沙漠地區(qū)高速公路風(fēng)積沙路基濕壓法施工工藝與質(zhì)量控制

甫爾海提·艾尼瓦爾

(新疆交投建設(shè)管理有限責(zé)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(qū)。風(fēng)積沙作為沙漠地區(qū)最豐富的材料，若能保證路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性等條件下，兼顧因地制宜、就地取材原則，將風(fēng)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(fēng)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(fēng)積沙進(jìn)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(fēng)積沙的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；宋良瑞等[8]將風(fēng)積沙摻入水泥穩(wěn)定碎石中，以提高其強(qiáng)度和耐久性。但上述方法風(fēng)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(fēng)積沙作為路基填料直接應(yīng)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(qū)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(fēng)積沙灑水至飽和狀態(tài)，其碾壓效果、質(zhì)量過程控制比干壓法好。本文結(jié)合新疆S21阿勒泰至烏魯木齊高速公路工程，在對風(fēng)積沙顆粒特性及其路基壓實特性分析的基礎(chǔ)上，提出風(fēng)積沙路基濕壓法施工工藝及其質(zhì)量控制要點，并對其含水量、壓實度、彎沉以及回彈模量等進(jìn)行檢測，以驗證沙漠地區(qū)利用風(fēng)積沙作為高速公路路基填料的可行性。

1 風(fēng)積沙特性分析

1.1 顆粒分析

S21項目起點位于阿勒泰地區(qū)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(fēng)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(fēng)積沙主要因風(fēng)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(xué)性質(zhì)呈微堿性，無腐蝕性，自然狀態(tài)下的風(fēng)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(tài)下的1.2～1.4倍。為分析項目所在地風(fēng)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(fēng)積沙料場取樣1處(樣3)進(jìn)行顆粒分析，結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)積沙顆粒分析結(jié)果

由表1可知，3處取樣位置風(fēng)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(shù)為1.6～1.9(均小于5.0)、曲率系數(shù)0.84～0.97(均小于1.0)。由此可知，取樣位置風(fēng)積沙為級配不良砂。

1.2 風(fēng)積沙標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗

為分析風(fēng)積沙擊實特性，按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中重型擊實法進(jìn)行試驗，試樣的制備采用干法制樣，試驗過程中，風(fēng)積沙試樣加水應(yīng)準(zhǔn)確不得反復(fù)烘干。風(fēng)積沙擊實試驗時，沙樣不得重復(fù)使用。不同取樣點風(fēng)積沙擊實曲線如圖1所示，最佳含水率、最大干密度結(jié)果見表2。

由圖1和表2可知，風(fēng)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(fēng)積沙密實，進(jìn)而影響其強(qiáng)度[11]。不同取樣點位置風(fēng)積沙在最佳含水量時干密度呈現(xiàn)最大值，其最佳含水量在14.1%～14.6%，對應(yīng)的最大干密度為1.74 g/cm3～1.78 g/cm3，此時風(fēng)積沙密實度最大，對其強(qiáng)度有利；且不同取樣點處風(fēng)積沙CBR實測值有所差異，但均大于18%，遠(yuǎn)超規(guī)范大于8%的要求。因此，其可作為路基填料選用，且施工中風(fēng)積沙含水量宜處于13%±2%范圍內(nèi)。

表2 風(fēng)積沙擊實特性及其CBR試驗結(jié)果

1.3 風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)設(shè)計

為指導(dǎo)風(fēng)積沙路基施工，本文提出風(fēng)積沙路基結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如圖2所示。其中風(fēng)積沙頂面鋪設(shè)土工布進(jìn)行防水加固處理，避免礫石土與風(fēng)積沙摻混、接觸面滲水后塌陷，提高路基承載力。為加固風(fēng)積沙路基，路基頂層采用30 cm礫類土填筑封頂。

單位：cm

2 風(fēng)積沙路基施工準(zhǔn)備

風(fēng)積沙路基施工前，通過試驗路的鋪筑確定路基松鋪系數(shù)以及壓實遍數(shù)等壓實參數(shù)，為后續(xù)大面積施工做準(zhǔn)備。

2.1 風(fēng)積沙路基松鋪系數(shù)確定

為確定風(fēng)積沙路基松鋪系數(shù)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(jī)按照邊樁竹竿掛線高度控制松鋪厚度，根據(jù)分層分區(qū)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(fēng)積沙路基壓實松鋪系數(shù)。

(1)

式中：k為松鋪系數(shù)；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(fēng)積沙路基松鋪系數(shù)為1.27，若風(fēng)積沙路基每層壓實后其厚度控制在35 cm左右，則風(fēng)積沙路基的虛鋪厚度為45 cm。

表3 風(fēng)積沙路基壓實過程中實測高程值

2.2 風(fēng)積沙路基碾壓遍數(shù)確定

為確定碾壓遍數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場施工，采用22 t雙驅(qū)動振動壓路機(jī)對風(fēng)積沙路基進(jìn)行壓實，分別測得不同碾壓遍數(shù)下風(fēng)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(shù)的增加，風(fēng)積沙路基壓實度逐漸增大，當(dāng)碾壓遍數(shù)超過4遍時，其壓實度超過97%，滿足規(guī)范要求。因此，建議風(fēng)積沙路基施工中可采用22 t雙驅(qū)動振動壓路機(jī)碾壓4遍以上。

