湛徐高速公路徐闻港支线高液限土直接填筑实验研究

陈 力，黄蕾鸣

（1、广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州510507；2、广东省高速公路有限公司 广州510100）

0 引言

近年来，广东高速公路建设迅猛发展，建设区域逐步从经济较发达的珠三角地区推向经济欠发达粤东粤西地区。湛徐高速公路徐闻港支线位于广东省西南部雷州半岛南部，路线长16.219 km，全线以台地为主，间夹冲积平原或台间洼地，偶有低山丘陵，地形较平缓，起伏不大。属亚热带季风气候，年均温度22～23℃，蒸发量和降水时空分布极不均匀，如2015 年就发生过严重干旱。雷州半岛及海南岛北部广泛分布有玄武岩，以及经风化分解形成的残积红土［1］。湛江和茂名一带的西南部地区（Ⅱ区）是广东地区高液限土分布的 4 个代表性区域［2］，在广东省阳茂、茂湛、二广、广梧等高速公路中均分布有高液限土。

1 问题的提出

本项目所在地区路基填土土源稀缺，为了最大限度地减少对已有植被的大开挖，节约土地资源，使公路更好融于周边自然环境，采用了沿海低路堤绿色公路方案，尽量压低了路线纵断面高程，例如高速路线下穿省道S376、粤海铁路等。

另外，本项目附近的土源大部分是高液限土（见图1），即使采用了低路堤方案，路基借土方量依然较大，如废弃高液限土很难寻找弃土场，且弃土会带来二次污染；二是短距离内也找不到更好的土源。为了项目的顺利推进，需对高液限土进行处治，其常见方法主要有：换填法、掺灰改良法、封闭包盖法、土工织物加筋法、夹层法等。其中掺灰改良是目前应用和研究最多的方法，通过掺入一定比例的砂、水泥、康耐等材料改变土的特性，来增强路基土的压实性和强度［3］。但这些方法都有一些不足之处：一是施工工艺较复杂，改良养护施工进度较慢；二是通常采用路拌，拌和不均匀，灰与土的配比难统一，施工质量难保证；三是掺入集料成本高，工程投资规模较大［4］。如何利用好这些高液限土，以符合资源节约、生态环保的绿色公路设计理念是一大难点。

本文结合雷州半岛特有的沿海热带季风气候，在分析项目高液限土工程特性的基础上，提出通过采取科学的工程措施和施工工艺，试验研究直接利用高液限土填筑路基（即不进行改良）的方法，达到既大量利用高液限土又缩短施工工期，同时保证工程质量和控制投资规模的目的。

图1 徐闻港支线高液限土（夹孤石）Fig.1 High Liquid Limit Soil of Xuwengang Branch Expressway（Mixed with Boulder）

2 高液限土直接填筑技术

2.1 直接填筑技术

高液限土直接填筑技术（即不改良）在国内部分高速有相关实验性研究成果。刘银生［5］研究了适合于直接填筑的土质分类，提出了适合于直接填筑的高液限粘土土质分类的具体指标，并对这些分类指标进行了定量化分析。二广高速试验利用18 t 压路机通过不同碾压参数组合，直接利用高液限土进行93 区路基填筑，使填土达到 93%的压实度［3］。武明［6］通过对综合法、层铺法、拌和法及传统法路基填筑施工工艺进行研究，确认4 种高液限土直接填筑方法均是可行的。程涛等人［7］对云罗高速高液限土采取包盖法处理及降低压实度标准至88%后的直接填筑方案。卢佩霞等人［8］对高液限土路堤直接填筑质量控制参数进行研究，认为高液限粘土和含砂高液限粘土可用于路堤直接填筑。文献［2］提出高液限土CBR 值大于或等于3%、细颗粒含量介于50%～90%之间、液限介于50%～70%，可考虑作为路堤93 区以下（包括93 区）的填料直接填筑。李跃中等人［9］以贵州某高速公路为例，提出高液限土以84%作为该条高速公路高液限土的压实标准。

