劉旭峰， 李茂山， 劉喜遠(yuǎn)， 史 杰

(甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 蘭州 730000)

我國荒漠化土地面積已達(dá)267.4萬km2,占國土面積的27.8%[1]，甘肅省第5次荒漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：甘肅省現(xiàn)有荒漠化土地面積為19.502萬km2，占監(jiān)測(cè)區(qū)面積的77.1%，占全省土地總面積的45.8%[2]?；哪纬闪舜罅康纳衬撑c風(fēng)積沙，但均無法在交通領(lǐng)域直接使用。改性荒漠砂是以沙漠沙和風(fēng)積沙為主要原料制備而成的一種新型的具有呼吸功能的防滲材料，具有柔性防滲、自修復(fù)功能，可適應(yīng)土基動(dòng)態(tài)變化，提高路基結(jié)構(gòu)安全性[3]，可有效解決工程滲漏難題。改性荒漠砂在交通領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

1 改性荒漠砂特性

1.1 級(jí)配特性

為研究改性荒漠砂的級(jí)配特性，通過室內(nèi)試驗(yàn)分別對(duì)其級(jí)配不均勻系數(shù)及級(jí)配曲線曲率系數(shù)進(jìn)行了分析。不均勻系數(shù)是反映級(jí)配大小不同顆粒分布情況的指標(biāo)，以此判斷顆粒級(jí)配是否良好，當(dāng)不均勻系數(shù)小于5時(shí)，級(jí)配不良。曲率系數(shù)是描述級(jí)配曲線平滑程度的指標(biāo)，與不均勻系數(shù)配合可確定顆粒級(jí)配。不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)計(jì)算公式如式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；d60為過篩重量占60%的粒徑；d30為過篩重量占30%的粒徑；d10為過篩重量占10%的粒徑。

根據(jù)室內(nèi)顆分試驗(yàn)顯示，改性荒漠砂粒徑分布在0.075 mm～0.25 mm之間，過篩重量占60%的粒徑為0.139 5 mm，過篩重量占30%的粒徑為 0.099 2 mm，過篩重量占10%的粒徑為0.077 5 mm。根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出改性荒漠砂不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)分別為1.80與0.91，根據(jù)不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)判斷，改性荒漠砂級(jí)配不良。

1.2 防滲透性

室內(nèi)滲透、保濕試驗(yàn)證實(shí)改性荒漠砂有隔水、保濕性能，且效果顯著，其防滲性能及透氣性能技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。

表1 防滲等級(jí)

表2 透氣性能

由表1可知，隨著改性荒漠砂防滲高度的增加，防滲等級(jí)也隨之提高。由表2可知，改性荒漠砂在同等壓強(qiáng)作用下，隨著防滲等級(jí)的提高，透氣速率隨之下降；在相同防滲等級(jí)的情況下，隨著壓強(qiáng)的增大，透氣速率也隨之增大。

2 改性荒漠砂隔水層設(shè)計(jì)方案

路基頂層設(shè)置隔水層是保證路基濕度、避免地表水滲入地基致使路基損壞的有效措施?？茖W(xué)合理的隔水層設(shè)計(jì)是確保路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵。濕陷性黃土是一種高壓縮性的非飽和欠壓密土，具有孔隙率大、干密度小及在自重和外力作用下易浸水下沉等特點(diǎn)，在工程建設(shè)中存在很大隱患[5]。為降低和防止黃土濕陷性對(duì)工程造成的損害，在公路設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同自然條件和工況下濕陷性黃土地基的特點(diǎn)，因地制宜地采用多種材料和方法對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行處理[6]。傳統(tǒng)的防滲材料主要有天然材料(如壓密粘土、石灰土等)和人造材料(如抗?jié)B水泥、土工膜等)2種，這類材料成本高、防滲效果時(shí)效性短。

改性荒漠砂作為隔水層處理濕陷性黃土路段路基，旨在阻擋水分下滲導(dǎo)致濕陷性黃土路基沉陷。因此，設(shè)計(jì)重點(diǎn)從阻水、隔水考慮，以防止上部水分下滲，土體內(nèi)毛細(xì)水上升導(dǎo)致路基土體水分過大而破壞路基，導(dǎo)致其使用性能降低。隔水層設(shè)計(jì)方案主要由粗砂粒保護(hù)層、透水土工布、改性荒漠砂3部分組成，如圖1所示。

