南方湖區高速公路吹砂填筑路基關鍵技術研究

嚴黎

(岳陽市公路橋梁基建總公司， 湖南 岳陽 414000)

中國湖區、江河沿岸地區，地貌普遍為Ⅰ級堆積階地，地形平緩，路線位置多覆蓋淤泥質土層，不利于路基填筑。如何利用湖泊河流中的砂料經濟、環保地填筑路基，堅持資源節約、環境友好的建設原則成為公路建設中不得不面對的問題。湖區公路建設中，路基吹砂填筑技術具有顯著優勢。關于吹填砂路基質量控制，由于沒有相關規范控制填筑和壓實質量，采用吹砂填筑的路基承載力往往不夠，需采取強夯法進行加固。采用吹填砂工藝填筑高等級公路路堤已在中國多個地區得到應用，但大多修筑里程較短。此外，在包邊和封層土施工、邊坡防護、壓實及沉降控制等方面的研究還不夠成熟。針對這些技術問題，該文結合實體工程修筑實踐，對吹填砂路基修筑關鍵技術進行研究。

1 河砂性質試驗與應用可行性分析

1.1 吹填河砂應用要求

(1) 最大干密度的要求。含水量相同的情況下，若干密度較小，理論上通過較少的碾壓遍數就可達到壓實度要求，而實際情況往往是不能達到要求，影響路基的強度和穩定性；若干密度較大，則需消耗更多的人力、物力才能達到要求，不僅會延長工期，還會造成工程成本增加。因此，在路基填筑時，特殊填料的砂應參考相對密度，通過擊實試驗得到最大干密度，作為評價填筑路基壓實度的依據。

(2) 河砂粗細及含泥量的要求。考慮吹填施工的難易程度，修筑高等級公路路堤的吹填砂應以中、細砂為宜，如采用粉砂，則要嚴格控制最佳含水率，保證壓實質量。含泥量(即細粒土、粉土、黏土含量)在填砂路基中會顯著影響砂的使用質量，根據實體工程修筑實踐與經驗，含泥量應不大于15%。砂的含泥量較大，則水很難滲下去，在壓路機壓實作用下會使表層成為板體，導致作用力很難傳到下面。實際工程建設中應對選取的河砂先進行試驗分析，確定砂的物理性質和含泥量。

1.2 實體工程河砂性質試驗分析

結合某湖區高速公路實體工程，對采用吹填砂的河流東支流和中支流進行取樣，通過擊實試驗和篩分試驗得出河砂的細度模數、最大干密度和最佳含水率，同時測試含泥量，結果見表1、表2。

表2 河砂性質應用可行性分析論證

由表1～2可知：河流中支取樣的河砂含泥量為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、黏性小、保水能力差，控制粉砂的最佳含水率較困難，施工時要考慮壓實工藝，控制砂的含水量，保證壓實質量。河流東支取樣的河砂含泥量為4.2%，細度模數為2.9，屬于中砂，可用于吹填路基。

表1 河流取樣篩分試驗結果

2 湖區吹填路基施工技術與質量控制

2.1 湖區吹填路基施工關鍵技術

湖區高速公路路基修筑中主要存在填料缺乏、沿線軟基較多的問題，為解決填料缺乏的問題，往往采用吹填砂路基進行修筑，在軟基上修筑吹填砂路基面臨邊坡施工、沉降控制等技術問題。

(1) 邊坡施工。受軟基工后沉降的影響，施工時邊坡坡度一般會比設計要求大，需著重研究路堤的穩定性，施工邊坡坡度極限經過計算路堤自身和地基的穩定性得到。純砂的天然坡角等于內摩擦角，而吹填砂內部存在黏聚力，其坡比可達1∶1甚至1∶0.75。包邊土的厚度需包含軟土路基沉降的路堤加寬量，而且坡腳、坡頂需參照軟基處理工程數量進行加寬。

(2) 封層土施工及沉降觀測。明確軟基路段封層土的填筑時間和位置是施工關鍵，可通過最終計算沉降和填土至封層土底標高時的實測沉降來確定。假設計算最終沉降為S，填土至封層土底標高的實測沉降為S1，兩者相差S-S1。由于路面施工后還會有10～30 cm沉降，封層土底標高需比設計底標高提高S-S1-30 cm。考慮到吹填砂路基的特殊性，也可將上述值降低50 cm，也就是比設計底標高增加S-S1-80 cm。

(3) 下封層和砂墊層施工。對于粉噴樁和管樁等軟基處理方法，可先鋪設透水土工布，再進行黏土下封層施工。黏土下封層可設置4%向外的橫向排水坡度，然后實施砂墊層施工，完成后進行吹填施工。軟基處理中的砂墊層可采用級配砂礫。采用塑料排水板處理軟基時，可直接鋪設50 cm砂墊層作為工作層，然后進行吹填施工。吹填砂路基橫斷面設計見圖1。

圖1 軟基處吹填砂路基橫斷面設計示意圖(單位：cm)

2.2 湖區吹填路基壓實控制技術

(1) 路基壓實度控制標準。在吹填砂填筑路基施工中，壓實是非常重要的工序之一，壓實度是否合格是評定工程質量好壞的重要指標，要求路基填料均勻、密實，分層鋪筑、均勻壓實。對于吹填砂路基，為保證后期路基的長期穩定，建議在路床部分采用黏性土填筑，路床填土壓實度及填料滿足表3的要求。若不能滿足要求，需及時進行適當處理或采取換填措施。

