蔡惠華

（中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司，江蘇南京 210000）

引言

長江中下游某城市道路建設(shè)工程需路基填方約20 萬方，但該項目90 %路段位于長江北岸一級地段，地勢低洼，河網(wǎng)密布，路線周邊都是基本農(nóng)田，若所需路基填方全在當(dāng)?shù)厝⊥?，一方面將造成基本農(nóng)田的嚴(yán)重破壞，另一方面當(dāng)?shù)赝猎春枯^高，經(jīng)對開挖土方進(jìn)行檢測，其含水量為28 %左右，通過“路基填土含水率試驗”，即將土樣置于平均溫度設(shè)定為28 ℃的烘箱，并24 h 工作，經(jīng)連續(xù)測量72 h 后，土樣含水量達(dá)到規(guī)范允許范圍，以此推算，現(xiàn)場自然晾曬風(fēng)干需要6 d 時間，且必須連續(xù)6 d天氣晴好。通過調(diào)查工程所在地近三年天氣情況及每月雨水分布情況，每年雨天和陰天的總量占到全年總天數(shù)的一半以上，且每月的雨天并非一直連續(xù)下雨十多天，基本都是下2～3 d 雨，多云3～4 d，連續(xù)的晴好天氣非常少，即采用自然翻曬、原狀土填筑的條件非常不利。若路基填筑過程中全部采用原狀土晾曬回填，將造成工期無限期拖延。

近年來，在我國西部地區(qū)公路建設(shè)中，開展了以風(fēng)積沙為路基填料的研究，并逐漸認(rèn)可風(fēng)積沙是一種很好的筑路材料[1]。在國外也早有用海沙、河沙以及風(fēng)積沙等作為筑路材料的案例，且相當(dāng)成功。因此，對該項目而言，因地制宜采用長江細(xì)砂作為路基填料，既可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，也可以有效推進(jìn)工程的順利開展，但同時也是一個大膽的嘗試，與應(yīng)用相對成熟的風(fēng)積沙相比較，長江細(xì)砂在顆粒組成、粒徑、及級配等方面都有一定的區(qū)別，作為路基填料的話，填砂路基的穩(wěn)定性及如何確定其路用性能，并采取一套可靠的施工工藝確保其施工質(zhì)量是非常值得研究的技術(shù)課題。

1 路基斷面形式與穩(wěn)定性分析

1.1 路基斷面形式設(shè)計

常見的路基填砂斷面形式為路基中部填砂，兩側(cè)做包邊土處理，包邊土的形式有平行四邊形、梯形等，其中平行四邊形的優(yōu)點是施工簡便，可順序作業(yè)，能最大限度地利用細(xì)砂，缺點是包邊土與中部細(xì)砂分界線位置的壓實度不宜控制；梯形的優(yōu)點是包邊土較厚，與細(xì)砂分界線位置易壓實，缺點是細(xì)砂利用率低。

該項目路基中部填砂采取兩種方式，原地面以下采取直槽開挖，利用原土作為包邊土，原地面以上采用直角梯形包邊土形式，以充分利用細(xì)砂資源，并達(dá)到最佳壓實效果，斷面形式如圖1 所示。

圖1 項目路基填砂斷面圖Fig.1 Project subgrade sand filling profile

1.2 路基穩(wěn)定性分析

填砂路基先施工中部細(xì)砂，然后在路基兩側(cè)攤鋪石灰土，細(xì)砂與包邊土跨縫同步碾壓至設(shè)計強度，包邊土為上窄下寬的直角梯形，高度30 cm，邊坡坡度為1:1.5，詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

表1 計算模型各項參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Calculate the model parameters statistical table

穩(wěn)定性分析時可視包邊土為一個重力式擋土墻[2]，計算模型如圖2 所示，并按下式驗算抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性。

圖2 穩(wěn)定性驗算模型圖Fig.2 Stability checking model diagram

1）抗滑驗算：

其中：c1為包邊土的黏聚力；c2為細(xì)砂的黏聚力，一般取0；主動土壓力b為包邊土寬度，計算時取1 m。

代入式中：

抗滑穩(wěn)定性：FS≥1.3，滿足要求。

2）抗傾覆驗算：

抗傾覆穩(wěn)定性：Fc≥1.5，滿足要求。

2 指標(biāo)檢測與性能分析

2.1 原材料檢測

參照土的試驗項目分別對取自長江沿岸三個具有代表性料場的細(xì)砂進(jìn)行篩分、液限、塑限、天然含水率、CBR 值及有機質(zhì)含量等試驗，并統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

表2 原材料檢測結(jié)果Tab.2 Raw material test result

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析可知：

1）細(xì)砂的顆粒粒徑在在0.075～0.3 mm 之間 的占90 %以上，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）[3]對砂土的分類標(biāo)準(zhǔn)，本項目長江細(xì)砂屬于細(xì)砂。經(jīng)計算其不均勻系數(shù) Cu=d60/d10=0.3/0.075=4，結(jié)果小于5，表明細(xì)砂的粒徑比較單一，級配不良；

