盐渍土地基风积沙换填技术应用研究

王 博

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

风积沙是沙漠地区的沙被风沙流搬移形成沙丘而产生的，具有水稳定性好、沉降均匀、受季节影响小等特点［1］。我国新疆地区风积沙储量丰富，取材方便，利用风积沙填筑路基既可以治理沙害，还可以变废为宝，解决路基填料的难题，是一种性价比较高的路基处治的方法［2］。目前，利用风积沙改造路基应用广泛，但相关理论还缺乏系统性。新疆G216线五彩湾至大黄山段高速公路穿越古尔班通古特沙漠，存在大量的风积沙路段和盐渍土路段，可利用风积沙填筑路基隔断路基盐分上升，避免盐渍土路基出现翻浆失稳、路面龟裂、溶陷等公路病害，从而达到合理选材、节约工程造价、保护环境的目的［3］。本文对该盐渍土地基风积沙换填技术进行探讨。

1 工程地质概况

G216线五彩湾至大黄山段高速公路主线全长96．31km，其中五彩湾至沙洲生态园段（K476＋500～K516＋800）穿越古尔班通古特沙漠东部。该区域的沙丘多数为固定、半固定沙丘，半固定沙丘达15%～25%，沙丘多呈北西向310°～330°展布的垄状、链状及少量新月状沙丘，在垄状沙丘之间存在同向的风蚀洼地。地层主要为第四系风积相的细砂、中砂、粉土等，松散～稍密，地基承载力基本容许值为150～250 kPa。

研究区域沿线大部分段落有石膏、芒硝结晶和泛盐痕迹，地表蓬松，泛白，耐碱植物较多。地基土盐渍土分类主要为氯盐、亚氯盐、硫酸盐、亚硫酸盐。地表主要以中盐渍土为主，盐渍化程度较重。该地区盐渍土按成因方式不同可划分为两类：一类为地下水毛细水蒸发产生的盐渍土；另一类为洪积盐渍土。

2 风积沙的技术特性

风积沙主要由岩屑、长石和石英三种颗粒组成，其总含量一般达90%以上。风积沙颗粒组成很细且单一均匀，粘聚力很小，保水性较差，易溶盐含量少，呈微碱性，本身无腐蚀性，压缩变形小，在保水状态下最易压实，主要特征为［4］：

（1）透水性好。风积沙颗粒细且均匀，其渗透系数一般为0．75×10－3～1．1×10－3cm／s，具有良好的透水性，沙粒表面对水几乎没有物理吸附作用，使沙漠表层土常处于干燥状态。

（2）沉降均匀。风积沙颗粒均匀性好并且具有良好的透水性，所以使用风积沙换填的路基沉降均匀。

（3）不易形成整体。风积沙属砂性土，受风蚀作用颗粒被磨圆，颗粒间粘结力差，在施工时不易形成整体。

（4）压实效果好。风积沙在压路机振动力的作用下，颗粒自身重力作用能够克服颗粒之间的内摩擦力和粘结力，可达到较高的密实度［5］。

经现场勘测和试验，得到古尔班通古特沙漠风积沙的力学特性和技术指标：颜色为淡黄色，矿物以石英砂为主，颗粒较均一。地层垂直深度在40m内，含水率及干密度变化不明显，含水率在1%左右，干密度在1．58～1．62g／cm3之间。风积沙的含盐量低，易溶盐含量平均0．55%，主要为硫酸盐、亚硫酸盐。最优含水量为11．9%～13．6%，孔隙比为0．57～0．75，湿陷系数为0．012～0．048，抗剪强度 ＝32°，C＝9 kPa，渗透系数为3～10cm／s。

3 风积沙换填方案设计

换填法是将基础底面下一定范围内的软弱土层清除，分层置换强度较高的砾石层材料，并压实至要求的密实度。换填主要处理表层0～3m的软弱土，因此一般选择地下水位较深，软弱土层＞3m的地段进行换填。根据项目实际情况，采用风积沙进行换填。对风积沙要控制粘粒含量，保证填料的透水性和强度，采用换填法处理时可同时配合土工织物增加地基强度和稳定性［6］。

