江漢平原填砂路堤大厚度填筑壓實參數試驗研究*

王文濤 董華均 羅 蓉 金 露 曾 偉 馮光樂

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (湖北長江路橋股份有限公司2) 武漢 430212)(湖北省交通廳工程質量監督局3) 武漢 430014)

江漢平原填砂路堤大厚度填筑壓實參數試驗研究*

王文濤1)董華均2)羅 蓉1)金 露2)曾 偉2)馮光樂3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (湖北長江路橋股份有限公司2)武漢 430212)(湖北省交通廳工程質量監督局3)武漢 430014)

針對江漢平原修建高速公路所面臨的軟基廣泛分布、長江青砂資源豐富等特點，提出了填砂路堤大厚度填筑技術方案，砂料松鋪厚度可由規范要求的30 cm提升至70 cm.通過現場碾壓試驗，并分3層檢測砂料全厚度壓實度，對比了3種不同碾壓試驗方案的壓實效果及其均勻性，從中得出最佳壓實參數.大厚度填筑技術相較于傳統厚度填筑技術，在確保工程質量的前提下，可大幅度節省工期.

道路工程；碾壓工藝；大厚度施工；填砂路堤；江漢平原

0 引 言

在江漢平原修建高速公路會遇到路堤填料短缺、軟基工后不均勻沉降、工期特別緊張等問題，若處理不好，會導致通車后路面病害較多.長江流域青砂資源非常豐富，由于砂料充分密實后幾乎沒有工后沉降，因此填砂路堤廣泛應用于江漢平原.

當前對于填砂路堤的研究，國內主要側重適用于特定地區環境的吹填砂、風積砂、河砂等路堤填砂工藝方面[1-5]，并未針對江漢平原區域特征和長江青砂特點展開相應路堤填筑工藝的深入研究[6].江漢平原是典型的軟土地基大范圍分布地區，所修建高速公路通常由于需要進行軟基預壓處理，而導致填砂路堤工期十分緊張.目前我國尚無專門針對填砂路堤的規范，砂料填筑松鋪厚度仍按填土30 cm控制[7]，這對于較大填高的路堤填砂工程來說，已不能滿足實際工期的需要.據此，文中依托潛江至石首高速公路工程，針對項目工期緊張、全線軟基的特點，提出大厚度填砂路堤技術方案(松鋪厚度可達70 cm)，并通過開展現場碾壓試驗，總結出適合江漢平原特點的大厚度填砂路堤壓實參數，從而達到在確保工程質量前提下加快施工進度目的.

1 工程概況

潛江至石首高速公路潛江至江陵段起于潛江市浩口鎮以西與漢宜高速(武漢至宜昌)交叉，對接石首長江公路大橋北岸接線，全長42.283 km.項目全線軟基，為沖湖積軟土，分布狀況以流塑狀淤泥和淤泥質土為主，平均厚度5.76 m，平均埋深1.01 m.其中，江陵段全長21.54 km，緊鄰長江，采用青砂進行路堤填筑，平均填筑高度達5 m.

2 長江青砂工程性質

2.1 顆粒組成

長江青砂具有偏細、少量含泥的特點[8-9].潛石高速為控制路堤青砂填筑質量，要求砂料含泥量不宜大于8%且細度模數不得低于0.3.

選取填砂路堤大厚度填筑試驗段某填筑層所用長江青砂進行顆粒分析試驗.試驗數據見表1，算得青砂試樣細度模數為0.53.試驗測得試樣天然含水率為9.3%，含泥量為3.6%，滿足施工要求.

表1 青砂顆粒組成

2.2 擊實特性

對青砂試樣按照土工試驗規程要求[10]進行重型擊實試驗，預加初始含水率13%,15%,17%,19%,21%.擊實曲線見圖1，砂料的最大干密度為1.60 g/cm3，最佳含水率為16.9%.