2）細(xì)砂屬低液限砂土；

3）細(xì)砂表現(xiàn)出較高的CBR 值，滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2019）[4]和設(shè)計圖紙對路基填料CBR 值的要求；

4）細(xì)砂的平均含泥量為2.42 %，有機質(zhì)含量＜5 %，均滿足規(guī)范要求。

2.2 擊實試驗

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）有關(guān)擊實試驗的相關(guān)要求[5]，采用小筒重型的方法測試長江細(xì)砂的最大干密度和最佳含水量，經(jīng)多次試驗，取得了一系列的試驗數(shù)據(jù)，但試驗結(jié)果不是很穩(wěn)定，從中選擇具有代表性的三組數(shù)據(jù)，繪制不同含水率時所對應(yīng)的干密度曲線如圖3 所示，并得出如下結(jié)論：

圖3 不同含水率時所對應(yīng)的干密度曲線Fig.3 Dry density curve corresponding to different moisture content

1）樣品A 的干密度曲線有兩個波峰，即含水量W 在8 %時，對應(yīng)的干密度峰值為1.64 g/cm3，含水量 W 在 13 %時，對應(yīng)的干密度峰值為 1.65 g/cm3，說明樣品A 在含水量分別為8 %和13 %時進(jìn)行壓實，均可達(dá)到理想的壓實效果；

2）樣品B 和 C 均表現(xiàn)為單峰特性，即樣品B在含水量W 為11 %時，對應(yīng)的干密度峰值為 1.68 g/cm3，樣品C 在含水量W 為11 %時，對應(yīng)的干密度峰值為1.62 g/cm3。

2.3 路用性能分析

1）粒徑對路基強度的影響

砂的級配與粒徑對砂的抗剪強度和液化性能均有一定的影響，有研究表明，顆粒級配不良的砂具有較強的抗液化的能力，在施工振動作用下，不宜發(fā)生砂的液化和顆粒的破碎，達(dá)到一定的壓實度后，也具有很高的抗剪強度[6]?？梢姡卷椖考?xì)砂雖然顆粒極細(xì)，粒徑較為單一，級配不良，不是首選的路基填筑材料，但作為路基填料時，上述效果可得到有效發(fā)揮。

2）最大干密度對施工的影響

壓實度結(jié)果是否正確與最大干密度的取值有很大關(guān)系，取值偏小，極易達(dá)到壓實要求，但實際壓實度不足，取值偏大，需要較多的碾壓才能達(dá)到壓實要求，甚至達(dá)不到壓實要求。經(jīng)分析對比本項目擊實試驗數(shù)據(jù)，三種樣品的干密度的變化范圍都不大，當(dāng)細(xì)砂含水量W 達(dá)到11 %之后，干密度變化僅為3 %左右，這表明長江細(xì)砂的最大干密度受含水量影響不大，且具有一定的持水能力，為使長江細(xì)砂達(dá)到最佳壓實效果，碾壓時的最佳含水量可控制在11 %～13 %。

3）含水量對壓實效果的影響

長江細(xì)砂作為路基填料進(jìn)行壓實時，適當(dāng)?shù)暮靠墒辜?xì)砂在振動沖擊和孔隙水的潤滑作用下，密實度逐步增加，并在最佳含水量時達(dá)到最佳壓實效果，但含水量進(jìn)一步增加時，孔隙間的自由水會降低壓實功效，可見細(xì)砂含水量的大小對路基壓實效果的影響很大。本項目長江細(xì)砂實測天然含水率在15.3 %，雖然比最佳含水量大一些，由于其屬于顆粒均勻的低液限砂土，塑性指數(shù)低、粘性小，雖然有一定的持水能力，但外界因素的影響極易造成失水，施工過程中應(yīng)做好各道工序的銜接，縮短施工時間，并加強填料的含水量檢測與控制，以達(dá)到最佳的壓實效果。

3 工程應(yīng)用

3.1 工藝參數(shù)確定及檢測

1）運輸布料

選用東風(fēng)153 后橋10 t 級自卸車進(jìn)行運輸試驗，結(jié)果表明這種車型在處理后的基底可以正常運輸布料，在碾壓成型后的砂層上載重行駛時，雖然會形成的14～16 cm 車轍，但不影響運輸布料[7]，施工時還需盡量采取倒車進(jìn)入填筑區(qū)，減少在砂層上的調(diào)頭次數(shù)。

2）攤鋪初平

根據(jù)該項目填砂路基的特點，采取作業(yè)段內(nèi)一次填筑完成的施工方式，所謂一次填筑完成，并非全高60 cm 的砂一次填筑到位，然后碾壓完成。一次填筑也需分層施工，為防止表面填筑層失水、松散，應(yīng)較好地控制分層施工的間隔時間，將作業(yè)區(qū)段內(nèi)的60 cm 砂分層在一個作業(yè)班組內(nèi)連續(xù)地填筑完成，并及時覆蓋一層改良土。由于砂的粘聚力小，攤鋪采用T140-1 的推土機，整平采用PY180 平地機。經(jīng)綜合考慮運砂車輛的運輸能力、機械設(shè)備的配置和調(diào)度能力及接管灑水的能力，路基填砂作業(yè)長度控制在100 m。

