趙然杭 華麗麗 劉恒洋

摘 要：黃河泥沙的利用是維持黃河健康發(fā)展的突破口。為分析黃河泥沙用于高速公路路基填筑的可行性，取引黃濟(jì)青渠首沉沙池中淤積的黃河泥沙，進(jìn)行篩分、擊實(shí)、液塑限聯(lián)合測(cè)定、承載比等公路土工試驗(yàn)，并對(duì)長(zhǎng)深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果為：黃河泥沙屬于公路土中級(jí)配良好的砂類土，最大干密度范圍為1.62～1.65 g/cm3，最佳含水率范圍為14.0%～14.7%，液限為29.5%，塑性指數(shù)為9%，承載比為16.8%，工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)上路床壓實(shí)度均值為97.2%，下路堤壓實(shí)度均值為95.1%，均滿足規(guī)范要求，表明黃河泥沙用于高速公路路基填筑是可行的。

關(guān)鍵詞：黃河泥沙;土工試驗(yàn);路基填料

Abstract：The utilization of the Yellow River sediment is a breakthrough to maintain the healthy development of the Yellow River. In order to analyze the feasibility of the Yellow River sediment used in highway roadbed filling， the silted Yellow River sediment in the sediment basin at the head of the Yellow River-Qingdao Canal was taken for screening， compaction， joint determination of liquid-plastic limit， CBR and other highway geotechnical tests， and the field application of K23+620-K23+720 roadbed construction in Gaoqing-Guangrao section of Changshen Expressway was tested. The test results show that the Yellow River sediment belongs to sandy soil with good gradation in highway soil; the maximum dry density ranges from 1.62 g/cm3 to 1.65 g/cm3; the optimum moisture content ranges from 14.0% to 14.7%; the liquid limit is not more than 50% and the plastic index is not more than 26%; California Bearing Ratio is 16.8%; the average compactness of the upper roadbed and the lower embankment is 97.2% and 95.1%， which meet the requirements of the specification， indicating that the Yellow River sediment is feasible for highway subgrade filling.

Key words： Yellow River sediment; soil test; subgrade fill

1 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，泥沙問(wèn)題是黃河的一個(gè)心腹大患，而對(duì)于黃河泥沙的研究一直受到國(guó)家和有關(guān)專家學(xué)者的高度重視，“治水先治沙”也一直是治理黃河的一大方針。近年來(lái)，隨著技術(shù)水平的提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們開(kāi)始不局限于對(duì)泥沙進(jìn)行治理，而將泥沙視為一種資源，轉(zhuǎn)為對(duì)泥沙進(jìn)行利用。

從廣義角度劃分，黃河泥沙利用方式可以分為自然利用和人工利用兩大方面[1]，自然利用包括填海造陸、平原塑造，人工利用泥沙的措施包括砌體材料、建筑砂料等。王曉彤等[2]在利用黃河泥沙充填采煤沉陷地方面進(jìn)行了深入研究，通過(guò)對(duì)比黃河下游泥沙與山東省濟(jì)寧市采煤沉陷區(qū)農(nóng)田土壤的理化性狀，表明黃河泥沙是一種綠色、安全的充填材料。相關(guān)研究[3]表明，黃河泥沙的硅酸鹽類屬性，使其可以作為礦產(chǎn)資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)，也可作為制造陶瓷及玻璃制品的原料。根據(jù)泥沙利用方式和實(shí)現(xiàn)途徑的不同，曹永瀟[4]對(duì)泥沙資源的管理進(jìn)行了相關(guān)研究。

隨著中國(guó)交通設(shè)施建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)路基原材料的需求逐漸上升，在利用“廢棄物”填筑公路路基方面也開(kāi)始受到重視。盧佩霞等[5]對(duì)揚(yáng)州市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的垃圾爐渣進(jìn)行土工特性分析，發(fā)現(xiàn)垃圾爐渣能夠滿足二級(jí)及以下公路路基填料要求。楊闖等[6]在利用煤矸石填筑公路路基方面也做了相關(guān)研究，級(jí)配的不均勻性使得煤矸石在利用時(shí)很難達(dá)到理想的壓實(shí)度，需合理配置粗細(xì)顆粒相對(duì)含量。