圖1 砂料擊實曲線

2.3 CBR值

當壓實度為93%時，干密度為1.49 g/cm3，

CBR值為3.3%；當壓實度為94%時，干密度為1.50 g/cm3，CBR值為3.7%；當壓實度為96%時，干密度為1.54 g/cm3，CBR值為5.2%.據此，試驗結果滿足文獻[11]對下路堤填料CBR值不小于3%的要求.

3 大厚度填砂路堤現場碾壓試驗

3.1 試驗段概況

圖2為大厚度填砂路堤斷面圖，試驗段軟土地基采用砂墊層欠載處理，鋪設無紡土工布和土工格柵后，直接鋪設50 cm砂卵石層，并設置2%橫坡，形成橫向排水通道.坡腳處采用袋裝砂礫石碼砌，以方便水體排出.砂芯部分按照松鋪厚度70 cm分層填筑，并采用4%石灰土包邊，防止砂料失水后坍塌.路床部分直接采用毛渣填筑，在提高路堤剛度的同時還可以節省工程造價.路面寬度26 m.

圖2 大厚度填砂路堤斷面圖(單位:cm)

大厚度填砂試驗段開展所需施工機械包括220 kW推土機、16 t裝載機、1.2 m3挖掘機、20 t振動壓路機等.

3.2 砂料松鋪厚度及灑水控制

運輸車輛將填料運送至填砂斷面后，由推土機、裝載機將砂料攤鋪至整個斷面，最后采用平地機整平.通過測量砂料攤鋪前、整平后的高程，控制砂料松鋪厚度為70 cm.

采用路堤旁就地打機井的方式，配合大功率潛水泵，接消防水管對鋪筑砂料進行全斷面連續注水飽和.灑水結束后，砂土需要晾曬合適時間，待水充分下滲且砂料表層達到最佳含水率時，砂土才具有足夠承載力，再開始后續碾壓工序[12].否則，含水率過大的砂料會由于承載力不足，容易導致壓路機等機械陷輪.砂的晾曬時間長短，可以在路堤填砂施工初期，通過開展一系列不同天氣情況下的灑水等待試驗確定，以為后期灑水工序提供經驗性參考，從而加快施工進度，確保施工質量和安全.現場試驗表明，在春季陰天微風的條件下，充分灑水后晾曬半天左右，可使得表層砂料達到最佳含水率.當天氣干燥或晾曬時間過長而導致表層砂料失水松散時，可采取人工表層補水的方法使砂料達到最佳含水率.

3.3 砂料碾壓試驗

碾壓時，要遵循“先輕后重，先慢后快，高頻低幅”的原則，即先通過輕振、慢振使得砂土具有足夠承載力后，再進行重振、快振，從而達到目標壓實效果.

采用裝載機負載(約20 t)整幅穩壓1遍，使得砂土具有一定承載力后，再開展后續碾壓試驗.填砂路堤大厚度試驗段的碾壓試驗方案見表2.

由表2可知，采用大型單鋼輪振動壓路機靜壓1遍進行整平后，分別采用不同碾壓形式(弱振1遍或2遍)進行穩壓，以使得砂土承載力進一步提高，再采用持續強振作進一步壓實，以此來研究“方案1”和“方案2”中不同穩壓形式對砂土碾壓效果的影響.項目施工隊在進行下路堤填砂工程施工時，由于經常遇到砂土含水率控制不準確導致經常出現機械“陷輪”問題，致使施工隊采用振動壓路機碾壓施工時始終只采用弱振，這往往需要碾壓至少8遍以上才能達到93區規范要求壓實度.因此，本研究將振動壓路機持續弱振作為“方案3”，與強振方案進行效果對比.采用振動壓路機進行碾壓施工時，要求碾壓輪跡重合亦不低于1/3輪寬，碾壓時行駛速度不超過4 km/h.

