鄭育新

(新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

阿拉爾至和田公路起點(diǎn)位于阿拉爾市～圖木舒克公路K6+500 處(阿拉爾12 團(tuán)3 連)，終點(diǎn)位于和田市，全線位于塔里木盆地中三條綠色走廊之一的和田河?xùn)|岸綠色走廊帶邊緣。路線有稀疏的新月形沙丘、沙壟帶，一般高為1 ～3 m;有密集的新月形沙丘鏈群與格狀沙丘交替分布，丘高5 ～10 m，路段內(nèi)有間斷分布的風(fēng)蝕洼地，地勢(shì)起伏較大，丘高5 ～40 m 不等。地形由南向北逐漸降低，平均縱坡只有1.1%。地層結(jié)構(gòu)為第四紀(jì)沖積、洪泛沉積及風(fēng)成沙復(fù)蓋，而第四紀(jì)露于地表的主要是全新的松散層，以細(xì)沙、粉沙，粉質(zhì)沙及沙質(zhì)沉積物組成，風(fēng)成沙是區(qū)域內(nèi)的主要組成物質(zhì)，其厚度一般不超過(guò)20 m。

公路的線路設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)公路，路基寬度10 m，雙向車道，路面寬度8.5 m。由于沙漠缺水，天然砂粒運(yùn)距太遠(yuǎn)，如果采用傳統(tǒng)的筑路方法，勢(shì)必成本太高。本著節(jié)約成本，就地取材的理念，公路采用風(fēng)積砂干壓實(shí)的方法，路基封頂后，鋪設(shè)一層土工布，上面再鋪設(shè)18 cm 天然沙礫，然后攤鋪3 cm 的瀝青面層(如圖1)，達(dá)到“強(qiáng)基薄面”的施工效果。土工布的主要作用有兩點(diǎn):一是固沙強(qiáng)基，即提高沙基整體強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，包括垂直抗剪與水平抗剪兩種，以使沙基在行車作用下，能穩(wěn)定工作;二是增強(qiáng)沙基及沙漠軟土路基的排水性。

本工程在和田和阿拉爾綠洲的邊緣分布了大量的軟土路基，因?yàn)橥凉げ嫉牟捎?，從而加速了軟弱基礎(chǔ)的固結(jié)速度，確保了路基的正常工作狀態(tài)。

圖1 路面結(jié)構(gòu)圖

1 土工布特性

1.1 土工布的性質(zhì)

土工布是展鋪在沙基和沙礫基層之間的結(jié)構(gòu)薄層，本工程采用的是聚丙烯編織布，每幅寬度2 m，長(zhǎng)度200 m。其具有耐腐、耐酸、耐水、強(qiáng)度高、延伸率小的特點(diǎn)，為了能確保路基的正常工作狀態(tài)，工程應(yīng)用時(shí)合理選型就顯得十分重要?，F(xiàn)將所選用的土工合成材料的主要物理力學(xué)性質(zhì)(見(jiàn)表1)以及使用性能做簡(jiǎn)要敘述，以供路基設(shè)計(jì)時(shí)參考。

表征物理性質(zhì)的主要指標(biāo)有單位面積質(zhì)量、厚度、開(kāi)孔尺寸及均勻性。單位面積質(zhì)量通常是指土工織物每1 m2的質(zhì)量，通常每1 m2的質(zhì)量在0.1 ～1.0 kg。

力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、斷裂時(shí)延伸率、撕裂強(qiáng)度、穿透強(qiáng)度、握持抗拉強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、徐變性、聚合物與土體間摩擦系數(shù)等。

土工織物的水理性質(zhì)主要用土工織物垂直向和水平向透水性來(lái)表征(即導(dǎo)水性)。

土工織物的耐久性即抗老化、抗化學(xué)侵蝕性、抗生物侵蝕性、抗磨性、抗溫度、凍融及干濕變化性?？估匣侵父叻肿硬牧霞庸ぁ①A存和使用過(guò)程中，由于受內(nèi)外因素影響，使其各種性能逐漸蛻化的現(xiàn)象。老化是一種不可逆的化學(xué)變化。主要表現(xiàn)在:①外觀變化，發(fā)粘、變硬、變脆等;②物理化學(xué)特征的變化，如比重、熔點(diǎn)、耐寒性和耐熱性等;③力學(xué)性能即抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及彈性等減小或喪失。

表1 土工布物理力學(xué)性能匯總表

1.2 土工布的作用

風(fēng)積沙顆粒組成很細(xì)且顆粒單一均勻，粉粘粒含量很少，滲透系數(shù)較大，比表面積很大，粘聚力很少，松散性很強(qiáng)，保水性較差，水穩(wěn)性很好，易溶鹽含量很小，呈微堿性，本身無(wú)腐蝕性，壓縮變形小，完成時(shí)間短，壓縮量與荷載呈指數(shù)關(guān)系，回彈模量值較大。