雖然有關(guān)學(xué)者針對(duì)黃河泥沙利用、“廢棄物”填筑路基等作了很多研究，但是黃河泥沙應(yīng)用于公路路基的相關(guān)研究甚少，也未對(duì)黃河泥沙進(jìn)行公路土工試驗(yàn)特性分析，更未見(jiàn)高速公路路基應(yīng)用情況的報(bào)道。從黃河泥沙的基本特性與成分來(lái)看，泥沙類似于沙石，基本符合路基填筑要求，若將黃河泥沙用于路基填筑，則既能降低路基填筑成本，又能大規(guī)模利用黃河泥沙，減少泥沙淤積。

引黃濟(jì)青工程是山東省“七五”期間重點(diǎn)工程之一，是為從根本上解決青島水資源短缺而興建的大型跨流域、遠(yuǎn)距離調(diào)水工程。引黃濟(jì)青渠首沉沙池位于引黃濟(jì)青工程的源頭，承擔(dān)著從黃河引水、蓄水、沉沙等重要功能。截至2017年年底，沉沙池已累計(jì)攔沙1 205萬(wàn)m3，清出的大部分沙土沿隔堤內(nèi)側(cè)貼坡堆放形成棄土場(chǎng)，棄土場(chǎng)不斷淤高，形成了大面積的沉沙高地，泥沙堆積裸露，遇風(fēng)極易起沙，尤其是在春冬多風(fēng)季節(jié)，降雨量少，土壤干旱，風(fēng)力侵蝕尤為嚴(yán)重，晴天塵土飛揚(yáng)，侵蝕農(nóng)田，造成周邊土地不斷沙化，嚴(yán)重影響周邊村莊群眾日常生活。為改善引黃濟(jì)青渠首生態(tài)環(huán)境，急需開(kāi)展黃河泥沙資源化利用問(wèn)題的研究。因此，筆者對(duì)黃河泥沙進(jìn)行土工試驗(yàn)研究，結(jié)合山東省路橋集團(tuán)有限公司將黃河泥沙用于路基填筑的應(yīng)用效果檢測(cè)結(jié)果，分析黃河泥沙應(yīng)用于高速公路路基的可行性，為黃河泥沙在路基上的應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

室內(nèi)試驗(yàn)用沙取自引黃濟(jì)青渠首2號(hào)沉沙池上游沿隔堤內(nèi)側(cè)貼邊堆放的黃河泥沙，在隔堤棄土場(chǎng)內(nèi)均勻布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間距為10 m，每個(gè)采樣點(diǎn)挖取1 m3的沙樣。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)在長(zhǎng)深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基填筑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，利用棄土場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、晾曬和去雜的黃河泥沙進(jìn)行路基填筑，并經(jīng)過(guò)機(jī)械碾壓后進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 試驗(yàn)方法

采用室內(nèi)土工試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

室內(nèi)土工試驗(yàn)確定黃河泥沙的顆粒級(jí)配、最大干密度與最佳含水率、液塑限指數(shù)、承載比;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)黃河泥沙的應(yīng)用效果，測(cè)試壓實(shí)度，為黃河泥沙應(yīng)用于路基填筑提供參數(shù)依據(jù)。

（1）顆粒級(jí)配測(cè)定方法。路基填筑對(duì)于路基土的顆粒級(jí)配是有嚴(yán)格要求的，需要級(jí)配良好的路基土。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]（JTG E40—2007），試驗(yàn)采用篩分法，利用電熱鼓風(fēng)干燥箱、土壤篩、電子天平來(lái)分析顆粒級(jí)配。

（2）最大干密度、最佳含水率測(cè)定方法。試驗(yàn)執(zhí)行擊實(shí)試驗(yàn)中的重型擊實(shí)試驗(yàn)方法測(cè)定室內(nèi)最大干密度，共進(jìn)行10組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)準(zhǔn)備5個(gè)沙樣，采用儀器有多功能電動(dòng)重型

擊實(shí)儀、電子天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子稱等儀器。使用內(nèi)徑為100 mm的試筒裝填沙樣，在擊錘質(zhì)量4.5 kg、落距45 cm的情況下，分5層擊實(shí)，每層擊實(shí)27次，測(cè)得每組試驗(yàn)的最大干密度和其對(duì)應(yīng)的最佳含水率。

