沙漠地區高速公路風積沙路基濕壓法施工工藝與質量控制

甫爾海提·艾尼瓦爾

(新疆交投建設管理有限責任公司，烏魯木齊 830000)

S21阿勒泰至烏魯木齊高速公路作為全國第一條交旅深度融合的沙漠探險旅游高速公路，項目大部分段落位于中國“最美五大沙漠”之一的古爾班通古特沙漠區。風積沙作為沙漠地區最豐富的材料，若能保證路基強度、穩定性等條件下，兼顧因地制宜、就地取材原則，將風積沙用于路基填料可大大降低工程造價[1-2]。已有研究人員通過多種途徑來研究風積沙的特性，高江平、張宏、劉旭峰等[3-5]研究了它對路基的影響；任輝明等[6]對沙漠風積沙進行了水泥改良；周富彪等[7]通過摻加纖維和黏土，以期提高風積沙的強度和穩定性；宋良瑞等[8]將風積沙摻入水泥穩定碎石中，以提高其強度和耐久性。但上述方法風積沙消耗量過小，造價也無法保證。為此，工程人員擬通過將風積沙作為路基填料直接應用于公路工程施工中。在水資源極為匱乏、天然含水率<2%時采用干壓法施工[9]，在沙漠邊緣及取水便捷地區使用濕壓法施工，上路床部位采用30 cm天然砂礫材料鋪筑[10]，其中濕壓法需將風積沙灑水至飽和狀態，其碾壓效果、質量過程控制比干壓法好。本文結合新疆S21阿勒泰至烏魯木齊高速公路工程，在對風積沙顆粒特性及其路基壓實特性分析的基礎上，提出風積沙路基濕壓法施工工藝及其質量控制要點，并對其含水量、壓實度、彎沉以及回彈模量等進行檢測，以驗證沙漠地區利用風積沙作為高速公路路基填料的可行性。

1 風積沙特性分析

1.1 顆粒分析

S21項目起點位于阿勒泰地區福海縣黃花溝，終點與擬建的烏魯木齊西繞城高速銜接，途徑古爾班通古特沙漠，路線全長342.538 km。古爾班通古特沙漠為第四系淺度的沙漠地貌，即風力作用下形成半固定沙丘和沙梁，地表沙漠化程度較輕，地表植被稀少，地貌類型單一。風積沙主要因風吹沙積累而成，其礦物成分以石英、長石、云母為主，易溶鹽含量較低，其化學性質呈微堿性，無腐蝕性，自然狀態下的風積沙其含水量很低，最低不足1%，最大不超過4%，干密度一般在1.15 g/cm3～1.40 g/cm3，濕密度大約為1.5 g/cm3，壓實后的最大干密度在1.7 g/cm3～2.0 g/cm3范圍，為天然狀態下的1.2～1.4倍。為分析項目所在地風積沙顆粒級配情況，分別在路基挖方位置取樣2處(樣1和樣2)和風積沙料場取樣1處(樣3)進行顆粒分析，結果見表1。

表1 風積沙顆粒分析結果

由表1可知，3處取樣位置風積沙顆粒0.5 mm篩孔通過率均為100%，其粒徑在0.25 mm～0.074 mm的含量占到總量的40%～95%，且其不均勻系數為1.6～1.9(均小于5.0)、曲率系數0.84～0.97(均小于1.0)。由此可知，取樣位置風積沙為級配不良砂。

1.2 風積沙標準擊實試驗

為分析風積沙擊實特性，按照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》中重型擊實法進行試驗，試樣的制備采用干法制樣，試驗過程中，風積沙試樣加水應準確不得反復烘干。風積沙擊實試驗時，沙樣不得重復使用。不同取樣點風積沙擊實曲線如圖1所示，最佳含水率、最大干密度結果見表2。

由圖1和表2可知，風積沙擊實過程中隨著含水量增加，其干密度呈先增大后降低的趨勢，說明含水量過小或過大，對其干密度均存在一定影響，不利于風積沙密實，進而影響其強度[11]。不同取樣點位置風積沙在最佳含水量時干密度呈現最大值，其最佳含水量在14.1%～14.6%，對應的最大干密度為1.74 g/cm3～1.78 g/cm3，此時風積沙密實度最大，對其強度有利；且不同取樣點處風積沙CBR實測值有所差異，但均大于18%，遠超規范大于8%的要求。因此，其可作為路基填料選用，且施工中風積沙含水量宜處于13%±2%范圍內。

