改性风积砂在湿陷性黄土路基应用研究

陈燕明，赵 军，张贵生，任金宝

（1.甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730030；2.静宁县交通运输局，甘肃 静宁 743400）

湿陷性黄土是在自重或一定压力下受水浸湿后，土体结构迅速破坏，并产生显著下沉现象的黄土，即使经过压实重塑黄土，一旦地下水或地表水进入黄土填筑路基改变了原有最佳含水量后，仍造成不同程度的湿陷性破坏。一般情况下，公路工程在路基底部设置厚度不小于30-50cm的灰土隔水垫层或用水泥土换填垫层，在一定程度上阻断了水进入填筑路基，但不能消除水进入填筑的路基。本文利用改性风积砂的防渗特性，作为隔水层铺筑于湿陷性黄土填方路基，通过防渗、隔水措施避免公路黄土地基范围内黄土与水发生作用，有效保证了路基的整体强度和稳定性。

1 改性风积砂特性

改性风积砂是通过“增强水的表面张力”原理，以沙漠风积沙为原料，研制开发出的一种具有呼吸功能的防渗透气材料。在研究掌握改性荒漠沙物理力学指标的基础上，结合室内单轴压缩、界面剪切试验，从改性荒漠沙隔水性能和砂-土界面力学特性，以及隔水效果进行评价。

物理力学指标：改性风积砂粒径主要分布在0.075～0.25mm之间，不均匀系数为1.80，曲率系数为0.91，级配不良。改性荒漠沙的比重为1.88g/cm3，结合其单轴压缩曲线，松铺密度为1.59g/cm3，其干压实密度收敛值为1.64g/cm3。

砂-土界面力学特性：改性风积砂-土界面直剪试验显示，其剪切残余粘聚力为7.80kPa，残余内摩擦角为20.4°，砂-土界面力学性能良好。

隔水特性：同等压力水柱高度为94.55m时，改性荒漠沙层未出现透水情况，改性风积砂防渗性能良好。改性风积砂级配曲线和改性风积砂压缩曲线如图1，图2所示。

图1 改性风积砂级配曲线

图2 改性风积砂压缩曲线

2 湿陷性黄土段路基物理力学性质

试验段施工取土场地典型原状土基本物理力学性质为：平均干密度为1.27g/cm3，土粒相对密度为2.5，液限为19.4%，塑限为31.4%，孔隙比为0.99，平均天然含水率为20.2%，塑性指数为12，其工程分类为低液限黏土。通过室内直剪试验，原状土的粘聚力为3.54kPa，内摩擦角为37.6°当浸水压力为400kPa时，其大孔隙比为0.166，试验段场地原状土天然含水率下的湿陷系数为0.085，大于0.07，为强烈湿陷性黄土。压缩试验曲线和浸水后土样时间对数曲线如图3、图4所示。

图3 压缩试验曲线

图4 浸水后土样时间对数曲线

3 改性风积砂方案设计、施工步骤及隔水监测

3.1 方案设计

路基顶层设置隔水层是保证路基湿度，避免地表水渗入地基而造成路基损坏的有效措施。科学合理的进行隔水层设计，是确保路基稳定性的关键。尤对湿陷性黄土路段，因湿陷性黄土是一种高压缩性的非饱和欠压密土，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点，在工程建设中存在着很大的隐患。为了降低和防止黄土湿陷性对工程造成的损害，在公路设计中对其地基进行处理采用很多材料及方法。

传统处理方案主要有：换填垫层法、冲击碾压法、强夯法、挤密桩法、桩基础法等。通过改变地基土结构（土密实度、压缩性、透水性等）相关土体特性来达到消除湿陷性、提高基底承载力的目的。而改性荒漠沙作为隔水层处理湿陷性黄土路段路基，旨在消除湿陷性黄土因水分渗入导致路基沉陷。因此，对改性荒漠砂隔水层设计重点从阻水隔水考虑，以防止上部水分下渗、土体内毛细水上升导致路基土体水分过大而破坏路基使用性能。

试验段填方路段方案主要由改性风积砂、中粗砂保护层两部分组成。下层采用一定厚度的改性风积砂，隔绝路基上方渗水和地基下方毛细水上升；上层铺设中粗砂，作为改性风积砂的保护层，即改性风积砂的保护层又是填方路基的过滤层；在坡脚设置改性风积砂隔水墙，防止路基两侧积水下渗到路基中；在改性风积砂下层及改性风积砂与中粗砂保护层之间各设置一层土工布，土工布参数为，纵向≥40KN/m，横向≥40KN/m，纵横向标称抗拉强度下的伸长率≤15%。试验段铺筑改性风积砂隔水层厚度分三处（三个方案），即K3+180-190段改性风积砂厚度5cm，铺筑面积142m2，K3+190-200段改性风积砂厚度8cm，铺筑面积156m2，K3+200-210段改性风积砂厚度10cm面积162m2，需改性风积砂35.8m3，透水土工布920m2，粗砂保护层35m3。在K3+170-K3+180处采用5%灰土换填黄土进行路基填筑。如图5～图8所示。

