改性風積砂在濕陷性黃土路基應用研究

陳燕明，趙 軍，張貴生，任金寶

（1.甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.靜寧縣交通運輸局，甘肅 靜寧 743400）

濕陷性黃土是在自重或一定壓力下受水浸濕后，土體結構迅速破壞，并產生顯著下沉現象的黃土，即使經過壓實重塑黃土，一旦地下水或地表水進入黃土填筑路基改變了原有最佳含水量后，仍造成不同程度的濕陷性破壞。一般情況下，公路工程在路基底部設置厚度不小于30-50cm的灰土隔水墊層或用水泥土換填墊層，在一定程度上阻斷了水進入填筑路基，但不能消除水進入填筑的路基。本文利用改性風積砂的防滲特性，作為隔水層鋪筑于濕陷性黃土填方路基，通過防滲、隔水措施避免公路黃土地基范圍內黃土與水發生作用，有效保證了路基的整體強度和穩定性。

1 改性風積砂特性

改性風積砂是通過“增強水的表面張力”原理，以沙漠風積沙為原料，研制開發出的一種具有呼吸功能的防滲透氣材料。在研究掌握改性荒漠沙物理力學指標的基礎上，結合室內單軸壓縮、界面剪切試驗，從改性荒漠沙隔水性能和砂-土界面力學特性，以及隔水效果進行評價。

物理力學指標：改性風積砂粒徑主要分布在0.075～0.25mm之間，不均勻系數為1.80，曲率系數為0.91，級配不良。改性荒漠沙的比重為1.88g/cm3，結合其單軸壓縮曲線，松鋪密度為1.59g/cm3，其干壓實密度收斂值為1.64g/cm3。

砂-土界面力學特性：改性風積砂-土界面直剪試驗顯示，其剪切殘余粘聚力為7.80kPa，殘余內摩擦角為20.4°，砂-土界面力學性能良好。

隔水特性：同等壓力水柱高度為94.55m時，改性荒漠沙層未出現透水情況，改性風積砂防滲性能良好。改性風積砂級配曲線和改性風積砂壓縮曲線如圖1，圖2所示。

圖1 改性風積砂級配曲線

圖2 改性風積砂壓縮曲線

2 濕陷性黃土段路基物理力學性質

試驗段施工取土場地典型原狀土基本物理力學性質為：平均干密度為1.27g/cm3，土粒相對密度為2.5，液限為19.4%，塑限為31.4%，孔隙比為0.99，平均天然含水率為20.2%，塑性指數為12，其工程分類為低液限黏土。通過室內直剪試驗，原狀土的粘聚力為3.54kPa，內摩擦角為37.6°當浸水壓力為400kPa時，其大孔隙比為0.166，試驗段場地原狀土天然含水率下的濕陷系數為0.085，大于0.07，為強烈濕陷性黃土。壓縮試驗曲線和浸水后土樣時間對數曲線如圖3、圖4所示。

圖3 壓縮試驗曲線

圖4 浸水后土樣時間對數曲線

3 改性風積砂方案設計、施工步驟及隔水監測

3.1 方案設計

路基頂層設置隔水層是保證路基濕度，避免地表水滲入地基而造成路基損壞的有效措施?？茖W合理的進行隔水層設計，是確保路基穩定性的關鍵。尤對濕陷性黃土路段，因濕陷性黃土是一種高壓縮性的非飽和欠壓密土，其具有孔隙率大、干密度小及在自重和外力作用下易浸水下沉等特點，在工程建設中存在著很大的隱患。為了降低和防止黃土濕陷性對工程造成的損害，在公路設計中對其地基進行處理采用很多材料及方法。

傳統處理方案主要有：換填墊層法、沖擊碾壓法、強夯法、擠密樁法、樁基礎法等。通過改變地基土結構（土密實度、壓縮性、透水性等）相關土體特性來達到消除濕陷性、提高基底承載力的目的。而改性荒漠沙作為隔水層處理濕陷性黃土路段路基，旨在消除濕陷性黃土因水分滲入導致路基沉陷。因此，對改性荒漠砂隔水層設計重點從阻水隔水考慮，以防止上部水分下滲、土體內毛細水上升導致路基土體水分過大而破壞路基使用性能。

試驗段填方路段方案主要由改性風積砂、中粗砂保護層兩部分組成。下層采用一定厚度的改性風積砂，隔絕路基上方滲水和地基下方毛細水上升；上層鋪設中粗砂，作為改性風積砂的保護層，即改性風積砂的保護層又是填方路基的過濾層；在坡腳設置改性風積砂隔水墻，防止路基兩側積水下滲到路基中；在改性風積砂下層及改性風積砂與中粗砂保護層之間各設置一層土工布，土工布參數為，縱向≥40KN/m，橫向≥40KN/m，縱橫向標稱抗拉強度下的伸長率≤15%。試驗段鋪筑改性風積砂隔水層厚度分三處（三個方案），即K3+180-190段改性風積砂厚度5cm，鋪筑面積142m2，K3+190-200段改性風積砂厚度8cm，鋪筑面積156m2，K3+200-210段改性風積砂厚度10cm面積162m2，需改性風積砂35.8m3，透水土工布920m2，粗砂保護層35m3。在K3+170-K3+180處采用5%灰土換填黃土進行路基填筑。如圖5～圖8所示。

