填砂路基施工技術在高速公路工程中的應用

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

眾所周知，中粗砂經過充水壓實后，容易嵌擠密實，且沉降小，具有良好的穩定性。在土源較缺乏而砂源非常豐富的地區修筑高速公路，路基本土填筑可選用中粗砂，通過在砂芯頂部和兩側用黏土進行封層與封邊，集成黏土與中粗砂的優點，充分發揮就地取材的優勢。

一、工程概況

巴基斯坦M5高速公路是中巴經濟走廊的重要工程項目，起于蘇庫爾（Sukkur），途經信德（Sindh）和旁遮普（Punjab）兩省，終于木爾坦（Multan），全長392km，按照雙向六車道高速公路標準設計，設計行車時速120km/h，瀝青混凝土路面寬度為31.5m。該項目地處印度河沖積平原，位于印度河左岸，地質以粉土、粉砂和黃土為主，局部存在軟土、濕陷性黃土的不良地質。

本工程第四標段全長54km（K550～K604），路基填筑量為1194萬m3，沿線（尤其是K590+200～K598+700）分布著大量的農田和芒果園，土料非常有限，但距離印度河灘較近，砂源十分豐富。

二、填砂路基施工的原理

采用灌水和碾壓相結合的方式促進填砂的壓實：由于砂料的滲透系數較大，灌水后填砂自然沉降1～2h即達到初步密實狀態，在填砂表面未出現液化或松散的情況下開展碾壓作業，較大的砂粒會相互嵌擠形成骨架，多余的水分則向下排出。另外，水的滲透運動會驅動小顆粒砂填充在大顆粒砂之間的間隙中，確保取得預期的壓實效果。同時，水的滲透運動還可以促進先前填筑的砂進一步密實。

三、填砂路基施工的工藝流程

圖1.填砂路基施工的工藝流程

（一）施工準備

1、砂最大干密度試驗

以往，砂最大干密度試驗主要采取相對密度振動擊錘法和重型擊實法，這兩種方法均為濕法壓實，水分無法排出，測得的數據離散、穩定性差，且試驗過程與現場施工實際不一致。本文對重型擊實法進行了改進，解決了水分無法排出的難題，能夠更真實地模擬填砂路基的實際施工條件，同時采用滲透壓實法確定最大干密度，試驗方法如下：

（1）使用土工試驗設備的組合，在圓筒底部均勻設置41個1mm的細孔，采用標準砂測定其體積（V）；將兩張濾紙放在圓筒底部，使用手動擊實儀分3次將圓筒填滿，擊實時在砂層頂部放一塊鋼墊板，每層各擊實98次，水在擊實作用下滲透排出；擊實結束后，稱量砂的濕重（M）并烘干；得出擊實后的含水率（ω），并計算砂的干密度，公式為：ρd=M/V(1+0.01*ω)。

（2）現場采集砂料并烘干，準備從0～20%（含水率增幅為2%）共11組不同含水率的砂，通過滲透擊實法試驗，得出干密度與含水率的關系曲線，如圖2所示。

圖2.中粗砂干密度與含水率的曲線關系

由圖2可知，中粗砂干密度先是隨著含水率的增加而減小，當含水率為4%時，干密度減至最小（1.7g/cm3）；當含水率大于4%時，中粗砂干密度隨著含水率的增加而增加，當含水率為14%時，干密度增至最大（1.92g/cm3）；當含水率大于14%時，中粗砂干密度則保持不變。因此，采用滲透擊實法得出中粗砂的最大干密度為1.92g/cm3。

2、軟基處理

在填砂路基施工前，需要對路基范圍內的軟基進行處理：

（1）農田區域：清除表層種植土。采用推土機清表，以清到硬土為準，平均清表厚度為60cm。

（2）魚塘區域：先在路基坡腳外修筑圍堰，排干圍堰內積水后，用濕地推土機將淤泥推到圍堰內側，再使用挖掘機將淤泥裝載至自卸車運輸，平均疏浚厚度80cm，以清到硬土為準。

3、基底壓實

在完成路基基底處理之后，使用20t壓路機按照兩側向中間、從低到高的順序進行碾壓作業，確保路基基底承載力滿足設計要求，壓實度不低于90%。

4、臨時排水設施

為確保填砂路基中超出最佳含水量的殘水被平穩地滲透和去除，可將直徑為Φ75mm的PVC管作為排水盲溝管，埋設在砂與土的結合部位，PVC管向外傾斜3%，管口用土工布包裹。