表2 風積沙擊實特性及其CBR試驗結果

1.3 風積沙路基結構設計

為指導風積沙路基施工，本文提出風積沙路基結構設計方案，如圖2所示。其中風積沙頂面鋪設土工布進行防水加固處理，避免礫石土與風積沙摻混、接觸面滲水后塌陷，提高路基承載力。為加固風積沙路基，路基頂層采用30 cm礫類土填筑封頂。

單位：cm

2 風積沙路基施工準備

風積沙路基施工前，通過試驗路的鋪筑確定路基松鋪系數以及壓實遍數等壓實參數，為后續大面積施工做準備。

2.1 風積沙路基松鋪系數確定

為確定風積沙路基松鋪系數與松鋪厚度，施工過程中填料厚度控制采用邊坡中樁插控制桿控制。推土機按照邊樁竹竿掛線高度控制松鋪厚度，根據分層分區壓實前后高程差，得到路基壓實前后厚度差，并按式(1)計算得到風積沙路基壓實松鋪系數。

(1)

式中：k為松鋪系數；h1為攤鋪前測點處路基高程，m；h2為松鋪后測點處路基高程，m；h3為壓實完成后測點處路基高程，m。

本文試驗路施工過程中選取4處代表性點位，分別測得其壓實前后的路基高程，見表3。

由表3可知，風積沙路基松鋪系數為1.27，若風積沙路基每層壓實后其厚度控制在35 cm左右，則風積沙路基的虛鋪厚度為45 cm。

表3 風積沙路基壓實過程中實測高程值

2.2 風積沙路基碾壓遍數確定

為確定碾壓遍數，結合現場施工，采用22 t雙驅動振動壓路機對風積沙路基進行壓實，分別測得不同碾壓遍數下風積沙路基壓實度[12-13]，如圖3所示。由圖3可知，隨著碾壓遍數的增加，風積沙路基壓實度逐漸增大，當碾壓遍數超過4遍時，其壓實度超過97%，滿足規范要求。因此，建議風積沙路基施工中可采用22 t雙驅動振動壓路機碾壓4遍以上。

圖3 碾壓遍數與壓實度關系曲線

3 風積沙路基濕壓法施工工藝

3.1 原地表清理

經過施工準備，進行路基試驗段填筑前，根據設計圖紙對基底進行清理及碾壓：裝載機對基底的垃圾、樹根等，配合人工進行清除，清除厚度為30 cm，清表土用自卸車統一拉運至棄土場，基底經壓實檢測合格，并經監理工程師檢驗合格后正式進行路基施工。

3.2 測量放樣

重新敷設路基中線和邊線，測設路基每20 m的中樁、邊樁位置，立出施工標桿，為保證路基邊緣壓實度，路基兩側各加寬50 cm。施工標桿長度一般為150 cm左右，上面間隔30 cm涂刷紅、白漆。

3.3 風積沙裝料、運輸、卸料

根據自卸車每車的運量及松鋪厚度撒出方格，每個方格內倒土，進行水平分層填土，以確保填料的均勻性。自卸車從取土場把土運至施工現場后，從一端開始，左右成排，前后成行，采用倒車卸土，將土卸在網格之間，均勻卸滿。

3.4 風積沙整平

首先用裝載機按路基上“三桿”控制的填筑高度，采用兩邊掛線法控制，按照既定方向和預定厚度大致粗平，凹凸不平的部分采用人工配合機械找平。然后由平地機快速精細整平，以防填料水分過度蒸發。整平過程中，橫縱坡方向保持平順均勻，以保證壓實效果。精平后平整度控制在5 cm以內，嚴格控制橫坡保證路基填后排水。風積沙作業段控制在200 m，合理組織車輛和指揮交通，防止運料車輛在風積沙及便道發生交通堵塞的情況。

3.5 檢測、調整含水率

平地機精平后，由試驗員現場檢測含水率。該段取土場風積沙土樣最佳含水量為13%±2%，經檢測調整含水量較最佳含水量高出1%～2%后開始輾壓。

風積沙天然含水量較小，在采用濕壓法施工時需要大量用水。建議采用將滿足施工要求的用水，經水車運輸至施工現場進行灑水。在長度200 m的作業段落內需布置4～6輛灑水車來提供風積沙路基施工所需要的水，一般情況下，正常灑水5遍后可接近最佳含水量。每遍灑水后，人工用小鏟挖坑，用鋼尺測量滲透深度。若含水量不足，繼續逐排灑水。待水滲勻后再用平地機進行整平，精平后補灑水 1～2遍，由振動式雙驅壓路機緊跟其后進行碾壓。

3.6 整形、碾壓

在碾壓時控制壓實遍數，試驗人員隨時檢查壓實度以確定碾壓遍數、填料的最佳含水量及松鋪系數[14]。碾壓完成后路面須形成1.5%左右的橫向排水坡。運至施工現場的填料，做到當天攤鋪，當天平整碾壓完畢。

