湖南某公路項(xiàng)目吹（填）砂路堤關(guān)鍵技術(shù)研究

于連杰YU Lian-jie；于春輝YU Chun-hui

（①中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；②中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195）

0 引言

路堤填筑需要大量材料，填挖平衡是工程建設(shè)所追求的理想狀態(tài)，但在地勢(shì)平坦地區(qū)特別是高等級(jí)公路建設(shè)，受通道、跨河（壩）橋等構(gòu)造物限制所以很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)大量取土后在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)原有地表生態(tài)難以恢復(fù)，與社會(huì)要求的綠色公路建設(shè)相違背[1]。我國中、東部平原地區(qū)水網(wǎng)密集，湖泊星羅云布，有大量砂資源，其附近修筑公路可以因地制宜利用河沙來填筑路堤。

1 吹（填）砂路堤設(shè)計(jì)

1.1 橫斷面設(shè)計(jì)

吹（填）砂路基在設(shè)計(jì)階段應(yīng)提前掌握填料的性質(zhì)、空間分布特征及相關(guān)物理性質(zhì)、力學(xué)參數(shù)。

砂具有粘聚力小、可塑性差的特點(diǎn)，使之難以形成板體，失水時(shí)易松散，受路面及邊坡降水沖刷，引起邊坡局部崩坍。因此，填砂路基邊坡宜適當(dāng)放緩，坡率可參照風(fēng)積沙填筑路基設(shè)置[2][3]。

表1 吹（填）砂路堤邊坡坡率（不包邊）

緩邊坡占用的耕地資源較多，土地資源緊張的項(xiàng)目可采用對(duì)吹（填）砂路基邊部進(jìn)行“包邊處理”，包邊可用粘土或袋裝砂礫+粘土，邊坡坡率與一般路基一致，根據(jù)高度選用1:1.5～1:1.75。

1.2 壓實(shí)度與強(qiáng)度要求

填筑路基砂料應(yīng)滿足路基強(qiáng)度和回彈模量的要求，作為表征量的壓實(shí)度及最小承載比應(yīng)滿足表2。

表2 吹（填）砂路基填料壓實(shí)度、最小承載比要求

1.3 排水設(shè)計(jì)

1.3.1 吹（填）砂路基體內(nèi)部排水

無論直接從河流、湖泊直接吹沙，或經(jīng)開采運(yùn)輸填筑，含水量均較高，吹填沙甚至是過飽和狀態(tài)，因此如何排除路基體內(nèi)自由水尤為重要。

利用達(dá)西定律計(jì)算填筑層的泄水能力：

路基內(nèi)的滲流（自由水）時(shí)間計(jì)算：

式中：Q0排水層的泄水能力（每延米，縱向）；kb滲透系數(shù)；ih橫向坡；h 排水層厚度；vs滲流速度；t 滲流時(shí)間；iz縱向坡；B 橫向排水寬度（設(shè)置路拱時(shí)取單側(cè)寬度）；Ls滲流路徑長(zhǎng)；ne透水材料有效孔隙率。

排水量可根據(jù)吹（填）材料由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，吹（填）速度宜滿足路基體的泄水能力及滲流時(shí)間的要求。匯集底部水應(yīng)通過設(shè)置橫向盲溝及時(shí)排除，同時(shí)為避免對(duì)地基強(qiáng)度的破壞，迅速匯流，應(yīng)在地基表面設(shè)置隔水層，并沿縱向在底部包邊土部位設(shè)置高80cm 的碎石（砂礫）滲溝，其外設(shè)置土工袋裝砂礫保護(hù)層。

1.3.2 地表排水

吹（填）砂公路項(xiàng)目多位于沖積平原，對(duì)公路排水要求比一般地區(qū)要嚴(yán)格。因此，路面水、路基邊坡、中分帶等地表排水設(shè)計(jì)應(yīng)形成完善的排水系統(tǒng)。

