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砂土填筑高速公路路基新技术

摘要：石黄高速公路有12KM路线临近滹沱河滩，或进入了河道，而近距离内却没有粘性土或其它适合的填筑材料，经研究论证采用土包砂作为路基结构型式，但施工技术规范中没有土包砂路基施工工艺及质量检测、控制标准，本文对土包砂路基施工工艺及质量检测、控制标准进行了研究、探讨。
关键词：包砂土 同步施工 压实 环刀法
引言
石黄高速公路一期工程，有12KM的高填方路基座落于滹沱河南侧的古河道及洪水形成的牛轭弯上，河道中有大量的冲积细砂，而近距离没有粘性土或其它适合填筑材料，给路基填筑造成很大困难。
修建高速公路除永久占用大量的土地资源外，高填方路基取土也要占用大量的耕地，对我国这样人均耕地面积很少的国家，确实带来很多与国与民不利的问题。如何尽量少占耕地，节约良田，节省投资，成为高速公路建设中一项重要的课题。
砂土水稳定性好、透水性强、沉陷快、饱水易压实、毛细水上升高度小，是一种良好的填筑路基材料。在我国内陆地区河滩砂土地段修路，利用河砂填筑路基，既可疏通河道，又能少占耕地，就地取材，降低造价。但砂土作为填筑材料，存在失水后易滑坍，不易压实，干稳定性差的缺陷。采取砂土填芯，粘土包边，土包砂的填筑方法，可以发挥两种材料的优点。
在我国现行的施工技术规范中尚无现成的土包砂路基施工工艺及质量检控标准。针对实际情况，我们首先成立了科研课题小组，制定了《包砂土路基施工规程（试行办法）》，对这种结构形式进行施工指导与质量控制，并在施工中研究、探索、总结、完善。
一．原材料分析
由于砂土与粘土在土质、力学性质各项技术指标上的差异，在施工中砂土与粘土的具体操作及各项控制指标也存在着很大差别。因此，砂土与粘土结合部位的压实度控制便成了施工中一个最棘手的问题，也是工程中最薄弱的环节。
对河滩细砂土进行颗粒分析，K19+480-K29+218范围内，不均匀系数Cu值在2.2-3.597之间。
在工程上把Cu<5的土称为级配均匀的土，而Cu>10的土则称为级配良好的土。分析结果表明，河滩砂土级配不良，天然条件下不可能自己形成较紧密的土体，只有通过饱水压实才能缩小颗粒间距，形成一定结构强度。根据试验结果，砂土的最大干容重及最佳含水量与0.074以下颗粒含量多少反映不敏捷，只是总体颗粒较细时，最大干容重偏低，最佳含水量偏高，一般水压砂土宜控制在400kg/m3左右，因此，夏季施工时要宁多勿少，予留散失水量。
二．包砂土路基的施工
为了保证路基的填筑质量和进度，分别采用两种填筑方案进行试验段的填筑。
（一）砂土与粘土同步施工法。
这一方案在施工中，砂土与粘土始终处在相对水平的状态，实际上是砂土和粘土摊铺与碾压同步。砂土与粘土同步施工，又可以有两种不同的施工方法。第一是包边粘土与砂芯同时摊铺后，先压实包边土，达到压实度后，水压砂芯后再压实砂土。第二是粘土与砂土同时摊铺，先稳压粘土两遍，水压砂芯，最后同时碾压粘土与砂土，这种填筑方法实际操作比较困难，两种材料的最佳含水量不同，同时碾压达不到压实度要求，因此，采用第一种方法进行试验段填筑。
砂土与粘土同步的施工工艺：
1．施工前的准备：
施工前的准备工作，包括施工测量、土质实验、场地的清理、人员机械的组织安排等，均遵照《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95）第3.1-3.4款的要求来执行。
2．摊铺：
各项准备就绪之后，开始进行路基填筑前的碾压，压实度合格后，在部分中细砂路段，为避免地震时产生动水压力形成的管涌，影响路基的稳定，按设计要求铺设一层土工布。土工布的各项技术指标及铺设、缝合要求，应参考相应的技术规范而定。
路基填土在摊铺前应先准确地划出路堤边线和砂土与粘土的分界线，砂土与粘土均采用水平分层摊铺，严格控制厚度，砂土的松铺厚度≤40cm，粘土的松铺厚度≤30cm。包边粘土的摊铺宽度应比设计宽20cm，以保证路基成形削坡后净宽度满足设计的要求。摊铺主要由推土机及平地机完成，并结合人工整理土砂交界处，形成整齐的交界线。摊铺长度应按施工能力而定，一般在500米左右，或在两座构造物之间为一施工段落。
3．压实：
（1）包边粘土压实
摊铺工作完成后，应先对路基两侧包边粘土进行压实。碾压时应控制合理的含水量。压实度控制在90%时，先用10-12T宽型光轮压路机碾压1-2遍，再用18-20T宽型光轮压路机碾压4-6遍。由于工作面比较狭窄，不宜用三轮压路机。在碾压过程中粘土与砂土的结合部位应充分压实，尽量避免砂土与粘土的混杂和粘土未压实的情况。当包边粘土碾压完毕，应按规范要求检测压实度、平整度、宽度、标高（重点检查砂土与粘土结合部位的压实度）。
（2）砂土压实