目前对高液限土直接填筑处理的主要工法是“包芯法”、“包边法”或“包盖法”［4］，即采用排水垫层+非高液限土包边+封顶层隔水保护，使包裹在内芯里的高液限土不受水浸破坏。该方案在广东省茂湛高速公路、揭博高速、渝湛高速公路等多条高速公路上得到了良好的应用。徐一鸣等人［10］对包盖法直接填筑方案如何选择高液限土路堤封层、包边以及加筋参数进行了施工总结。

但“包芯法”或“包边法”的最大问题是路堤两侧非高液限土包边很难与高液限土同步施工压实，且底部、顶部、路堤两侧均需非高液限土包边，施工程序繁琐，影响施工质量和进度。

2.2 徐闻港支线高液限土特性

根据勘测结果，湛徐高速公路徐闻港支线工程大部分挖方段均分布有高液限土，极少部分高液限土细颗粒含量大于90%，不能作为路堤填料直接填筑，考虑作为绿化种植土。同时，分析了3 个取土场土样，细颗粒含量均介于50%～90%之间，液限介于50%～60%，最大特点是CBR 值较大（均大于10%），如表1所示，按文献［2］的要求，取土场高液限土可试验作为路堤93 区以下（包括93 区）的填料直接填筑。

3 “三明治法”工法

3.1 直接填筑方案比选

本项目路基填方路堤高度2～6 m，最大填土高度不超过8 m，属于典型的低路堤公路。为了设计出合理的高液限土填筑方案，以4 m 高的填土路堤为例，进行填方路段高液限土处治的方案比选（见图2）。

徐闻港支线路基标准宽度28m（双向四车道），针对本项目土方短缺的特点，设计采用低路堤以节省土方，利用完本项目挖方的91.4 万m3土（含约50 万m3高液限土），仍需从取土场外借15 万余m3高液限土。

表1 取土场土工实验报告Tab.1 Geotechnical Test Report of the Borrow Pit

图2 高液限土处治方案比选Fig.2 Treatment Method Comparison

以10 km 长，平均4 m 高的路堤为例，对比填土工程数量如表2 可得出：若采用传统的“包盖法”直接填筑高液限土，则需要70.52 万m3非高液限土包盖，而3 个取土场均是高液限土，无法找到非高液限土源，且低路堤公路路堤中间会出现夹10～30 cm 左右高的液限土薄层，不利于施工，基于本项目低路堤公路特征，推荐采用“三明治法”工法。

表2 工程数量对比（10km）Tab.2 Project Quantity Comparison（10 km）

3.2 “三明治法”工法特点

本工法结合雷州半岛特有气候条件和低路堤公路特性，提出对传统“包盖法”或“包边法”（见图3）进行调整，即取消非高液限土包边，在低路堤公路中试验采用“三明治法”工法（见图4），设置50 cm 石屑垫层+高液限土+20 cm 石屑封层+一层两布一膜隔水，该方案具有如下设计特点：

图3 “包边法”工法（比较方案）Fig.3 Envelope method（Comparative Scheme）

图4 “三明治法”工法（推荐方案）Fig.4 “Sandwich”Method（Recommended）

⑴ 相对于传统“包盖法”，“三明治法”工法用于雷州半岛填土高度为2～6 m 的低路堤公路，可快速直接填筑高液限土（即不改良），极大了减少施工工序和降低工程成本；

⑵ 针对徐闻港支线低路堤、降雨边坡汇水面积小、坡面汇流历时短的特点，试验取消边坡非高液限土包边，采用喷播植草或三维网植草防护（见图5），避免传统方法出现非高液限土包边与高液限土分期填筑施工，压实不统一的问题；

⑶ 相比较非高液限土封顶，采用两布一膜+20 cm 石屑封顶，防水性较好且摊铺快（见图6）；

⑷ 低路堤公路采用“三明治法”工法不会出现传统“包盖法”夹薄层的情况，能大量利用本项目挖出的高液限土，解决了土方短缺的问题。

图5 徐闻港支线高速（低路堤）Fig.5 Xuwen Port Extension Expressway（Low Embankment）

图6 石屑+两布一膜封顶的高液限土处置工法Fig.6 High Liquid Limit Soil Disposal Method Using Stone Bed Cushion + Two Cloth and One Film Cover