為保證路堤的穩(wěn)定，應(yīng)采用“輸、堵、截、降”等手段，對(duì)路基排水和路面排水進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，確保排水順暢、減少水土流失。因地制宜，盡量不破壞原有水系，通過排水溝、橋涵構(gòu)造物和沿線排洪溝渠銜接，形成相對(duì)完善的排水系統(tǒng)。邊溝、渠道等設(shè)施的排水能力及其斷面尺寸需經(jīng)過水力計(jì)算，并利于標(biāo)準(zhǔn)化施工角度綜合確定。

1.4 防護(hù)設(shè)計(jì)

吹（填）砂路堤防護(hù)要以保證邊坡淺表層穩(wěn)定、耐久經(jīng)濟(jì)、與路側(cè)整體環(huán)境融合度高為原則，根據(jù)路堤填筑高度、路線縱橫坡度、包邊土特性及厚度、材料供應(yīng)條件等設(shè)計(jì)防護(hù)形式。以生態(tài)植物防護(hù)，或采用圬工+植物的防護(hù)形式，對(duì)工程體進(jìn)行綠色遮蔽[4]。

1.5 材料技術(shù)要求

砂材料的含泥量宜小于8%；有機(jī)質(zhì)含量應(yīng)低于5%；細(xì)度模數(shù)宜為2.0～3.2。此外，一般不采用吹砂來填筑路床。

2 吹（填）砂路基施工實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目在洞庭湖區(qū)，位于重點(diǎn)垸內(nèi)，路基總填筑土方約70 萬m3，平原區(qū)取土困難，環(huán)保要求高，經(jīng)專項(xiàng)論證采用吹（填）砂路基。

沿線有兩條河流可以供砂，分別取樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3。

表3 砂的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

由前文可知，在其它條件相同情況下，滲透系數(shù)越大自由水排出時(shí)間越快，有利于后續(xù)工序，選擇河流1 砂填筑。含泥量小的河砂有利于保證施工質(zhì)量，由于河底不同位置、不同層位砂的質(zhì)量是有差別的，應(yīng)重視采砂的方式和位置，宜在靠近河中間，河面寬闊水流緩慢位置取砂。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，該砂技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了作為路堤填料的要求。項(xiàng)目實(shí)施時(shí)期，吹（填）砂路基應(yīng)用較少，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可循，在全面開工前，設(shè)置試驗(yàn)段來確定分層填筑厚度、填筑速率、排水設(shè)施布設(shè)、壓實(shí)時(shí)機(jī)、壓實(shí)參數(shù)及機(jī)具選擇等技術(shù)方案，便于大規(guī)模填筑[5]。

2.2 施工方案與工藝流程

本項(xiàng)目邊坡坡率為1:1.5，采用黏土或袋裝砂礫包邊，厚度為2.5m。吹（填）砂施工流程：施工準(zhǔn)備場(chǎng)地清理→構(gòu)筑臨時(shí)排水系統(tǒng)→填筑攔水壩→吹填設(shè)備及管道布置→路基吹填砂施工（分層）→路基整平壓實(shí)→壓實(shí)度檢測(cè)→包邊土施工→路堤邊坡防護(hù)→吹填砂路基觀測(cè)。

本項(xiàng)目吹（填）砂施工前，對(duì)基底原地表和軟土基等均進(jìn)行處治，使之達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.3 吹填設(shè)備的選取

本項(xiàng)目取砂河道不通航，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查試驗(yàn)后，采取直接式的抽取方法進(jìn)行施工。排砂管可采用鋼管或PVC 管，管徑可根據(jù)填筑要求采用20～50cm。

2.4 排砂管道布置

主抽砂管應(yīng)布設(shè)順捷，過陡、彎度過小宜產(chǎn)生負(fù)壓，影響效率；同時(shí)盡量避免穿越公路，必須穿越時(shí)應(yīng)設(shè)保護(hù)措施。吹（填）管道可根據(jù)每層填筑厚度、寬度、設(shè)備數(shù)量、功率等進(jìn)行布設(shè)；管道可選一套或多套，應(yīng)順路線由中間向兩側(cè)平行布置，按由高到低的順序吹填[6]。