臨時排水溝（深度0.3～0.6m，寬度0.5m）設置在路基邊坡腳下2m處，排水溝的縱向坡度與現場地形相結合，以排水溝中的水可以排放到其他水溝或水塘為宜。

（二）填砂和封邊土施工程序

砂芯兩側和頂部采用土料進行封邊，兩側主要采用以下兩種方法進行施工：

1、先填砂后填封邊土

首先，在路基中填筑砂芯，人工將砂芯兩側修成小臺階，然后按照自下而上分層的方法，填筑封邊黏土并包邊。

該施工方法的特點為：砂和黏土分開施工，相互干擾較小，能夠形成流水作業，施工效率高，砂與土結合部位可充分碾壓密實。

2、先填封邊土后填砂

先在路基兩側填筑封邊黏土，在填筑砂芯前，按照設計圖紙每填筑50cm高包邊土后修內側坡（呈臺階狀）；然后在中間分層填砂，壓路機緊貼土邊緣進行碾壓。

本工程采用先填砂后填封邊土的方法，充分發揮了砂源充足條件下集中可利用大型土方設備進行填筑的優勢。砂芯兩側和頂部用黏土進行封邊，其中兩側封邊土寬度為2m，頂部封邊土厚度為45cm，封邊黏土的塑性指數為5≤PI≤10，土料填筑松鋪厚度為30cm，采用小型機械設備進行攤鋪、平整、碾壓作業。

（三）填砂路基施工

1、填砂厚度

第一層填砂的厚度不宜小于80cm，其余各層控制在60cm以內。如果填砂厚度過薄，在重型車輛荷載作用下，容易產生塑性剪切變形，形成車轍病害，導致陷車。

2、砂料運輸

根據填筑長度、寬度、松鋪厚度計算本層填筑量，再根據自卸汽車的運輸量設定卸料、攤鋪的網格線。

在驗收合格的填砂路堤表面上運輸砂料時，一定要進行灑水作業，確保已填筑砂層的表層含水量不低于12%。當砂層表面出現車轍時，應及時采用推土機進行整平，以保證自卸汽車將砂料運至指定地點；由于河砂顆粒間內摩擦角較小，應避免或者減少自卸車直接在卸砂點調頭，以防對已經結板成型的填砂產生不良影響。

3、砂料平整

采用推土機按照“中心低、兩側高，鍋底型”的原則進行鋪料、粗略平整，然后用平地機進行精準平整，內傾橫坡控制在1.5～2%。

4、灌水碾壓

待砂料整平完成后方可進行灌水密實，利用水的滲透作用使砂料自然沉降，達到初步密實。在填砂表面無液化或松散的情況下（最佳碾壓含水率），采用壓路機由兩側向中間進行碾壓（2遍靜壓+2遍振動碾壓+2遍靜壓），壓路機碾壓速度控制在1.5～4km/h，輪跡重疊寬度不小于1/3輪寬。

在完成填砂路基灌水、碾壓后，現場檢測壓實度，合格后方可進行下一層循環施工。

（四）構造物和溝槽回填

填砂路基范圍內，雨水管、檢查井、管涵、過水箱涵等構造物的回填應分層進行，每層砂的填筑厚度應嚴格控制在15cm左右，兩側對稱填筑，不平衡高度在30cm以內。每層砂填筑完成后都要灑水，采用人工配合小型強夯機的方法進行壓實，溝槽回填至管頂50cm后灌水，然后利用插入式振搗棒進行振搗密實，振搗棒垂直插入至底部，0.5～1min后傾斜拔出，間距在20～30cm左右。

橋臺回填同樣采取分層填筑、灑水、小型機械壓實的方式，每填筑2～3m后進行灌水、振搗作業。為增加橋臺過渡段的回填剛度，使橋臺剛性向路基材料柔性線型過渡，增強其抗車輛水平反復剪切沖擊的能力，在橋背回填部位進行注漿處理。注漿范圍為：臺背外側錐坡范圍內5m，內側為臺背全長，深度為橋涵頂面至基底標高，采用梅花型布孔，間距為1m，注漿孔擴散半徑為0.5m。

（五）填砂路基成型后蓄水沉降

填砂路基達到設計標高后，培砂壟進行灌水，持續2個月時間，以確保填砂路基充分沉降。

四、填砂路基施工的優點

1、填砂路基施工適用于砂源豐富地區的高速公路、快速路、機場等建設項目，能充分結合實際情況，就地取材。

2、填砂路基施工受雨季干擾小，適用于雨水較為豐富的地區，小雨不用停工，大雨后可快速恢復施工，施工效率極高，能有效縮短路基施工工期。

3、填砂路基施工控制方便，機械設備利用率大幅提高。利用砂的滲透特性，灌水量超過最佳含水量后靜置1～2h，在填砂表面無液化或松散的情況下碾壓均能達到密實效果，且灌水有利于增加砂的密實度，保證了路基填筑的質量。此外，填砂路基施工與土料填筑相比，控制含水率所需的額外時間大大減少，有利于縮短施工工期。

4、填砂路基施工每層填筑虛鋪厚度可增加到60cm，每層的碾壓遍數也較填土路基有所減少，在保證施工質量的前提下，提高了機械設備的利用率，降低了機械設備成本。

五、結語

巴基斯坦M5高速公路第四標段于2016年8月4日開工建設，2018年5月31日完成主線路基填筑施工，路基填筑施工共用了22個月左右，其中K590+200～K598+700段采用填砂路基施工方法，填砂路基施工完成后，持續灌水2個月，觀測路基本體沉降累計最大為2cm，路基本體沉降在灌水前10天收斂，后期觀測標高無變化，完全滿足設計要求，為其他類似條件高速公路施工提供了借鑒。