南方湖区高速公路吹砂填筑路基关键技术研究

2021-07-19严黎

公路与汽运 2021年3期

严黎

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南岳阳 414000)

中国湖区、江河沿岸地区，地貌普遍为Ⅰ级堆积阶地，地形平缓，路线位置多覆盖淤泥质土层，不利于路基填筑。如何利用湖泊河流中的砂料经济、环保地填筑路基，坚持资源节约、环境友好的建设原则成为公路建设中不得不面对的问题。湖区公路建设中，路基吹砂填筑技术具有显著优势。关于吹填砂路基质量控制，由于没有相关规范控制填筑和压实质量，采用吹砂填筑的路基承载力往往不够，需采取强夯法进行加固。采用吹填砂工艺填筑高等级公路路堤已在中国多个地区得到应用，但大多修筑里程较短。此外，在包边和封层土施工、边坡防护、压实及沉降控制等方面的研究还不够成熟。针对这些技术问题，该文结合实体工程修筑实践，对吹填砂路基修筑关键技术进行研究。

1 河砂性质试验与应用可行性分析

1.1 吹填河砂应用要求

(1) 最大干密度的要求。含水量相同的情况下，若干密度较小，理论上通过较少的碾压遍数就可达到压实度要求，而实际情况往往是不能达到要求，影响路基的强度和稳定性；若干密度较大，则需消耗更多的人力、物力才能达到要求，不仅会延长工期，还会造成工程成本增加。因此，在路基填筑时，特殊填料的砂应参考相对密度，通过击实试验得到最大干密度，作为评价填筑路基压实度的依据。

(2) 河砂粗细及含泥量的要求。考虑吹填施工的难易程度，修筑高等级公路路堤的吹填砂应以中、细砂为宜，如采用粉砂，则要严格控制最佳含水率，保证压实质量。含泥量(即细粒土、粉土、黏土含量)在填砂路基中会显著影响砂的使用质量，根据实体工程修筑实践与经验，含泥量应不大于15%。砂的含泥量较大，则水很难渗下去，在压路机压实作用下会使表层成为板体，导致作用力很难传到下面。实际工程建设中应对选取的河砂先进行试验分析，确定砂的物理性质和含泥量。

1.2 实体工程河砂性质试验分析

结合某湖区高速公路实体工程，对采用吹填砂的河流东支流和中支流进行取样，通过击实试验和筛分试验得出河砂的细度模数、最大干密度和最佳含水率，同时测试含泥量，结果见表1、表2。

表2 河砂性质应用可行性分析论证

由表1～2可知：河流中支取样的河砂含泥量为5.4%，细度模数为0.88，属于粉砂，易吹填。但由于粉砂颗粒较均匀、塑性指数低、黏性小、保水能力差，控制粉砂的最佳含水率较困难，施工时要考虑压实工艺，控制砂的含水量，保证压实质量。河流东支取样的河砂含泥量为4.2%，细度模数为2.9，属于中砂，可用于吹填路基。

表1 河流取样筛分试验结果

2 湖区吹填路基施工技术与质量控制

2.1 湖区吹填路基施工关键技术

湖区高速公路路基修筑中主要存在填料缺乏、沿线软基较多的问题，为解决填料缺乏的问题，往往采用吹填砂路基进行修筑，在软基上修筑吹填砂路基面临边坡施工、沉降控制等技术问题。

(1) 边坡施工。受软基工后沉降的影响，施工时边坡坡度一般会比设计要求大，需着重研究路堤的稳定性，施工边坡坡度极限经过计算路堤自身和地基的稳定性得到。纯砂的天然坡角等于内摩擦角，而吹填砂内部存在黏聚力，其坡比可达1∶1甚至1∶0.75。包边土的厚度需包含软土路基沉降的路堤加宽量，而且坡脚、坡顶需参照软基处理工程数量进行加宽。

(2) 封层土施工及沉降观测。明确软基路段封层土的填筑时间和位置是施工关键，可通过最终计算沉降和填土至封层土底标高时的实测沉降来确定。假设计算最终沉降为S，填土至封层土底标高的实测沉降为S1，两者相差S-S1。由于路面施工后还会有10～30 cm沉降，封层土底标高需比设计底标高提高S-S1-30 cm。考虑到吹填砂路基的特殊性，也可将上述值降低50 cm，也就是比设计底标高增加S-S1-80 cm。

(3) 下封层和砂垫层施工。对于粉喷桩和管桩等软基处理方法，可先铺设透水土工布，再进行黏土下封层施工。黏土下封层可设置4%向外的横向排水坡度，然后实施砂垫层施工，完成后进行吹填施工。软基处理中的砂垫层可采用级配砂砾。采用塑料排水板处理软基时，可直接铺设50 cm砂垫层作为工作层，然后进行吹填施工。吹填砂路基横断面设计见图1。

图1 软基处吹填砂路基横断面设计示意图(单位：cm)