在砂礫石料與風(fēng)積沙路基頂部之間覆蓋一層土工布后，因隨沙基變形土工布受到拉伸而承擔(dān)剪應(yīng)力。一方面土工布吸收部分剪應(yīng)力，降低了傳到沙基表面的剪應(yīng)力;另一方面土工布通過(guò)與沙基摩擦并對(duì)沙基的剪切滑動(dòng)進(jìn)行限制，因而進(jìn)一步提高了沙基的抗剪強(qiáng)度。

在車輛荷載的作用下，根據(jù)彈性半空間體理論，沙基表面的豎向變形為:

式中:w1、w2分別為垂直荷載、水平荷載作用下沙基表面的彎沉;E 為沙基的回彈模量;μ 為泊松比;p 為垂直均勻荷載集度;q 水平均勻荷載集度;δ 為當(dāng)量圓半徑。

土工布的拉伸變形因沙基表面的彎沉引起，并進(jìn)一步參與承載。土工布承載方式有兩種，一種是限制沙基的剪切滑動(dòng)，另一種是吸收剪切應(yīng)力。

由土工布的變形及靜力平衡條件關(guān)系(F=Eu)得:

式中:u、E 分別為土工布的拉伸變形和變形模量。

可用圖2 表示土工布限制沙基剪切滑動(dòng)的機(jī)理。

圖2 土工布限制沙基滑動(dòng)

T 為土工布因拉伸所受到的力，假定土工布對(duì)沙基的約束力P 為常數(shù)。那么根據(jù)平衡條件，約束力P 和拉伸力T 分別為:

式(5)表明土工布限制沙基剪切滑動(dòng)的能力與沙基滑動(dòng)面和其拉伸模量所形成的夾角有關(guān)。

因沙基中的風(fēng)積沙抗剪能力差，無(wú)粘性，若在沙基上直接行車，沙基表面就會(huì)因作用在沙基上的剪應(yīng)力剪切破壞而松散。覆蓋一層土工布后，因隨沙基變形土工布而受到拉伸，承擔(dān)剪應(yīng)力，大小按式(3)計(jì)算。土工布一方面通過(guò)與沙基摩擦并限制沙基的剪切滑動(dòng)，進(jìn)而提高了沙基的抗剪強(qiáng)度;另一方面吸收部分剪應(yīng)力，傳到沙基表面的剪應(yīng)力因而降低。

砂礫層上鋪一層土工布后再行車，因?yàn)樯暗[基層吸收一部分軸載引起的剪應(yīng)力，所以傳到土工布表面和沙基的變形量和剪應(yīng)力相對(duì)變小，減弱了土工布的結(jié)構(gòu)承載作用，但土工布仍繼續(xù)起著分隔砂礫與沙基的作用，防止翻沙現(xiàn)象。

2 風(fēng)積沙路基風(fēng)積沙干壓實(shí)施工工藝

工程先期進(jìn)行試驗(yàn)段修筑，試驗(yàn)段工程分為兩段，即一個(gè)挖方段、一個(gè)填方段，其中第一填方段一半為經(jīng)過(guò)挖掘機(jī)分層碾壓的路段、另一半為未充分分層碾壓的路段。通過(guò)試驗(yàn)段總結(jié):填方段每層先利用挖掘機(jī)或推土機(jī)碾壓2 ～3 遍，后直接利用壓路機(jī)快速靜壓1 ～2 遍，之后采用振動(dòng)碾壓2 ～3 遍，最后采用靜壓收光1 ～2 遍，這樣就解決了壓路機(jī)能在干沙上行走作業(yè)的問(wèn)題，挖掘機(jī)和壓路機(jī)在干沙上行走作業(yè)情況見(jiàn)圖3 和圖4。

2.1 干壓風(fēng)積沙施工工藝

干壓實(shí)工藝流程見(jiàn)圖5。

2.2 干壓風(fēng)積沙壓實(shí)效果

圖3 挖掘機(jī)初壓現(xiàn)場(chǎng)

圖4 振動(dòng)壓路機(jī)干壓現(xiàn)場(chǎng)

圖5 風(fēng)積沙干壓實(shí)工藝流程圖

風(fēng)積沙層試驗(yàn)段碾壓完畢，并進(jìn)行含水量、壓實(shí)度檢測(cè)(見(jiàn)表2)后，由于干壓風(fēng)積沙無(wú)法進(jìn)行野外回彈模量試驗(yàn)，表面灑水壓實(shí)后層頂部進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 風(fēng)積沙試驗(yàn)段含水量、壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果 %

表3 風(fēng)積沙試驗(yàn)段回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表2 和表3 可知:

1)未經(jīng)過(guò)充分壓實(shí)的路段(填方二段)，其回彈模量和壓實(shí)度小于分層壓實(shí)的路段(填方一段)和挖方段，所以必需對(duì)風(fēng)積沙路基進(jìn)行充分碾壓，以保證風(fēng)積沙路基的強(qiáng)度。

2)利用常規(guī)壓實(shí)施工機(jī)械，壓實(shí)深度很難達(dá)到1.8 m。因此，當(dāng)風(fēng)積沙路基填筑厚度較大，應(yīng)分層填筑并分層碾壓，每層壓實(shí)厚度不得大于50 cm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:靜壓1 遍強(qiáng)振2 遍的有效壓實(shí)深度不大于50 cm，且風(fēng)積沙的天然含水量在1.80%～3.52%，滿足不了風(fēng)積沙干壓最佳含水量0 ～0.5%的要求，壓實(shí)度只能達(dá)到95%。

3)經(jīng)過(guò)充分壓實(shí)的填方一段其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于填方二段，因此在風(fēng)積沙路基填筑壓實(shí)中要嚴(yán)格分層碾壓，保證風(fēng)積沙路基強(qiáng)度，使風(fēng)積沙的力學(xué)性能充分發(fā)揮。

4)不論是填方段還是挖方段，風(fēng)積沙在干燥狀態(tài)下的回彈模量值比灑水碾壓層表面的回彈模量值均大，所以在利用風(fēng)積沙填筑路基時(shí)，要充分發(fā)揮風(fēng)積沙的強(qiáng)度，風(fēng)積沙層頂部就不能灑水碾壓，以防止出現(xiàn)回彈模量倒置現(xiàn)象。

總之，采用風(fēng)積沙干壓法在干旱缺水地區(qū)是可行的。

3 風(fēng)積沙路基+土工布+沙礫基層施工工藝

阿和沙漠公路采用了土工布加薄層砂礫的路面結(jié)構(gòu)方案，干壓實(shí)風(fēng)積沙路基。即:在風(fēng)積沙分層碾壓、鋪筑土工布后，先鋪筑較薄一層天然砂礫，然后用壓路機(jī)進(jìn)行振動(dòng)碾壓。施工工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 施工工藝流程圖

具體施工工藝如下:

1)沙基填筑。

2)鋪設(shè)土工布及填筑天然砂礫:按設(shè)計(jì)要求鋪筑土工布，并攤鋪8 ～10 cm 天然砂礫，用平地機(jī)整。

3)振動(dòng)碾壓:8 ～10 cm 天然砂礫整平后，先不灑水，使之處于松散的未板結(jié)狀態(tài)，用振動(dòng)壓路機(jī)采取高頻低幅碾壓1 ～2 遍。然后補(bǔ)足18 cm 的沙礫基層厚度，灑水，用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓3 ～5 遍，最后靜壓1 ～2 遍收光輪跡。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用土工布加固風(fēng)積沙是一種非常有效的工程措施，它不僅使土工布自身的工程特性得以充分發(fā)揮，而且可以有效防止上部砂礫嵌入風(fēng)積沙路基，提高路基的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。新疆風(fēng)積沙分布非常廣泛，取之不盡，而沙漠地區(qū)砂礫運(yùn)距非常遠(yuǎn)，阿和沙漠公路二標(biāo)砂礫最遠(yuǎn)運(yùn)距達(dá)260 km，成本很高，利用風(fēng)積沙筑路，風(fēng)積沙運(yùn)距非常近，大大節(jié)約了路基的造價(jià)。利用本文的技術(shù)可以防治路面結(jié)構(gòu)層砂石料的嵌入，從而有效地降低了筑路成本，使其在沙漠地區(qū)公路應(yīng)用有了較為廣闊的條件。

［1］陳忠達(dá)，張登良.風(fēng)積沙路基壓實(shí)技術(shù)的研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1999，12(2)，11 ～14.

［2］陳忠達(dá).沙漠公路施工質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告［R］.1993.

［3］李世芳，王益桂.新疆兵團(tuán)墾區(qū)風(fēng)積沙碾壓技術(shù)研究［J］.公路，2004，20(10)，34 ～36.

［4］胡長(zhǎng)順，黃輝華.高等級(jí)公路路基路面施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［5］陳忠達(dá)，鄭傳超，戴經(jīng)梁.沙基土工布+砂礫基層抗剪穩(wěn)定性分析［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，12(4)，12 ～14.

［6］李世芳，胡作龍.新疆兵團(tuán)墾區(qū)風(fēng)積沙工程特性試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2005，25(12):149 ～151.

［7］張軍光，張修良，何永明.新疆沙漠公路施工及加固試驗(yàn)分析［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2008，25(12):44 ～50.