古尔班通古特沙漠风积沙干密度与含水量关系密切，但在含水量较小时（≤10%）对干密度影响不大，在干燥状态下具有较好的压实性，对于干旱缺水地区，风积沙干密度越大，其沉降变形就越小，故干密度是该种土料的主要设计指标。

沙漠路段路基处理方案为：下路床采用风积沙填筑，上路床45cm采用砾石土填筑，路基边坡采用厚30cm的砾石土进行边坡坡面防护。在上、下路床间路基全断面铺设长丝机织土工布。路面结构设计如图1所示。长丝机织土工布基本技术指标为：单位面积质量≥460g／m2；经向断裂强度≥120kN／m，纬向断裂强度≥84kN／m；经向拉伸断裂伸长率≤35%，纬向拉伸断裂伸长率≤30%；CBR顶破强度≥13．0kN；经、纬向撕破强力为1．7kN／m。土工布的其他技术指标应满足GB／T 17640－2008的有关要求。

图1 路面结构布置图（cm）

4 风积沙路基填筑施工工艺

4．1 施工工艺流程

风积沙换填主要工序为：基底清理测量放线→填料前基底清理碾压→基底检测→拉运土方分层填筑→推土机摊土粗平→分格浇水→平地机整平→压路机碾压→质量检测→下步工序施工。

4．1．1 清表

清表厚度：清表的基本要求是要将地表的草根、腐殖土、盐渍土等杂质清除干净，但不能超厚或欠厚清表，对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：清表应根据地势选择合适的机械，对地势平坦路段使用推土机清除表土，对坑洼较多的路段用挖机清除表土，施工分台阶进行，每层台阶宽2m以上、向内坡度为3%，施工顺序由便道一侧向另一侧推进。清表土处理：对于清表处理产生的废土必须进行处置，其中沙漠地段清表土可就地弃掉，用挖机将其堆码整齐放置在路基坡脚处［7］。

4．1．2 虚铺厚度

风积沙具有独特的物理性质，其压实一般采用水沉法。试验表明，虚铺厚度一般控制在30～40cm。路基填筑采用断面全幅分层法逐层向上进行，先对路基两侧包边砾石土施工，再进行中间路槽内风积沙的填筑。砾石包边土卸料后用推土机推平，再在包边土内侧挂线进行人工整形、找平，最后进行洒水碾压。考虑到风积沙的工程特性，采用挖掘机配合装载机推运风积沙填料的填筑方式进行。

4．1．3 碾压

碾压是风积沙填筑的关键步骤，也是路基施工中的难点。根据风积沙的物理性质和库仑定律，如式（1）所示，因风积沙的粘聚力基本为0，只有增大内摩擦角才能获得较大的抗剪强度，因此压实是提高风积沙层抗剪强度的主要方法。

τf——风积沙抗剪强度；

σ——剪切面法向应力；

φ——内摩擦角；

C——粘聚力。

4．2 压实度检测

因风积沙路基填料性质较为特殊，用传统的灌沙法、环刀法检测其压实度不是特别适合。目前，工程实践中多采用一种改进的环刀法来检测风积沙的压实度。风积沙的压实度检测采用洒水环刀法，砾石包边土的压实度检测采用灌沙法，压实质量以压实度控制。

在实测检验前需进行风积沙填筑的外观检测，主要项目有：路基表面是否平整；边线是否直顺；路基边坡坡面是否平顺；取土坑、弃土堆、护坡道是否恰当等。在外观检测基本符合要求的情况下进行路基压实情况实测，检测要求如表1所示［8］。