（3）液塑限指數(shù)測(cè)定方法。土壤液塑限指數(shù)可以反映土壤的入滲、抗沖、抗蝕和抗剪等情況，對(duì)路基的質(zhì)量有重要影響。試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法對(duì)黃河泥沙的液限和塑限進(jìn)行測(cè)定，取0.5 mm篩下的代表性沙樣200 g，分成3份，做兩組，分別放入盛土皿中，加入純水之后反復(fù)調(diào)整含水量，使其分別接近液限、中間狀態(tài)和塑限的含水率。

（4）承載比測(cè)定方法。路基土的承載能力是指路基土抵抗因承受地面荷載而產(chǎn)生的豎向位移變形的能力。表征路基土承載能力的指標(biāo)有回彈模量、加州承載比、地基反應(yīng)模量等。加州承載比[8]是美國(guó)加利福尼亞州提出的一種評(píng)定基層材料承載能力的指標(biāo)，承載能力以材料抵抗局部荷載壓力變形的能力表征，并以標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載能力為標(biāo)準(zhǔn)，用相對(duì)值的百分?jǐn)?shù)表示。試驗(yàn)執(zhí)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的承載比試驗(yàn)方法，采用承載化試驗(yàn)機(jī)，將標(biāo)準(zhǔn)沙樣浸水96 h，飽水之后進(jìn)行貫入試驗(yàn)，每層擊數(shù)為98，當(dāng)貫入量達(dá)到2.5 mm時(shí)，單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載壓力的比值即為承載比，同時(shí)計(jì)算貫入量達(dá)到5 mm時(shí)的承載比，如果貫入量達(dá)到5 mm時(shí)的承載比大于貫入量達(dá)到2.5 mm時(shí)的承載比，試驗(yàn)應(yīng)重做，如果結(jié)果相同，則采用貫入量為5 mm時(shí)的承載比。

（5）壓實(shí)度測(cè)定方法。路基壓實(shí)度反映路基每一壓實(shí)層的緊密強(qiáng)度，指工地實(shí)際達(dá)到的干密度與實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度的比值，只有每一壓實(shí)層的緊密強(qiáng)度都符合規(guī)定，路基的整體強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性才能滿足要求。用黃河泥沙代替素土用于長(zhǎng)深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基段的填筑，僅用于上路床與下路堤的填筑。上路床按6%的比例摻入石灰，鋪設(shè)一層，厚度為30 cm;下路堤按4%的比例摻入石灰，鋪設(shè)一層，厚度為25 cm，并執(zhí)行《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》[9]（JTG E60—2008）中的挖坑灌砂法測(cè)定壓實(shí)度。施工過(guò)程中，每一壓實(shí)層均應(yīng)檢驗(yàn)壓實(shí)度，每1 000 m2至少檢驗(yàn)2點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工面積，在碾壓后的土層上選取路基平整、土質(zhì)均勻的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用小型灌砂筒、標(biāo)定罐、基板、玻璃板、試樣盤、電子稱及輔助工具，進(jìn)行挖坑灌砂法試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 顆粒級(jí)配分析

黃河泥沙篩分結(jié)果見(jiàn)表1，顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

由表1可知，黃河泥沙的粒徑均小于2.0 mm，粒徑大于0.075 mm的土質(zhì)量百分比為73.2%，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的分類，粒徑大于60 mm的質(zhì)量小于或等于總質(zhì)量15%，且粒徑大于0.075 mm的質(zhì)量大于50%的土為粗粒土。在粗粒土中，又分為礫類土和砂類土，2～60 mm之間的土為礫類土，0.075～2 mm之間的土為砂類土。粗粒土中砂類土質(zhì)量小于礫類土質(zhì)量的土為礫類土，反之為砂類土。由此可得，黃河泥沙屬于公路土中的砂類土。

由圖1可知，泥沙粒徑為0.25～2 mm時(shí)曲線走勢(shì)比較平緩，該粒徑范圍的泥沙質(zhì)量占比為5.1%;當(dāng)粒徑小于0.25 mm時(shí)，曲線呈現(xiàn)陡直下降的特征，粒徑在0.075～0.25 mm范圍的泥沙質(zhì)量占比為68.1%，在泥沙級(jí)配中占主體。