3.7 試驗檢測

風積沙壓實度檢測采用環刀法，在路基壓實度檢測時，清除路基表面20 cm的松散風積沙，滲水深度不小于3倍環刀深度，每處檢測2點取平均值。試驗檢測從壓路機碾壓完第3遍開始檢測壓實度，以后每碾壓1遍檢測壓實度，直至碾壓完成。壓實度檢測結果應達到規定的標準，若不符合要求時必須進行補壓，直到合格為止，方可進行下一道工序作業。一般情況下，根據碾壓遍數達到相應壓實度即可，不宜過壓。

3.8 復合土工材料(兩布一膜)鋪設

土工布鋪設應按路基橫斷面相應層次的寬度全斷面鋪設，使其平展緊貼下承層，不允許有褶皺。土工布按設計幅寬縱向鋪設，相鄰2幅搭接時，橫向搭接寬度≥30 cm、縱向搭接寬度≥50 cm。施工期間要仔細檢查有無破損處，防止破損處漏水并進行補強。

3.9 路基封頂層(天然砂礫料)施工

路基封頂層采用30 cm礫類土填筑，攤鋪厚度控制方法采用竹竿掛線的方式。裝載機按照既定方向和預定厚度大致粗平，凹凸不平的部分采用人工配合機械找平，待礫類土填料覆蓋完成后，在作業橫斷面6個控制點處打灰點控制高程。粗平后均勻灑水，然后由平地機快速精細整平，以防填料水分過度蒸發。整平過程中，橫縱坡方向保持平順均勻，以保證壓實效果。

4 風積沙路基施工質量檢測

結合各施工工序質量控制要求，對風積沙路基施工質量進行檢測。

4.1 含水量檢測

為測試風積沙路基含水量，采用JTG E60—2008《公路路基路面現場測試規程》規定取樣方法取代表性砂樣，用烘干法測試其含水量。風積沙路基試驗段填料含水量及手撮填料判斷含水量結果見表4。

由表4可知，隨著風積沙填料中水滲透深度的增加，測得其實際含水量亦在增加，滲透深度在25 cm左右時，其實測含水量接近擊實最佳含水量。采用手撮風積沙填料進行判斷，當風積沙填料成團狀且不散開時，此時填料含水量為14%～16%，接近最佳含水量。綜上分析，在施工現場可通過水滲透深度，并結合手撮風積沙填料狀況初步判斷填料中含水量，快速指導施工。

表4 風積沙填料含水量檢測結果

4.2 壓實度檢測

采用規范規定環刀法測試路基壓實度，風積沙路基填料壓實后壓實度檢測結果見表5。由表5可知，檢測點處壓實度代表值均超過97%，滿足規范大于96%的要求，說明經過充分壓實后，風積沙填料完全能滿足高速公路路基壓實要求。

表5 壓實度檢測結果 %

4.3 彎沉和回彈模量檢測

在風積沙路基上，路床砂礫封頂后分別各取3處路基頂層采用貝克曼梁和承載板測試其彎沉值和回彈模量[15]，結果見表6。

表6 風積沙路基的彎沉及回彈模量檢測結果

由表6可知，所測點位彎沉值和回彈模量均能滿足規范[16]要求，表明風積沙填料路基的強度能滿足規定要求，可用于高速公路路基施工。

5 結論

1)通過對風積沙顆粒進行粒徑分布分析，得到其不均勻系數<5.0、曲率系數<1.0，其為級配不良砂；但其在最佳含水率時CBR實測值均大于18%，超過規范大于8%的規定，可用作路基填料。

2)通過試驗路試鋪確定風積沙路基施工壓實參數，建議風積沙路基施工含水率控制在13%±2%，下路床以下的松鋪系數為1.27、虛鋪厚度為45 cm，且宜采用22 t雙驅動振動壓路機碾壓4遍以上。

3)分析風積沙路基濕法施工工藝，建議施工工序如下：施工準備、原地表清理、測量放樣、風積沙運輸、推筑風積沙、土方整平、振動碾壓、試驗檢測、鋪設兩布一膜、路基封頂施工、路容路貌修整。

4)通過風積沙路基施工中對其含水量、壓實度、彎沉以及回彈模量等檢測，可知風積沙填料成團狀且不散開時，此時填料含水量接近最佳含水量；檢測點處壓實度代表值均大于97%，滿足規范大于96%的要求；且檢測點位彎沉值均小于100(0.01 mm)、回彈模量均大于145 MPa，均滿足規范要求值，表明風積沙填料路基各項指標均滿足規定要求，可用于高速公路路基施工。