圖5 30cm厚5%石灰土

圖6 5cm厚改性風積砂

圖7 8cm厚改性風積砂

圖8 10cm厚改性風積砂

3.2 施工步驟

施工放樣：確定要鋪筑不同厚度改性荒漠砂的實際位置，標記樁號，采用標桿法控制攤鋪厚度；

清表、碾壓：清表深度為30cm，確保挖除腐殖土，用壓路機及平地機對基底充分壓實整平；

埋設檢測設備：為后期現場監測埋設了沉降傳感器、埋入式應變計、水分溫度探頭、土壓力計、雨量監測器；

鋪設透水土工布：鋪設透水土工布時注意搭接寬度應滿足規范要求。

鋪筑改性荒漠砂：為避免施工機械在壓實過程中破壞監測設施，監測點1.5m范圍內采用人工夯實，及時檢測厚度及平整度，以滿足施工規范要求，并實時監測設備運行情況。

再次鋪設透水土工布：鋪設透水土工布時注意搭接寬度應滿足規范要求。

鋪設中、粗砂保護層：鋪筑8cm厚的粗砂保護層。

路基土方填筑：按照路基施工規范要求填筑上層路基、同步完成灰土換填路段的路基填筑。

監測：施工完成后及時觀測，采集相關數據。如圖9，圖10所示。

圖9 繪制網格

3.3 隔水監測

試驗段鋪筑的同時，在改性風積砂隔水層上下分別埋設檢測設備，通過實時監測獲取荒漠砂隔水層試驗段路基的結構健康狀況。對該處路基含水量的變化進行實時在線監測,并對監測數據進行對比分析，數據分析如圖11、圖12所示。

由 圖10可 知，2019年5月 至2019年9月 三處監測點的體積含水率總體呈現上升趨勢，原因為上路床、底基層、基層、面層處于施工階段，2019年9月面層施工結束后，路面結構層中封層、透層阻隔雨水等下滲到路基填土中。2019年9月，5%石灰土換填層上部體積含水率變化量明顯增加，原因為，石灰土換填層未能阻斷下部水上升，而5cm和8cm改性風積砂砂隔斷層上部體積含水率變化量處于小范圍波動，波動的原因為少量路面水、路肩滲水、填方邊坡水等使隔水層上部干濕變化，但基本處于平穩。

圖10 鋪筑風積沙

圖10 上部含水率變化量曲線圖

由 圖11可 知，2019年5月 至2019年9月 四處監測點的體積含水率總體呈現上升趨勢，原因為隔水層下部毛細水或地下水的補給。2019年9月至2020年2月，體積含水率均呈下降，8cm厚隔水層一度出現負變化量，原因為冬季地溫下降導致，且8cm厚隔水層下部土體含水率處于飽和含水率浮動變化。2020年2月后體積含水率變化量均繼續上升，原因為地溫回暖，地下水補給及毛細水作用導致。

圖11 下部含水率變化量曲線圖

由圖10及圖11分析表明改性風積砂隔水層上部及下部含水率變化量保持差距，說明隔水層上下水未發生相互滲透，表明改性風積砂阻止了水的滲透；5%石灰土換填層上部體積含水率變化量明顯增加，表面該處未能阻斷下部水上升；改性風積砂含水率變化量處于小范圍波動，原因為地表水、地下水等使改性風積砂含水率變化量局部變化，但并不影響整體路基的穩定性，從而有效提高濕陷性黃土路段地基因水滲入而造成的地基沉陷；8cm改性風積砂含水率變化量處于正、負交替變化，推測該處隔水層能有效適應路基含水率的周期性變化，保持路基的整體穩定。

4 結語

濕陷性黃土是一種高壓縮性的非飽和欠壓密土，其具有孔隙率大、干密度小及在自重和外力作用下易浸水下沉等特點，在工程建設中存在著很大的隱患，改性風積砂作為隔水層，用于濕陷性黃土地區地基處理，具有柔性防滲、自修復功能，可以適應土基動態變化，有效阻斷地表水下滲及毛細水上升導致的路基穩定性下降，提高結構安全性。

8cm厚改性風積砂隔水層能有效適應路基含水率的周期性變化，保持路基整體穩定。

本試驗段依據方案設計要求，合理計算填筑設計厚度，施工中通過劃分網格，保證每個噸袋在卸料后基本達到設計厚度。通過鋪設土工布，有效防止砂料流動，最大限度利用改性風積砂及中粗砂等材料。采用機械攤鋪壓實及人工修整相結合的方式，保證攤鋪厚度，達到監測條件，保證數據的真實可靠。回填土采用雙鋼輪壓路機緩慢靜壓，避免填筑的沙料及土工布破壞，同時達到壓實質量要求。