可采用增壓泵來增加抽砂泵揚(yáng)程，距離較遠(yuǎn)時(shí)可設(shè)置臨時(shí)儲(chǔ)砂池進(jìn)行二次抽吸。

2.5 排水體系

2.5.1 構(gòu)建臨時(shí)排水系統(tǒng)

水是輸送砂的載體，無論是填砂使用的灌水還是直接吹沙填筑，都需要大量的水來參與，輸送管道中的水占排砂管總體積的八成以上，吹砂之前應(yīng)布置好排水設(shè)施。

臨時(shí)排水系統(tǒng)應(yīng)能快速順暢排除循環(huán)水，盡早使路堤趨于穩(wěn)定；降低對(duì)現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)、天然河（水）道的干擾；減少對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的破壞和水土流失。

2.5.2 路基體外部排水系統(tǒng)

①路堤兩側(cè)護(hù)坡道外側(cè)設(shè)置地面排水溝，與天然溝渠連接，用過的水需進(jìn)行沉淀等處理才可排入排水系統(tǒng)或河溝，避免污染水源、農(nóng)田、漁塘等。②重視基體內(nèi)部水的排出。為保證吹（填）砂路堤在施工、預(yù)壓和營運(yùn)過程穩(wěn)定，本項(xiàng)目對(duì)填高大于等于6m 的邊坡的設(shè)兩排輸水管，上、下層梅花形布置，間距2.0～3.0m，管口包透水土工布，長(zhǎng)度應(yīng)穿透包邊土為宜，以利于排銜接面處水。

2.5.3 排水溝、攔水壩

①填砂路基施工作業(yè)段長(zhǎng)度宜按400m～500m 控制，或者每?jī)傻澜Y(jié)構(gòu)物之間作為一個(gè)作業(yè)面。作業(yè)面縱向兩端以、兩側(cè)設(shè)置攔水壩，壩體一般為土工袋裝砂，丁順方式砌筑，土工袋間填筑細(xì)砂并達(dá)到密實(shí)。攔水壩內(nèi)側(cè)采用防滲土工織物，防止水滲透進(jìn)入下一施工段。②第一層填筑完成后，其上各層宜用吹填材料砌筑縱、橫向攔水壩。為避免對(duì)填筑完成路堤造成沖刷、侵泡破壞，在攔水壩內(nèi)側(cè)鋪設(shè)防滲土工材料。邊部攔水壩體施工時(shí)對(duì)前序壩體進(jìn)行挖除，并做好本層吹（填）砂路堤包邊工作。

2.5.4 路基內(nèi)部的排水

施工過程中用大量水作為載體，路基體本身要達(dá)到密實(shí)度含水率也應(yīng)較高，水易匯集于底部，浸泡下層已填筑砂基，致使路堤強(qiáng)度降低，破壞穩(wěn)定；局部邊坡由于填料差異或透水層被堵使?jié)B水速度不同，形成邊坡內(nèi)部水壓力高于外部，水壓力差的存在可能造成坡腳損壞、邊坡淺表層坍塌繼而導(dǎo)致路面塌陷，危及安全[7]。清表碾壓完成的路基底部鋪設(shè)兩布一膜防滲土工布后填筑底部滲溝，其路基內(nèi)側(cè)及頂部宜包裹反濾土工布，以免堵塞，其外側(cè)袋裝砂礫保護(hù)層可在路基填筑完成后施工。路堤底部每5 米左右設(shè)置橫向排水管一處，宜采用HDPE 管，排水管應(yīng)伸至包邊滲溝外，置于吹填砂內(nèi)管應(yīng)打孔并包裹反濾土工布，其他部位原管即可。從實(shí)際效果來看管道+邊部滲溝的設(shè)置基本可以解決路基內(nèi)部排水問題。