土顆粒組成特征用土的級(jí)配指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc表示[10]。不均勻系數(shù)Cu反映粒徑分布曲線上的土粒分布范圍，按下式計(jì)算：

從圖1可知：d10=0.03 mm，d30=0.08 mm，d60=0.16 mm，計(jì)算得出Cu=5.33，Cc=1.33?！豆吠凉ぴ囼?yàn)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)砂類土或礫類土同時(shí)滿足Cu≥5和Cc=1～3兩個(gè)條件時(shí)，稱為級(jí)配良好。由此可知，黃河泥沙為公路土中級(jí)配良好的砂類土，其級(jí)配組成滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，可以作為路基土使用。

3.2 最大干密度與最佳含水率分析

土工擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，1～4號(hào)沙樣含水率與干密度的關(guān)系如圖2所示。

由表2可知，10組沙樣試驗(yàn)的最大干密度范圍為1.62～1.65 g/cm3，均值為1.64 g/cm3，其對(duì)應(yīng)的最佳含水率為14.0%～14.7%，可為路基填筑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 液塑限指數(shù)分析

液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得沙樣的錐入深度（H）與含水率（W）關(guān)系見(jiàn)表3，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的錐入深度與含水率的關(guān)系圖如圖3所示。

由圖3可知，黃河泥沙液限為29.5%，塑限為20.5%，塑性指數(shù)為9%，符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定“路基填料液限不大于50%、塑性指數(shù)不大于26%”，對(duì)照規(guī)范指標(biāo)，黃河泥沙為低液限土，滿足路基填料的工程指標(biāo)要求。

3.4 承載比指標(biāo)分析

承載比試驗(yàn)記錄見(jiàn)表4，單位壓力與貫入量關(guān)系曲線如圖4所示。

由表4和圖4可知，試驗(yàn)貫入量為2.5 mm時(shí)的承載比為16.8%，貫入量為5 mm時(shí)的承載比為14.8%。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，貫入量為2.5 mm時(shí)的承載比大于貫入量5 mm時(shí)的承載比，結(jié)果采用貫入量為2.5 mm時(shí)的承載比，即黃河泥沙的承載比為16.8%，符合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[12]中高速公路及一級(jí)公路下路堤、上路堤、下路床與上路床填料承載比要求。

3.5 壓實(shí)度分析

經(jīng)過(guò)路基的層層鋪設(shè)與碾壓，對(duì)上路床30 cm厚度的土層與下路堤25 cm厚度的土層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知：上路床土層4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度范圍為96.5%～98.3%，均值為97.2%，表明工地實(shí)際達(dá)到的干密度與最大干密度比值為97.2%，含水率也接近最佳含水率，土層的穩(wěn)定性良好，滿足設(shè)計(jì)要求（壓實(shí)度設(shè)計(jì)值為96%）;下路堤土層4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度范圍為93.3%～96.9%，均值為95.1%，滿足壓實(shí)度大于93%的設(shè)計(jì)要求。壓實(shí)度間接反映土層的含水率，由于黃河泥沙透水性好、黏結(jié)度小，含水率低時(shí)土層松散、承載力低，含水率過(guò)大容易造成彈簧、翻漿，因此黃河泥沙用于路基填筑時(shí)要注意掌握好壓實(shí)度。

3.6 討 論

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明黃河泥沙屬于公路土中級(jí)配良好的砂類土，雖然滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)路基填料的要求，但從黃河泥沙篩分結(jié)果來(lái)看，含有較大比重的細(xì)沙，所以黃河泥沙在用于路基填筑時(shí)應(yīng)注意掌握好壓實(shí)度，并且可以摻入石灰對(duì)土質(zhì)進(jìn)行改良[13]，提高抗剪強(qiáng)度。

雖然將黃河泥沙應(yīng)用于高速公路的路基填筑時(shí)壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求，但是公路的建設(shè)正處于施工階段，還未通車運(yùn)行，應(yīng)繼續(xù)對(duì)黃河泥沙在公路上的應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，為黃河泥沙應(yīng)用于公路路基填筑提供進(jìn)一步的技術(shù)參考。