通過在K4+730～K4+850 段進(jìn)行松鋪系數(shù)試驗，即按虛鋪厚度25 cm、35 cm、45 cm，分別進(jìn)行填砂作業(yè)40 m 后，進(jìn)行沉降量和壓實系數(shù)的觀測與分析，具體結(jié)果如圖4、5 所示，根據(jù)試驗結(jié)果，考慮機械設(shè)備在施工過程中對測點的影響，計算得松鋪系數(shù)的去尾平均值為1.17，松鋪厚度為 35 cm。

圖4 沉降量試驗結(jié)果Fig.4 Settlement test results

圖5 壓實系數(shù)試驗結(jié)果Fig.5 Compaction coefficient test results

3）碾壓檢測

碾壓工藝選用11 t、13 t兩種光輪壓路機和16 t、22 t、24 t 三種振動壓路機進(jìn)行試驗，先采用光輪壓路機靜壓2 遍，再用振動壓路機振動碾壓2～6 遍，然后用振動壓路機靜壓2 遍，最后進(jìn)行壓實度檢 測[8]。經(jīng)統(tǒng)計分析不同工況下的壓實情況得出如下結(jié)論：

①無論采取何種機械搭配，壓實度與壓實遍數(shù)的關(guān)系呈正比，在振動碾壓前4 遍中，壓實度變化較大，后續(xù)碾壓的壓實度值變化較小，從施工角度出發(fā)，總體碾壓8 遍是最經(jīng)濟的壓實遍數(shù)；

②初始靜壓的壓實度區(qū)別不是很大，雖然采用DD-130 壓路機比采用DD-110 壓路機的壓實度略高，但不能影響路基最終的壓實度，因此，初始靜壓采用DD-110 壓路機較為經(jīng)濟；

③振動碾壓的壓實度有合格與不合格之分，說明采用YZ16JC 壓路機振動碾壓的壓實效果不是很理想，不能達(dá)到設(shè)計要求，而采用YZ20JC 壓路機和YZ24JC 壓路機振動碾壓的壓實度，均能達(dá)到設(shè)計要求，但兩者之間的壓實度提高率不是很大，因此，振動碾壓采用YZ20JC 壓路機較為經(jīng)濟。

填砂路基施工結(jié)束，并完成試驗檢測后，分析可知作為過度層的下部30 cm 填砂層的檢測壓實度有個別段落不能達(dá)到規(guī)范要求，其原因可能為局部基底承載力不足，導(dǎo)致填砂層形成不了壓實度，但經(jīng)過第二層砂的處理，路基頂層的壓實度滿足要求，可見該項目通過試驗確定的工藝參數(shù)是合理的，同時將填砂層的第一層作為過度段是可行的。

3.2 沉降觀測

根據(jù)沉降觀測的目的及相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，結(jié)合其它高等級公路路基沉降觀測經(jīng)驗[9]，對填砂路基的基礎(chǔ)處理層和頂層分別進(jìn)行沉降觀測，并統(tǒng)計監(jiān)測結(jié)果后，通過對基礎(chǔ)處理層和填砂頂層沉降觀測曲線圖對比、分析可知。

1）在路基填筑期，雖然累計沉降觀測曲線較陡，但單次沉降量觀測值均在10 mm 以內(nèi)，滿足日沉降量小于10 mm/d 的要求，說明填砂路基在填筑期無失穩(wěn)特征，按此流程進(jìn)行路基填筑是可行的；

2）對比兩個沉降曲線的沉降量值，填砂頂層的累計沉降量值為60 mm，比基礎(chǔ)處理層的累計沉降量平均大15 mm 左右，說明長江細(xì)砂路基工后的壓縮變形較小，大部分沉降量為深厚軟基在荷載作用下產(chǎn)生的[10]；

3）路基填筑期沉降量較大，待填筑完底基層第一層灰土后，進(jìn)行為期一個月的觀測時，其沉降速率呈遞減之勢，逐漸趨于穩(wěn)定，采用10 %灰土進(jìn)行沉降補償后，可進(jìn)行路面水穩(wěn)和瀝青的攤鋪；

4）瀝青路面完成后，連續(xù)三個月的月沉降量均小于3 mm，說明填砂路基的沉降變形值在可控范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

長江細(xì)砂雖粒徑單一，級配不良，但其CBR值、含泥量、有機質(zhì)含量均滿足規(guī)范要求，通過施工過程中有效控制最佳含水量，并采用合適的填砂施工工藝，可使長江細(xì)砂發(fā)揮良好的路用性能，但其可復(fù)制性較差，類似工程將長江細(xì)砂作為道路路基填料時，需進(jìn)一步試驗分析、總結(jié)應(yīng)用。