2.6 吹（填）砂填筑

吹砂路堤高度上必須全斷面分層填筑，并逐層壓實(shí)，分層厚度不宜大于30cm；吹（填）砂速度使砂基能快速達(dá)到最佳含水率為宜，過快路堤宜失穩(wěn)，過慢不利于保證工期[8]。一般應(yīng)遵循，路基自中間向兩邊、由高向低方向循序吹填，其橫坡宜為2%～4%，可用平地機(jī)等設(shè)備調(diào)整坡度。當(dāng)檢測(cè)含水量比最佳含水量高1%～2%時(shí)比較適宜進(jìn)行壓實(shí)。壓實(shí)工藝與正常填土相同，初壓由邊緣向內(nèi)側(cè)縱向逐輪往返碾壓，邊部大型機(jī)具不易碾壓的部位，應(yīng)采用打夯機(jī)或小型壓路機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓。壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行下層吹填施工。若基底為軟土路基，則吹砂填筑寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求考慮軟基沉降對(duì)填筑高度和寬度影響。

2.7 包邊施工

分層吹（填）完成，挖除縱向攔水壩后,填筑本層包邊粘土，包邊土壓實(shí)后，修筑下層吹砂縱向攔水壩，然后進(jìn)行下一層的吹砂施工，待吹填結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行封層土和路基邊坡防護(hù)施工。包邊土應(yīng)滿足路堤對(duì)材料的要求，液限、塑限或最小承載比不滿足要求時(shí)，可物理或化學(xué)方法改良處理。包邊土采用專用機(jī)械分層壓實(shí)，特別注意砂基與包邊土銜接處壓實(shí)質(zhì)量[9]。

3 填砂路堤的檢測(cè)

填砂路基每層填筑完成后應(yīng)進(jìn)行含水率和壓實(shí)度檢測(cè)，含水率推薦采用紅外線微波加熱快速測(cè)定法，壓實(shí)度推薦采用大體積環(huán)刀護(hù)筒灌砂法檢測(cè)[10]。

吹（填）砂路基實(shí)測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)方法、檢測(cè)頻率和允許偏差見表4。

表4 吹（填）砂路基實(shí)測(cè)項(xiàng)目表

4 吹（填）砂路堤的發(fā)展?fàn)顩r

材料的特殊性在一定程度上限制了吹（填）砂路基的發(fā)展，但在材料供應(yīng)有保障的地方也有在應(yīng)用，隨著技術(shù)創(chuàng)新、施工工藝的進(jìn)步，未來在以“堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，堅(jiān)持統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，堅(jiān)持因地制宜”的公路建設(shè)基本原則指導(dǎo)下，應(yīng)用河砂甚至海砂吹（填）筑路堤也必將得到切實(shí)發(fā)展，其設(shè)計(jì)理念、施工技術(shù)也會(huì)更上一層樓[11]。

5 結(jié)語

①吹（填）砂材料的應(yīng)用可以達(dá)到“統(tǒng)籌資源利用，實(shí)現(xiàn)集約節(jié)約，保護(hù)土地資源”的目標(biāo)，契合交通運(yùn)輸部近年發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》要求。綠色公路建設(shè)為其應(yīng)用與發(fā)展提供了切實(shí)保障。②現(xiàn)行規(guī)范還存在一定程度的不完善。砂資源豐富的地區(qū)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)適用性、環(huán)境友好性等多方面全方位比選，在條件允許是用砂來填筑路基，可以避免大挖大填[12]。③無論是直接吹填砂還是填砂后灌水施工，都應(yīng)做好臨時(shí)排水設(shè)施，建立健全環(huán)保、安全管理和質(zhì)量檢測(cè)體系，避免對(duì)原有河流湖泊等水系、通行道路、農(nóng)田水利等設(shè)施的破壞。