在砂土表面做成约5M长的方形畦，当砂土天然含水量在2-3%时，灌水量控制在400kg/m3左右，在砂土与粘土的结合部位应控制水量，避免水量过大将粘土浸泡松软。灌水完毕后一般压实度达80%左右，用重型（30T以上）振动压路机对砂土碾压4-6遍，振动碾压时宜采用2档（2.0-2.5km/h）碾压轮迹相互搭接。振动碾压后，再用静碾压路机压1-2遍，保证本层压实度及表面平整度。对于路基局部边角地带，如桥台或挡墙后背，压路机不能碾压的部位，应采用小型手扶式振动压路机或采用蛙式夯实机进行碾压夯实。碾压完毕，检验压实度、平整度、标高、宽度、横坡度，各项指标合格后，及时进行下一层的填筑施工，尽可能减少成型的砂土路基失水。当不能及时填筑下一层砂土时，应注意及时洒水，保持足够的水分。
4．机械配置
挖掘机或装载机配合自卸汽车运土，在距砂场1公里以内的路段可利用铲运机，效率会更高。整平摊铺由推土机与平地机配合完成，压实由振动碾及宽轮碾完成。
5．优缺点分析
砂土与粘土同步施工法，施工时层次明确，易于进行施工的组织安排，并且在路基平整度、宽度、横坡、标高各项指标的控制上容易掌握，压实度也能达到设计要求。存在缺点是，首先，由于砂土粘土压实厚度的差异所造成结合处的错台现象，给压实带来一定困难。第二，砂土的施工对外界环境要求少，只要能充足的灌水压实，便能正常施工；而粘土碾压则对含水量要求很高，当粘土的含水量较高时，需要晾晒，粘土的施工进度必将慢于砂土，尤其在雨季，这一问题更为突出，一味地强调同步施工，必将造成因粘土进度滞后引起的砂土停工与等待现象。
（二）先填砂芯后填包边粘土的施工。
1．准备工作遵照《公路路基施工技术规范》（JTJ03-95）执行。
2．摊铺与压实
在填前碾压后，先进行砂土的填筑和摊铺，摊铺宽度应略小于砂土设计边线，在摊铺完成后便可进行灌水碾压，与此同时，粘土也可正常进行摊铺与碾压。两种土质的施工并不互相制约与影响。后包边施工法最重要的一个施工环节，是对砂土与粘土结合部的碾压处理，主要体现在压实后粘土的内侧削坡与压实砂土的外侧削坡，下面结合图2对这一方法加以详细说明：
（1）包边土压实：
先填砂芯后填包边粘土的施工方法允许粘土层的施工滞后于砂土层，砂土层的施工不受粘土层的制约，所以其工作面可高出粘土层0-1.5M，粘土层的摊铺内侧应宽出设计边线30cm左右，然后进行粘土层的压实，压实合格后，依照粘土层内侧设计边线对粘土层的内侧削坡（坡比1:1），将削去的粘土堆在压实粘土表面作为下层填筑材料。
（2）砂土和包边土结合处压实：
用人工对砂土层削坡，将削掉的砂土摊铺至粘土边，先压实的砂土会失水，应用人工对砂土进行洒水，注意水量不宜太大，以稳定砂土不浸泡粘土为原则，再对砂土进行碾压。由于碾压宽度小，而且与粘土同时碾压（对粘土为反复碾压），为防止包边粘土层内坡的破坏，宜采用静碾压路机碾压，达到压实标准后，进行下一层粘土的填筑。这样，既解决了因粘土层滞后引起砂土层施工等待现象，又实现了砂土层与粘土层结合部的同步施工与同步碾压。
（3）包边粘土层后施工的优缺点：
包边粘土层后施工法，解决了砂土与粘土结合部位的压实问题，而且使砂土与粘土的施工相对独立，不会因粘土的滞后而使砂土施工停工，能充分地利用机械与人力，加快工程进度。缺点是需要人工配合。
三．施工中存在的问题及解决方法
两种施工方案，无论哪一种，当土工布以下土层渗透性较弱时，都会出现因砂土灌水不能及时下渗而引起对土砂结合部位的浸泡。在实际施工中采用挖渗水井的方法可以解决这个问题。渗水井构造见图3，也可以在不透水层顶面埋设花管通过包边粘土排出路基。
四．填砂路基的压实度检测
对填砂路基压实度，采用什么方法进行检测更为准确，我们在施工中对灌砂法、环刀法、核子仪法进行同点对比试验。
灌砂法是最常见的试验方法之一。此方法表面看来颇为简单，但实际操作时常常掌握不好，引起较大误差。尤其是刚刚碾压完成，砂土路基含水量较大时，使用灌砂法测定压实度一是砂土层次不明显，孔中扰动后的极细砂土不易取净，造成干容重偏高。主要是因为填满试坑的砂土质量Mb减少，故试坑材料的湿容重ρw=Mw/Mbrs增大，其干容重也随之增大。rs为量砂的单位重，Mw为试坑中取出的全部材料的质量。二是量砂灌入试坑后极易潮湿，在回收时砂时容易和极细砂土混合。对量砂频繁晾晒风干，反复调整其单位重，增加工作量影响试验精度。
核子仪使用方便、快速，由于仪器本身的缺陷，精度不高，不能直观反应每点的真实压实度，其试验数据不能作为验收依据。
环刀法快捷方便，尤其是极细砂在不失水状态下，用环刀法测试较为快捷、准确。
三种测试方法得出的干容重：灌砂法偏高，核子仪偏低，两者压实度相差3%左右，已超出允许的误差范围。因此，施工中填砂路基应采用环刀法检测压实度。
对成型的包砂土路基进行试坑开挖，测定土砂结合部位的压实度均满足规范要求，路基的弯沉极值和代表值均小于设计值，表明包砂土的施工工艺、质量控制是成功的。
该课题经河北省交通厅组织专家鉴定，认为粘土包边、砂土填芯的办法，解决了河滩段路基大量远运粘土的困难，因地制宜采用河砂，降低了工程造价，减少了土地占用，缩短了工期，有可观的经济效益和社会效益，为今后同类型路基施工提供了经验。其施工工艺达到了国内领先水平。

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说 明

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