砂留下的水，并分層修建攔水壩，采用袋裝砂+黏土的包邊形式排出路基內部水。

(3) 吹填砂路基橫斷面和高填土路基設計中，包邊土厚度取1 m，采用坡度為1∶1.5的平行四邊形邊坡，吹填砂路基高度不大于8 m。采用袋裝砂+黏土的包邊形式，以同步施工和后包邊相結合的方式進行包邊土施工。

(4) 在湖區填筑路基，與填土修筑相比，吹填砂填筑可顯著節約成本和工期，具有較好的經濟效益。