表2 填砂路堤大厚度填筑碾壓方案

在采用不同碾壓方式進行試驗時，為探究壓實效果，每一遍碾壓結束后都進行了壓實度檢測；同時，考慮到松鋪厚度達到70 cm，在去除表層約10 cm松散砂之后，對每個測點都進行了全厚度上、中、下3層壓實度檢測，見圖3.

圖3 全厚度上、中、下3層壓實度檢測

3.4 包邊土碾壓

包邊土的碾壓施工工藝同樣需要事先開展試驗段工作，松鋪厚度按照文獻[7]要求30 cm進行控制.考慮到砂料每層松鋪厚度較厚(70 cm)，因此每層砂料施工完之后即施工包邊土.在石灰包邊土碾壓完后需要及時開始養生，一般采用灑水車灑水或者人工灑水進行養生，使得石灰土表面保濕養生7d左右.通過現場碾壓試驗，確定包邊土碾壓工藝如下：穩壓1遍，振壓2遍，收光1遍.對第一層包邊土壓實度進行檢測，壓實度為96.5%，能夠滿足規范對93區壓實度要求.

4 現場碾壓試驗結果分析

對試驗段下路堤填筑所用青砂進行重型擊實試驗，得到其最大干密度為1.78 g/cm3，最佳含水率為15.8%.每一遍碾壓結束后，對測點進行全厚度上、中、下3層壓實度檢測.

各測點砂土含水率隨深度變化情況見圖4.由圖4可知，砂料含水率是隨著層厚的加深而不斷增大.其中，表層砂料含水率由于水分蒸發而略低于最佳含水率，中間層砂料含水率基本維持在最佳含水率附近，底層砂料含水率略大于最佳含水率.

圖4 各測點含水率隨層厚變化情況

各測點砂土壓實度隨層厚和碾壓遍數變化情況見圖5～6.當砂料填筑厚度較大時，壓實度的變化趨勢是由表層20 cm向底層60 cm不斷減小，并且相同層厚測點的壓實度隨著碾壓遍數增多而不斷增大.由此可知，只有底層砂料壓實度滿足規范要求，才能確保70 cm鋪厚填砂的施工質量合格.

圖5 方案1砂料各測點全厚度壓實度變化趨勢

圖6 方案2砂料各測點全厚度壓實度變化趨勢

圖7 方案3砂料各測點全厚度壓實度變化趨勢

方案1和方案2在進行第1遍強振時，砂土壓實度增長幅度明顯加大，說明強振能夠明顯提高填料壓實度.在剛開始進行強振碾壓時，壓實度上升幅度隨強振遍數增多是明顯較大的，但繼續增加碾壓遍數其上升幅度逐漸變緩.當強振至第3遍時，方案1與方案2底層壓實度分別達到92.9%和93.2%；當強振至第4遍時，方案1與方案2底層壓實度分別達到93.2%和93.5%.因此，方案2略優于方案1.

方案3在弱振至第3遍時，上層20 cm壓實度達到93.3%，中層40 cm壓實度達到91.7%，而下層60 cm壓實度達到90.8%；當弱振至第6遍時，上層20 cm壓實度達到93.8%，中層40 cm壓實度達到92.8%，而下層60 cm壓實度仍只有91.9%，且下層60 cm壓實度并未超過92%，此時壓實度上升幅度已放緩，為使得下層壓實度亦達到93%的要求，只能繼續增加碾壓遍數，但其上升空間不會太大，很可能會維持在92%～93%左右.據此可認為，當路堤填筑至93區以上時，只采用弱振碾壓，底層壓實度很有可能達不到規范要求.

3種方案碾壓試驗結束后，分別在中樁左、右幅隨機取點進行全厚度壓實度檢測，發現各試驗方案最終壓實效果在相同平面具有良好均勻性，見表3.