表1 风积沙填筑路基压实度检测要求表

4．3 防护工作

为防止风蚀现象，当路堤填至设计标高后，或有较长时间的停工时，必须采取有效措施对填筑的风积沙进行保护：

（1）封闭。封闭的区域是风积沙顶面和边坡，封闭方法一般采用虚铺厚15cm的黏土或砂砾进行全封闭。

（2）刷坡。风积沙地区路基分段完成后，要对路基和边坡及时进行保护。路堤填至设计标高后，自上而下进行刷坡，刷坡下来的风积沙形成挡水埝，防止地表水流入路基范围内；做好路基两侧的草方格防护、铺砌卵砾石护坡等路基防护，路基边坡坡脚浆砌片石防护和排水设施，保证路基、路床不受雨水冲刷；对路堤和路堑边坡应采取有效措施，做到边施工边养护。

（3）土工布铺设。为防止风蚀现象，风积沙顶面验收合格后立即进行土工布铺设及砾石土填筑。土工布的选择及铺设宽度根据具体段落确定，每卷土工布宽度为6m，单卷长100m，相邻两幅土工布间的搭接采用工业机缝制加宽，缝制搭接宽度按照50mm施工。施工期间，现场未用完的土工布应尽快遮盖或挖坑掩埋，日照时间不得超过36h。

（4）砾石土填筑。砾石土对风积沙换填层具有良好的保护作用，其施工主要流程为：砾石土填筑→摊铺平整→洒水→碾压→压实度检测→边坡防护。

4．4 风积沙换填常见问题及处理措施

4．4．1 洒水问题

施工时如果洒水不均匀、不彻底会影响风积沙填筑的压实度。风积沙填筑的洒水方法也非常重要，现场洒水采取分格的方式，可保证洒水均匀，防止漏洒、过洒现象的发生。

4．4．2 环境污染问题

为尽量避免风积沙填筑带来的环境污染，一般采用吨位大、车厢封闭好的自卸汽车运输风积沙；在施工过程中，对风积沙及施工便道及时进行洒水湿润，以防止扬尘现象发生。在设计方面，对取土场进行强制性规定，防止乱挖、超挖对环境造成的破坏。

4．4．3 渗水问题

风积沙路基填筑时如有渗水容易造成边坡坡脚坍塌，严重影响交通。因此必须严格控制风积沙填筑路基的洒水量，并采取排水措施，保护路基坡脚和便道。

5 路基沉降分析

施工观测主要以沉降观测为主。路基在外荷载作用下，沉降量随时间发展逐渐增大，经过瞬时沉降、固结沉降及次固结沉降最终达到稳定。沉降测点布设断面一般在路堤中心及路肩，盐渍土路段每200m布设一个断面。本文以K516＋800～K517＋300盐渍土路段为例进行监测分析，共设计3个观测断面，9个观测点。在完成主体施工任务后开始首次沉降观测。测点的沉降量集中在24～72mm范围内，最大沉降量为72mm，发生在测点K516＋880左点处，曲线图如图2所示。

从图2可知，该测点共观测162d，约65d后沉降基本达到稳定，后期沉降均很小，沉降量在2mm以内。该断面前期沉降较大，主要是受填土预压等影响，使得软弱土地基沉降较大，测点达到稳定时间较短，根据规范要求，处理后的沉降值累计不超过0．1m，而该点累计沉降为72mm，低于允许值0．1m，说明该处置方法已达到预期效果。

图2 K516＋880（左）沉降曲线图

6 结语

风积沙换填盐渍土地基的效果与其工程力学的特性密切相关，尤其是风积沙的最大干密度和含水量，在换填前必须严格控制相关指标。在施工过程中，要注意风积沙填筑路基的洒水、渗水以及环境污染问题，采取合理有效的解决方案，确保风积沙路基的施工质量，并最大限度考虑环保因素。工程实践表明，风积沙换填后沉降满足规范要求，有效地保证了工程质量，降低了工程成本，提高了社会经济效益，为沙漠地区公路建设提供了宝贵的施工参考经验。