表3 吹填路基路床填筑壓實度及填料要求

(2) 吹填河砂擊實試驗與壓實特性。先開展擬吹填河砂擊實試驗，確定取樣河砂的最大干密度、最佳含水量，確定吹填河砂的壓實特性，為確定合理的壓實工藝提供依據，也為碾壓完成后壓實度檢測結果計算提供基礎數據。擬吹填河砂取樣擊實試驗結果見圖2～3。由圖2～3可知：擬用于吹填的河流中支取樣河砂的最大干密度為1.706 g/m3，最佳含水量為13.6%；河流東支取樣河砂的最大干密度為1.945 g/m3，最佳含水量為12.3%。

圖2 湖區某河流中支取樣擊實試驗結果

圖3 湖區某河流東支取樣擊實試驗結果

(3) 填砂路基壓實度檢測。路基填筑過程中，采用灌水法對下路堤吹填砂路基壓實度進行檢測，結果見表4。由表4可知：下路堤吹填砂路基壓實度為92.37%～94.65%，基本滿足公路路基下路堤壓實度要求。

表4 吹填砂路基壓實度檢測結果

2.3 湖區吹填路基穩定性分析與控制

(1) 邊坡穩定性分析。根據現場實測黏土與砂土的c值和φ值，采用LAC/SLOPE軟件進行邊坡穩定性分析和控制。對于吹填高度較大的路堤，如計算結果顯示邊坡不穩定，則每隔2 m左右厚度加一層土工格柵，加強路基的穩定性。若路基失穩，則根據不同表現形式采取相應措施：若為坡頂塌陷，則重新反挖包邊土，換填包邊土并加強包邊土與砂袋間結合部的處理，同時加強邊坡的工程防護；若坡面塌陷，可采用放緩邊坡坡比的措施，如難以實現，則加強防護工程；若路基塌陷，則重新開挖并進行填土或填砂修筑。

(2) 沉降及水平位移觀測。吹填時，需及時觀測和記錄沉降和位移，要求地基抗剪強度增長的固結時間大于填筑路基時間。填筑速度分為3個等級，分別為極限高度以下、極限高度～極限高度以上2 m、極限高度2 m以上。極限高度以下：加快填筑速度，爭取固結時間。極限高度～極限高度以上2 m：路基中心的表面沉降速率宜控制在15 mm/d以內，坡腳處的側向位移宜控制在8 mm/d以內。極限高度2 m以上：路基中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以內，坡腳處的側向位移宜控制在5 mm/d以內。單級孔壓系數(各級加載的孔隙水壓力增量與荷載增量之比)小于0.6，綜合孔壓系數小于0.4。

3 湖區公路吹填路基邊坡防護與經濟效益

3.1 邊坡防護方案設計

吹填砂路堤包邊外邊坡采取植物防護與工程防護結合的方式。考慮到填筑路基周期較長，為保證每層填土寬度和厚度，并避免雨水沖刷邊坡導致泥沙流失破壞農田，吹填過程中對路基邊坡進行臨時防護。編織袋按設計坡度打磨，每層堆高40～50 cm，起到臨時防護作用，可避免邊坡被降雨沖刷，保證路基的穩定性。

某湖區高速公路修筑中，設計4種邊坡防護方案(見圖4～7)，通過試驗路修筑驗證其合理性。

圖4 拱形骨架襯砌內植草護坡平面示意圖(方案一)

圖5 六邊形空(實)心預制砼塊護坡平面示意圖(方案二)

圖6 噴播草護坡示意圖(方案三，單位：cm)

圖7 魚塘及河流護坡平面示意圖(方案四)

上述4種方案環保又穩定且都與自然和諧統一，其中：方案二的六邊形空洞處可填土植草，且綠化部分為重復的排列有序的標準六邊形，可改善、美化環境；預制塊外側做成斜面，鋪砌時可形成縱橫相通的預留縫，可對坡面進行自由散水、排水，達到防沖刷的目的；為保證填砂路堤安全，方案二和方案四中的預制塊之間設為黏結，加強預制塊護坡的整體性，形成整體強度。具體方案選取視實際情況而定。

3.2 吹填砂填筑路基的經濟效益分析

對吹填段如果進行常規的填筑土施工，為選取合格的填筑土，需遠距離取土，會給當地交通帶來不利影響，且效率低、造價高。選用河道中取砂礫吹填的方法，可解決選調土造成的交通影響，還可疏通河道，帶來良好的社會經濟效益。表5為不同填筑方式的經濟效益比較。

表5 不同填筑方式的經濟效益比較

由表5可知：吹填砂的平均填筑距離為2 km左右，吹填成本為25元/m3左右。擬吹填段除封層土和包邊土外的填方量約為400萬m3，填土路基約40元/m3(平均運距為15 km)，與一般填筑土施工相比，吹填砂填筑通過控制材料就能節約近6 000 萬元。此外，砂礫取材方便、運輸簡潔，可提高施工進度，節約工期，這也可大幅度降低工程造價。

4 結論

(1) 用于吹填的河砂樣品一的含泥量為5.4%，細度模數為0.9，屬于粉砂；樣品二的含泥量為4.2%，細度模數為2.9，屬于中砂。二者均可用于吹填路基。但粉砂施工時要嚴格控制砂的含水量，保證壓實質量。

(2) 為確保吹填砂路基封層土的設計厚度，軟基路段封層土的底標高比設計底標高提高S-S1-80 cm；對于加樁基處理的軟基，應先鋪設透水土工布，再施工下封層、砂墊層，最后進行吹填施工，沉降和水平位移觀測采用三級控制。

(3) 吹填砂路基包邊土的外邊坡采用植物防護與工程防護結合的方式，并充分考慮邊坡的抗沖刷能力、安全與穩定性。邊坡的穩定性采用LAC/SLOPE進行計算和分析。

(4) 結合實體工程修筑實踐，測試吹填砂路基的壓實度，均滿足求。湖區吹填砂路基的成本在25元/m3左右，相比于湖區填土修筑路基可大大節約成本和工期。