圖3 碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系曲線

3 風(fēng)積沙路基濕壓法施工工藝

3.1 原地表清理

經(jīng)過施工準(zhǔn)備，進(jìn)行路基試驗段填筑前，根據(jù)設(shè)計圖紙對基底進(jìn)行清理及碾壓：裝載機(jī)對基底的垃圾、樹根等，配合人工進(jìn)行清除，清除厚度為30 cm，清表土用自卸車統(tǒng)一拉運(yùn)至棄土場，基底經(jīng)壓實檢測合格，并經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗合格后正式進(jìn)行路基施工。

3.2 測量放樣

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

3.3 風(fēng)積沙裝料、運(yùn)輸、卸料

根據(jù)自卸車每車的運(yùn)量及松鋪厚度撒出方格，每個方格內(nèi)倒土，進(jìn)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(yùn)至施工現(xiàn)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(wǎng)格之間，均勻卸滿。

3.4 風(fēng)積沙整平

首先用裝載機(jī)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(yù)定厚度大致粗平，凹凸不平的部分采用人工配合機(jī)械找平。然后由平地機(jī)快速精細(xì)整平，以防填料水分過度蒸發(fā)。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(nèi)，嚴(yán)格控制橫坡保證路基填后排水。風(fēng)積沙作業(yè)段控制在200 m，合理組織車輛和指揮交通，防止運(yùn)料車輛在風(fēng)積沙及便道發(fā)生交通堵塞的情況。

3.5 檢測、調(diào)整含水率

平地機(jī)精平后，由試驗員現(xiàn)場檢測含水率。該段取土場風(fēng)積沙土樣最佳含水量為13%±2%，經(jīng)檢測調(diào)整含水量較最佳含水量高出1%～2%后開始輾壓。

風(fēng)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(jīng)水車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行灑水。在長度200 m的作業(yè)段落內(nèi)需布置4～6輛灑水車來提供風(fēng)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(xù)逐排灑水。待水滲勻后再用平地機(jī)進(jìn)行整平，精平后補(bǔ)灑水 1～2遍，由振動式雙驅(qū)壓路機(jī)緊跟其后進(jìn)行碾壓。

3.6 整形、碾壓

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

3.7 試驗檢測

風(fēng)積沙壓實度檢測采用環(huán)刀法，在路基壓實度檢測時，清除路基表面20 cm的松散風(fēng)積沙，滲水深度不小于3倍環(huán)刀深度，每處檢測2點取平均值。試驗檢測從壓路機(jī)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(jié)果應(yīng)達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，若不符合要求時必須進(jìn)行補(bǔ)壓，直到合格為止，方可進(jìn)行下一道工序作業(yè)。一般情況下，根據(jù)碾壓遍數(shù)達(dá)到相應(yīng)壓實度即可，不宜過壓。

3.8 復(fù)合土工材料(兩布一膜)鋪設(shè)

土工布鋪設(shè)應(yīng)按路基橫斷面相應(yīng)層次的寬度全斷面鋪設(shè)，使其平展緊貼下承層，不允許有褶皺。土工布按設(shè)計幅寬縱向鋪設(shè)，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(xì)檢查有無破損處，防止破損處漏水并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

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(jī)按照既定方向和預(yù)定厚度大致粗平，凹凸不平的部分采用人工配合機(jī)械找平，待礫類土填料覆蓋完成后，在作業(yè)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(jī)快速精細(xì)整平，以防填料水分過度蒸發(fā)。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(fēng)積沙路基施工質(zhì)量檢測

結(jié)合各施工工序質(zhì)量控制要求，對風(fēng)積沙路基施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。

4.1 含水量檢測

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

由表4可知，隨著風(fēng)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(fēng)積沙填料進(jìn)行判斷，當(dāng)風(fēng)積沙填料成團(tuán)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(xiàn)場可通過水滲透深度，并結(jié)合手撮風(fēng)積沙填料狀況初步判斷填料中含水量，快速指導(dǎo)施工。

表4 風(fēng)積沙填料含水量檢測結(jié)果

4.2 壓實度檢測

采用規(guī)范規(guī)定環(huán)刀法測試路基壓實度，風(fēng)積沙路基填料壓實后壓實度檢測結(jié)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(guī)范大于96%的要求，說明經(jīng)過充分壓實后，風(fēng)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(jié)果 %

4.3 彎沉和回彈模量檢測

在風(fēng)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(jié)果見表6。

表6 風(fēng)積沙路基的彎沉及回彈模量檢測結(jié)果

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

5 結(jié)論

1)通過對風(fēng)積沙顆粒進(jìn)行粒徑分布分析，得到其不均勻系數(shù)<5.0、曲率系數(shù)<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(guī)范大于8%的規(guī)定，可用作路基填料。

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

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

4)通過風(fēng)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(fēng)積沙填料成團(tuán)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(guī)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(guī)范要求值，表明風(fēng)積沙填料路基各項指標(biāo)均滿足規(guī)定要求，可用于高速公路路基施工。