表3 不同碾壓試驗方案最終壓實度均勻性對比

綜合比較3種碾壓試驗方案，針對江漢地區潛石高速全線軟基、工期緊張的特點，推薦方案2作為大厚度填砂路堤碾壓施工工藝，具體壓實參數為：靜壓1遍、弱振2遍、強振4遍、收光1遍.當施工至94區以上時，將強振碾壓遍數適當增至5～6遍，壓實度可滿足規范要求.

5 結 論

1) 通過現場碾壓試驗，對比了3種不同碾壓試驗方案的壓實效果，從中得出最佳壓實參數：靜壓1遍、弱振2遍、強振4遍、收光1遍；當施工至94區以上時，將強振碾壓遍數適當增至5～6遍，壓實度可滿足規范要求.

2) 通過對每個測點分層檢測砂料全厚度壓實度，發現砂料含水率是隨著層厚的加深而不斷增大，且各試驗方案最終壓實效果在相同平面具有良好均勻性.

3) 當砂料達到最佳含水率時，先穩壓使砂土具有一定承載力后，再逐步進行強振碾壓，可避免施工機械“陷輪”問題，并實現采用較少壓實遍數便可達到較好的均勻壓實效果.

4) 采用大厚度填筑技術進行江漢平原路堤填砂施工，可將砂土每層填筑厚度由30 cm提升至70 cm，在保證施工質量的前提下，大幅度節省工期.

5) 根據本研究關于穩壓方式對壓實效果的影響分析，后期可考慮采用8 t或12 t小型振動壓路機對松鋪砂料進行穩壓，預計會有更好的壓實效果.

[1]李世清,劉罡,李艷明,等.風積沙路基施工工法[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]陳寶華,趙麗華,郭秀琴,等.吹沙填筑深層軟土路基施工工法[M].北京:人民交通出版社,2009.

[3]姚運飛.營雙高速公路沙漠段路基壓實及質量控制措施研究[D].西安:長安大學,2012.

[4]楊建青風積沙處理河套地區軟弱地基的技術研究[D].天津:河北工業大學,2013.

[5]王林.武監高速吹填砂路基的設計與施工[J].城市建筑,2014(18):311-314.

[6]候峰.河砂與風化料復合路基沉降變形特性研究[D].濟南:山東大學,2009.

[7]中華人民共和國交通運輸部.公路路基施工技術規范:JTG F10-2006[S].北京:人民交通出版社,2004.

[8]蔣鑫,凌建明,李進,等.高速公路填砂路基設計若干關鍵問題[J].地下空間與工程學報,2011,7(3):570-575.

[9]張海霞,凌建明,蔣鑫,等.長江口細砂路用性能的試驗研究[J].公路工程,2008,33(3):142-146.

[10]中華人民共和國交通運輸部.公路土工試驗規程:JTG E40-2007[S].北京:人民交通出版社,2007.

[11]中華人民共和國交通運輸部.公路路基設計規范:JTG D30-2004[S].北京:人民交通出版社,2004.

[12]李清泰,任慶顯,陳躍起,等.高速公路循環水灌法填沙路基施工工法[M].北京:人民交通出版社,2009.

Research on the Compaction Parameters of Sand-filled Embankment Using Larger Thickness Technology in Jianghan Plain

WANG Wentao1)DONG Huajun2)LUO Rong1)JIN LU2)ZENG Wei2)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

The study proposes a new technique of highway sand embankment filling in Jiang Han Plain, which can raise the thickness of sand filling layer from 30 cm to 70 cm. Both the degree and uniformity of sand compaction are checked based on the comparison among three compacting proposals carried out on the test field. In addition, the compaction parameters are optimized based on the field tests, which can ensure the quality of sand embankment construction and significantly shorten the construction period.

road engineering; compaction; thicker filling construction; sand embankment; Jianghan Plain

2016-09-26

*湖北省交通運輸廳2015年科技項目資助(2014-721-2-6)

U415.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.012

王文濤(1989—):男，碩士，主要研究領域為道路工程、路面材料