图5 30cm厚5%石灰土

图6 5cm厚改性风积砂

图7 8cm厚改性风积砂

图8 10cm厚改性风积砂

3.2 施工步骤

施工放样：确定要铺筑不同厚度改性荒漠砂的实际位置，标记桩号，采用标杆法控制摊铺厚度；

清表、碾压：清表深度为30cm，确保挖除腐殖土，用压路机及平地机对基底充分压实整平；

埋设检测设备：为后期现场监测埋设了沉降传感器、埋入式应变计、水分温度探头、土压力计、雨量监测器；

铺设透水土工布：铺设透水土工布时注意搭接宽度应满足规范要求。

铺筑改性荒漠砂：为避免施工机械在压实过程中破坏监测设施，监测点1.5m范围内采用人工夯实，及时检测厚度及平整度，以满足施工规范要求，并实时监测设备运行情况。

再次铺设透水土工布：铺设透水土工布时注意搭接宽度应满足规范要求。

铺设中、粗砂保护层：铺筑8cm厚的粗砂保护层。

路基土方填筑：按照路基施工规范要求填筑上层路基、同步完成灰土换填路段的路基填筑。

监测：施工完成后及时观测，采集相关数据。如图9，图10所示。

图9 绘制网格

3.3 隔水监测

试验段铺筑的同时，在改性风积砂隔水层上下分别埋设检测设备，通过实时监测获取荒漠砂隔水层试验段路基的结构健康状况。对该处路基含水量的变化进行实时在线监测,并对监测数据进行对比分析，数据分析如图11、图12所示。

由 图10可 知，2019年5月 至2019年9月 三处监测点的体积含水率总体呈现上升趋势，原因为上路床、底基层、基层、面层处于施工阶段，2019年9月面层施工结束后，路面结构层中封层、透层阻隔雨水等下渗到路基填土中。2019年9月，5%石灰土换填层上部体积含水率变化量明显增加，原因为，石灰土换填层未能阻断下部水上升，而5cm和8cm改性风积砂砂隔断层上部体积含水率变化量处于小范围波动，波动的原因为少量路面水、路肩渗水、填方边坡水等使隔水层上部干湿变化，但基本处于平稳。

图10 铺筑风积沙

图10 上部含水率变化量曲线图

由 图11可 知，2019年5月 至2019年9月 四处监测点的体积含水率总体呈现上升趋势，原因为隔水层下部毛细水或地下水的补给。2019年9月至2020年2月，体积含水率均呈下降，8cm厚隔水层一度出现负变化量，原因为冬季地温下降导致，且8cm厚隔水层下部土体含水率处于饱和含水率浮动变化。2020年2月后体积含水率变化量均继续上升，原因为地温回暖，地下水补给及毛细水作用导致。

图11 下部含水率变化量曲线图

由图10及图11分析表明改性风积砂隔水层上部及下部含水率变化量保持差距，说明隔水层上下水未发生相互渗透，表明改性风积砂阻止了水的渗透；5%石灰土换填层上部体积含水率变化量明显增加，表面该处未能阻断下部水上升；改性风积砂含水率变化量处于小范围波动，原因为地表水、地下水等使改性风积砂含水率变化量局部变化，但并不影响整体路基的稳定性，从而有效提高湿陷性黄土路段地基因水渗入而造成的地基沉陷；8cm改性风积砂含水率变化量处于正、负交替变化，推测该处隔水层能有效适应路基含水率的周期性变化，保持路基的整体稳定。

4 结语

湿陷性黄土是一种高压缩性的非饱和欠压密土，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点，在工程建设中存在着很大的隐患，改性风积砂作为隔水层，用于湿陷性黄土地区地基处理，具有柔性防渗、自修复功能，可以适应土基动态变化，有效阻断地表水下渗及毛细水上升导致的路基稳定性下降，提高结构安全性。

8cm厚改性风积砂隔水层能有效适应路基含水率的周期性变化，保持路基整体稳定。

本试验段依据方案设计要求，合理计算填筑设计厚度，施工中通过划分网格，保证每个吨袋在卸料后基本达到设计厚度。通过铺设土工布，有效防止砂料流动，最大限度利用改性风积砂及中粗砂等材料。采用机械摊铺压实及人工修整相结合的方式，保证摊铺厚度，达到监测条件，保证数据的真实可靠。回填土采用双钢轮压路机缓慢静压，避免填筑的沙料及土工布破坏，同时达到压实质量要求。