受坡降、流速、沖刷、人類活動(dòng)等影響，黃河泥沙粒徑隨時(shí)空的變化有所差異[14]，本文只是對(duì)黃河下游泥沙進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果滿足路基填料的相關(guān)規(guī)定與設(shè)計(jì)要求，如需利用黃河中上游泥沙，仍需進(jìn)行公路土工試驗(yàn)分析，探討是否滿足規(guī)范要求。

由于黃河泥沙質(zhì)地疏松，透水性好，黏結(jié)度小，因此在應(yīng)用于公路路基填筑時(shí)要做好路基排水措施，盡量避免應(yīng)用于多雨潮濕地區(qū)和地下水位過(guò)高地區(qū)。

4 結(jié) 論

通過(guò)室內(nèi)公路土工試驗(yàn)與應(yīng)用黃河泥沙于長(zhǎng)深高速高青至廣饒段K23+620—K23+720路基現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，得到：黃河泥沙屬于公路土中級(jí)配良好的砂類土，液限為29.5%、塑性指數(shù)9%，承載比為16.8%，均符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》與《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中路基填料的相關(guān)規(guī)定;路基應(yīng)用效果檢測(cè)測(cè)得上路床壓實(shí)度均值為97.2%，滿足壓實(shí)度設(shè)計(jì)值為96%的要求;測(cè)得下路堤壓實(shí)度均值為95.1%，滿足壓實(shí)度設(shè)計(jì)值為93%的要求。結(jié)果表明黃河泥沙是一種良好的路基填筑材料，可以代替素土使用，不僅符合一般公路路基的填筑要求，而且可以作為高速公路的路基填料。

考慮到泥沙運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，黃河泥沙可以用于近距離的公路及高速公路的路基填筑，泥沙價(jià)格較低，大規(guī)模利用黃河泥沙既可以降低公路及高速公路路基填筑成本，又可以減少黃河泥沙在周邊的淤積，減少周邊土地的沙化，改善周邊的生態(tài)環(huán)境，找到一條黃河泥沙的長(zhǎng)久利用之道，實(shí)現(xiàn)黃河的健康、可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧列亞，葛東寶，張玥.黃河泥沙資源化利用評(píng)價(jià)[J].人民黃河，2010，32（6）：44-45.

[2] 王曉彤，胡振琪，梁宇生，等.基于水分特性的采煤沉陷地充填復(fù)墾黃河泥沙容重優(yōu)選[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（16）：258-264.

[3] 王立久，姚文藝，冷元寶.黃河泥沙資源利用途徑與原則[J].人民黃河，2014，36（7）：9-12.

[4] 曹永瀟.黃河下游泥沙資源利用與管理研究[J].價(jià)值工程，2015，34（24）：11-13.

[5] 盧佩霞，殷成勝，王會(huì)芳.垃圾爐渣用于路基填筑的土工特性試驗(yàn)分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015，32（9）：51-54.

[6] 楊闖，唐朝暉，柴波，等.煤矸石擊實(shí)特性試驗(yàn)[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2017，36（3）：230-234.

[7] 中華人民共和國(guó)交通部.公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG E40—2007[S].北京：人民交通出版社，2007：6-10，67-70，85-88，132-135，137-141.

[8] 郭曉華.CBR試驗(yàn)的重要性分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2005（9）：81-83.

[9] 中華人民共和國(guó)交通部.公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程：JTG E60—2008[S].北京：人民交通出版社，2008：18-22.

[10] 黃春霞.土力學(xué)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2012：6-7.

[11] 中華人民共和國(guó)交通部.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015：9-10.

[12] 中華人民共和國(guó)交通部.公路路基施工技術(shù)規(guī)范：JTG F10—2006[S].北京：人民交通出版社，2006：9-11.

[13] 陳衛(wèi)尤.對(duì)公路工程路基處理的探討[J].科技信息（科學(xué)教研），2007（28）：105.

[14] 孫維婷，穆興民，趙廣舉，等.黃河干流懸移質(zhì)泥沙粒徑構(gòu)成變化分析[J].人民黃河，2015，37（5）：4-9.

【責(zé)任編輯 張 帥】