3.3 翻晒施工

高液限土的特点之一是天然含水率较高，一般地区（如广梧高速）通过晾晒的方法很难在短时间内使其含水率降到最优含水率范围内［8］。而雷州半岛临近海南，徐闻港支线位于琼州海峡北侧，炎热多雨，光照时间长，为干湿季节变化明显的热带季风气候，这为高液限土通过翻晒控制含水率，进而能够直接填筑提供了有利条件。

曹为等人研究了海口至屯昌段高速公路试验段，通过现场翻晒测试以及填筑效果验证了高液限红黏土在高含水率状态下，翻晒2 d 即可满足压实要求，可直接用作路堤填料［11］。杨博等人对海南中线高速高液限土进行了翻晒实验，通过翻晒1～4 d 降低其含水率后即可用于填料施工，并提出了南方多雨地区路基择时施工方法［12］。

徐闻港支线试验了翻晒施工工艺和参数：

⑴ 本项目所在地多为阵雨，并有沿海微风，路堤高液限填土经常因为含水率过低收缩开裂（见图7），炎热干燥施工期定时对路基土洒水，利用平地机翻开上层开裂高液限填土，并用洒水车适当洒水，控制其含水率至最佳含水率附近，再重新填筑压实。

图7 含水率过低高液限土路基收缩开裂Fig.7 Shrinkage and Cracking of Subgrade with Low Water Content and High Liquid Limit Soil

⑵ 施工中下雨时用两布一膜对已填路基土进行覆盖，当含水率过大时，雨停后用平地机翻开上层填筑高液限土（见图8），通常翻晒1～4 d 控制其含水率至最佳含水率附近：93 区控制含水量在27.5%～31.5%范围，94 区控制含水量在20.8%～26.8%范围，96 区控制含水量在15.1%～21.1%范围，即可直接填筑高液限土。

图8 平地机翻晾含水率过大的高液限土Fig.8 Grader Turning over High Liquid Limit Soil with Excessive Moisture Content

4 高液限土路堤稳定性分析

徐闻港支线采用了低路堤方案，为了解决部分涵洞排水困难的难题，在部分路段设置了排水蒸发池，例如K514+012 右侧路堤采用高液限土填筑：路堤填土高度约4.2 m（不含路面厚度），边坡坡率1∶1.5，蒸发池坡率1∶0.75，南侧蒸水池挖深3 m，路堤坡脚到蒸发池距离7 m。根据地勘报告，该处土层物理力学性质指标如下：凝聚力 25.5 kPa，内摩擦角 19.2°，湿密度 1.74 g/cm3。

通过数值分析软件建立了分析模型（见图9），经过模拟计算，该处填方路堤稳定性安全系数为2.1（见图10、图11），满足规范要求。

5 结论

⑴ 本文依托雷州半岛湛徐高速公路徐闻港支线工程，针对项目地区路基填土土源稀缺、高液限土CBR值高、填土高度2～6 m 的低路堤公路特点，提出对传统“包盖法”或“包边法”进行调整，即取消非高液限土包边，试验采用直接填筑高液限土的“三明治法”工法。

Fig.9 路堤稳定性数值分析模型Fig.9 Numerical Analysis Model of Embankment Stability

图10 安全系数云图Fig.10 Safety Factor Cloud Map

图11 滑动面分布Fig.11 Embankment Sliding Surface Distribution

⑵ 相对于传统工法，“三明治法”取消非高液限土包边，可快速直接填筑高液限土（即不改良），同时避免传统方法出现非高液限土包边与高液限土分期填筑施工，压实不统一的问题，也不易出现传统“包盖法”夹薄层的情况，能大量利用项目挖出的高液限土，一定程度上解决了项目土方短缺的问题，极大减少了施工工序和降低工程成本。

⑶ 徐闻港支线利用有利的沿海热带气候条件，实验总结了高液限土翻晒1～4 d 控制其含水率至最佳含水率附近，进而能够直接填筑的施工经验参数，并对高液限土路堤进行了稳定性分析，其安全系数满足规范要求。

⑷ 工程质量检测报告显示本项目路基压实度合格率为97.7%，弯沉合格率为100%，满足交工验收要求，验证了本方案设计的合理性，本项目的实施体现了资源节约、生态环保的设计理念，可为同类地区绿色公路建设提供参考。