2.2 湖区吹填路基压实控制技术

(1) 路基压实度控制标准。在吹填砂填筑路基施工中，压实是非常重要的工序之一，压实度是否合格是评定工程质量好坏的重要指标，要求路基填料均匀、密实，分层铺筑、均匀压实。对于吹填砂路基，为保证后期路基的长期稳定，建议在路床部分采用黏性土填筑，路床填土压实度及填料满足表3的要求。若不能满足要求，需及时进行适当处理或采取换填措施。

表3 吹填路基路床填筑压实度及填料要求

(2) 吹填河砂击实试验与压实特性。先开展拟吹填河砂击实试验，确定取样河砂的最大干密度、最佳含水量，确定吹填河砂的压实特性，为确定合理的压实工艺提供依据，也为碾压完成后压实度检测结果计算提供基础数据。拟吹填河砂取样击实试验结果见图2～3。由图2～3可知：拟用于吹填的河流中支取样河砂的最大干密度为1.706 g/m3，最佳含水量为13.6%；河流东支取样河砂的最大干密度为1.945 g/m3，最佳含水量为12.3%。

图2 湖区某河流中支取样击实试验结果

图3 湖区某河流东支取样击实试验结果

(3) 填砂路基压实度检测。路基填筑过程中，采用灌水法对下路堤吹填砂路基压实度进行检测，结果见表4。由表4可知：下路堤吹填砂路基压实度为92.37%～94.65%，基本满足公路路基下路堤压实度要求。

表4 吹填砂路基压实度检测结果

2.3 湖区吹填路基稳定性分析与控制

(1) 边坡稳定性分析。根据现场实测黏土与砂土的c值和φ值，采用LAC/SLOPE软件进行边坡稳定性分析和控制。对于吹填高度较大的路堤，如计算结果显示边坡不稳定，则每隔2 m左右厚度加一层土工格栅，加强路基的稳定性。若路基失稳，则根据不同表现形式采取相应措施：若为坡顶塌陷，则重新反挖包边土，换填包边土并加强包边土与砂袋间结合部的处理，同时加强边坡的工程防护；若坡面塌陷，可采用放缓边坡坡比的措施，如难以实现，则加强防护工程；若路基塌陷，则重新开挖并进行填土或填砂修筑。

(2) 沉降及水平位移观测。吹填时，需及时观测和记录沉降和位移，要求地基抗剪强度增长的固结时间大于填筑路基时间。填筑速度分为3个等级，分别为极限高度以下、极限高度～极限高度以上2 m、极限高度2 m以上。极限高度以下：加快填筑速度，争取固结时间。极限高度～极限高度以上2 m：路基中心的表面沉降速率宜控制在15 mm/d以内，坡脚处的侧向位移宜控制在8 mm/d以内。极限高度2 m以上：路基中心的表面沉降速率宜控制在10 mm/d以内，坡脚处的侧向位移宜控制在5 mm/d以内。单级孔压系数(各级加载的孔隙水压力增量与荷载增量之比)小于0.6，综合孔压系数小于0.4。

3 湖区公路吹填路基边坡防护与经济效益

3.1 边坡防护方案设计

吹填砂路堤包边外边坡采取植物防护与工程防护结合的方式。考虑到填筑路基周期较长，为保证每层填土宽度和厚度，并避免雨水冲刷边坡导致泥沙流失破坏农田，吹填过程中对路基边坡进行临时防护。编织袋按设计坡度打磨，每层堆高40～50 cm，起到临时防护作用，可避免边坡被降雨冲刷，保证路基的稳定性。

某湖区高速公路修筑中，设计4种边坡防护方案(见图4～7)，通过试验路修筑验证其合理性。

图4 拱形骨架衬砌内植草护坡平面示意图(方案一)

图5 六边形空(实)心预制砼块护坡平面示意图(方案二)

图6 喷播草护坡示意图(方案三，单位：cm)

图7 鱼塘及河流护坡平面示意图(方案四)

上述4种方案环保又稳定且都与自然和谐统一，其中：方案二的六边形空洞处可填土植草，且绿化部分为重复的排列有序的标准六边形，可改善、美化环境；预制块外侧做成斜面，铺砌时可形成纵横相通的预留缝，可对坡面进行自由散水、排水，达到防冲刷的目的；为保证填砂路堤安全，方案二和方案四中的预制块之间设为黏结，加强预制块护坡的整体性，形成整体强度。具体方案选取视实际情况而定。

3.2 吹填砂填筑路基的经济效益分析

对吹填段如果进行常规的填筑土施工，为选取合格的填筑土，需远距离取土，会给当地交通带来不利影响，且效率低、造价高。选用河道中取砂砾吹填的方法，可解决选调土造成的交通影响，还可疏通河道，带来良好的社会经济效益。表5为不同填筑方式的经济效益比较。

表5 不同填筑方式的经济效益比较

由表5可知：吹填砂的平均填筑距离为2 km左右，吹填成本为25元/m3左右。拟吹填段除封层土和包边土外的填方量约为400万m3，填土路基约40元/m3(平均运距为15 km)，与一般填筑土施工相比，吹填砂填筑通过控制材料就能节约近6 000 万元。此外，砂砾取材方便、运输简洁，可提高施工进度，节约工期，这也可大幅度降低工程造价。