圖1 改性荒漠砂隔水層方案設(shè)計(jì)

3 鋪筑試驗(yàn)段

3.1 試驗(yàn)方案

經(jīng)實(shí)地勘察及技術(shù)方案討論，在S222線西吉(寧夏)至燕子砭(甘陜界)公路城川至新店段改建工程，選定鋪設(shè)改性荒漠砂路基處理試驗(yàn)段共30 m，試驗(yàn)段施工取土場(chǎng)地典型原狀土基本物理力學(xué)指標(biāo)見表3。取樣地點(diǎn)土層較均勻，平均天然含水率為20.2%，塑性指數(shù)為12，其工程分類為低液限黏土。

表3 S222線城川至新店段改建工程試驗(yàn)段原狀土基本物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)段鋪筑采用3種不同厚度的改性荒漠砂進(jìn)行對(duì)比分析，分別為5 cm、8 cm、10 cm。鋪筑方案如圖2所示。

3.2 鋪筑施工步驟

1) 清表、碾壓。清除場(chǎng)地表土，對(duì)基底進(jìn)行碾壓，確保平整，并用測(cè)量儀器復(fù)核地面高程。

2) 攤鋪隔水層。鋪筑透水土工布，搭接寬度控制在0.5 cm以上，按照噸袋裝料量計(jì)算每袋量可攤鋪的面積，用改性荒漠砂打出網(wǎng)格，使用裝載機(jī)將噸袋運(yùn)至施工網(wǎng)格后，人工攤鋪，使改性荒漠砂平整，并檢查改性荒漠砂攤鋪厚度。

3) 固定隔水層。在改性荒漠砂頂部再次鋪筑透水土工布，以固定改性荒漠砂。

4) 攤鋪保護(hù)層。用路基砂礫填料攤鋪保護(hù)層，并進(jìn)行碾壓平整。

3.3 阻水效果分析

試驗(yàn)段鋪筑完成后，通過預(yù)埋在改性荒漠砂隔水層上下層的實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備，獲知改性荒漠砂隔水層地段路基的結(jié)構(gòu)健康狀況。對(duì)該處路基含水量的變化進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知，經(jīng)過長期監(jiān)測(cè)，改性荒漠砂隔水層上部含水率明顯大于下部含水率，說明改性荒漠砂起到了阻止地表水入滲地基的功效，具有顯著的隔水作用，有效預(yù)防了濕陷性黃土路段地基因水滲入而造成的地基沉陷。

圖3 隔水層上下含水率對(duì)比

由圖4可知，隨著改性荒漠砂隔水層厚度的增加，隔水層底部含水率有所降低，但差別較?。幌噍^傳統(tǒng)灰土隔水層，其前期底部含水率與改性荒漠砂隔水層底部含水率相差較小，隨著公路運(yùn)營時(shí)間增長，傳統(tǒng)灰土隔水層底部含水率逐漸增大，且大于改性荒漠砂隔水層底部含水率，說明改性荒漠砂較傳統(tǒng)灰土隔水效果更優(yōu)。

(a) K3+180橫斷面

(b) K3+200橫斷面

(c) K3+220橫斷面

圖4 不同隔水層對(duì)應(yīng)含水率對(duì)比

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在同等條件下，對(duì)傳統(tǒng)基底處治方案與改性荒漠砂處治方案的造價(jià)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表4。

表4 濕陷性黃土路基處置方案工程造價(jià)對(duì)比(每10 m)

由表4可知，同等條件下，改性荒漠砂處治方案造價(jià)較傳統(tǒng)處治方案高，但改性荒漠砂作為一種新材料，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)約資源、再生利用方面有較好的效益。

4 結(jié)束語

1) 用改性荒漠砂作為隔水層具有明顯的隔水效果，可防止地表水滲入地基，對(duì)濕陷性黃土地基沉陷有較好的預(yù)防作用。

2) 隨著公路運(yùn)營時(shí)間的增長，改性荒漠砂隔水層底部含水率的增長率小于傳統(tǒng)灰土隔水層底部含水率的增長率，說明改性荒漠砂隔水層較傳統(tǒng)灰土處治有更好的耐久性。

3) 當(dāng)改性荒漠砂隔水層厚度逐漸增加后，隔水效果增加不顯著，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素、施工工藝和施工過程中的壓實(shí)問題，建議改性荒漠砂鋪筑厚度為5 cm。