陳燕明，趙 軍，張貴生，任金寶

（1.甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.靜寧縣交通運(yùn)輸局，甘肅 靜寧 743400）

濕陷性黃土是在自重或一定壓力下受水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著下沉現(xiàn)象的黃土，即使經(jīng)過(guò)壓實(shí)重塑黃土，一旦地下水或地表水進(jìn)入黃土填筑路基改變了原有最佳含水量后，仍造成不同程度的濕陷性破壞。一般情況下，公路工程在路基底部設(shè)置厚度不小于30-50cm的灰土隔水墊層或用水泥土換填墊層，在一定程度上阻斷了水進(jìn)入填筑路基，但不能消除水進(jìn)入填筑的路基。本文利用改性風(fēng)積砂的防滲特性，作為隔水層鋪筑于濕陷性黃土填方路基，通過(guò)防滲、隔水措施避免公路黃土地基范圍內(nèi)黃土與水發(fā)生作用，有效保證了路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1 改性風(fēng)積砂特性

改性風(fēng)積砂是通過(guò)“增強(qiáng)水的表面張力”原理，以沙漠風(fēng)積沙為原料，研制開(kāi)發(fā)出的一種具有呼吸功能的防滲透氣材料。在研究掌握改性荒漠沙物理力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)單軸壓縮、界面剪切試驗(yàn)，從改性荒漠沙隔水性能和砂-土界面力學(xué)特性，以及隔水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

物理力學(xué)指標(biāo)：改性風(fēng)積砂粒徑主要分布在0.075～0.25mm之間，不均勻系數(shù)為1.80，曲率系數(shù)為0.91，級(jí)配不良。改性荒漠沙的比重為1.88g/cm3，結(jié)合其單軸壓縮曲線，松鋪密度為1.59g/cm3，其干壓實(shí)密度收斂值為1.64g/cm3。

砂-土界面力學(xué)特性：改性風(fēng)積砂-土界面直剪試驗(yàn)顯示，其剪切殘余粘聚力為7.80kPa，殘余內(nèi)摩擦角為20.4°，砂-土界面力學(xué)性能良好。

隔水特性：同等壓力水柱高度為94.55m時(shí)，改性荒漠沙層未出現(xiàn)透水情況，改性風(fēng)積砂防滲性能良好。改性風(fēng)積砂級(jí)配曲線和改性風(fēng)積砂壓縮曲線如圖1，圖2所示。

圖1 改性風(fēng)積砂級(jí)配曲線

圖2 改性風(fēng)積砂壓縮曲線

2 濕陷性黃土段路基物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)段施工取土場(chǎng)地典型原狀土基本物理力學(xué)性質(zhì)為：平均干密度為1.27g/cm3，土粒相對(duì)密度為2.5，液限為19.4%，塑限為31.4%，孔隙比為0.99，平均天然含水率為20.2%，塑性指數(shù)為12，其工程分類(lèi)為低液限黏土。通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，原狀土的粘聚力為3.54kPa，內(nèi)摩擦角為37.6°當(dāng)浸水壓力為400kPa時(shí)，其大孔隙比為0.166，試驗(yàn)段場(chǎng)地原狀土天然含水率下的濕陷系數(shù)為0.085，大于0.07，為強(qiáng)烈濕陷性黃土。壓縮試驗(yàn)曲線和浸水后土樣時(shí)間對(duì)數(shù)曲線如圖3、圖4所示。

圖3 壓縮試驗(yàn)曲線

圖4 浸水后土樣時(shí)間對(duì)數(shù)曲線

3 改性風(fēng)積砂方案設(shè)計(jì)、施工步驟及隔水監(jiān)測(cè)

3.1 方案設(shè)計(jì)

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而造成路基損壞的有效措施?？茖W(xué)合理的進(jìn)行隔水層設(shè)計(jì)，是確保路基穩(wěn)定性的關(guān)鍵。尤對(duì)濕陷性黃土路段，因濕陷性黃土是一種高壓縮性的非飽和欠壓密土，其具有孔隙率大、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)中存在著很大的隱患。為了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)中對(duì)其地基進(jìn)行處理采用很多材料及方法。

傳統(tǒng)處理方案主要有：換填墊層法、沖擊碾壓法、強(qiáng)夯法、擠密樁法、樁基礎(chǔ)法等。通過(guò)改變地基土結(jié)構(gòu)（土密實(shí)度、壓縮性、透水性等）相關(guān)土體特性來(lái)達(dá)到消除濕陷性、提高基底承載力的目的。而改性荒漠沙作為隔水層處理濕陷性黃土路段路基，旨在消除濕陷性黃土因水分滲入導(dǎo)致路基沉陷。因此，對(duì)改性荒漠砂隔水層設(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(guò)大而破壞路基使用性能。

試驗(yàn)段填方路段方案主要由改性風(fēng)積砂、中粗砂保護(hù)層兩部分組成。下層采用一定厚度的改性風(fēng)積砂，隔絕路基上方滲水和地基下方毛細(xì)水上升；上層鋪設(shè)中粗砂，作為改性風(fēng)積砂的保護(hù)層，即改性風(fēng)積砂的保護(hù)層又是填方路基的過(guò)濾層；在坡腳設(shè)置改性風(fēng)積砂隔水墻，防止路基兩側(cè)積水下滲到路基中；在改性風(fēng)積砂下層及改性風(fēng)積砂與中粗砂保護(hù)層之間各設(shè)置一層土工布，土工布參數(shù)為，縱向≥40KN/m，橫向≥40KN/m，縱橫向標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度下的伸長(zhǎng)率≤15%。試驗(yàn)段鋪筑改性風(fēng)積砂隔水層厚度分三處（三個(gè)方案），即K3+180-190段改性風(fēng)積砂厚度5cm，鋪筑面積142m2，K3+190-200段改性風(fēng)積砂厚度8cm，鋪筑面積156m2，K3+200-210段改性風(fēng)積砂厚度10cm面積162m2，需改性風(fēng)積砂35.8m3，透水土工布920m2，粗砂保護(hù)層35m3。在K3+170-K3+180處采用5%灰土換填黃土進(jìn)行路基填筑。如圖5～圖8所示。

圖5 30cm厚5%石灰土

圖6 5cm厚改性風(fēng)積砂

圖7 8cm厚改性風(fēng)積砂

圖8 10cm厚改性風(fēng)積砂

3.2 施工步驟

施工放樣：確定要鋪筑不同厚度改性荒漠砂的實(shí)際位置，標(biāo)記樁號(hào)，采用標(biāo)桿法控制攤鋪厚度；

清表、碾壓：清表深度為30cm，確保挖除腐殖土，用壓路機(jī)及平地機(jī)對(duì)基底充分壓實(shí)整平；

埋設(shè)檢測(cè)設(shè)備：為后期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)埋設(shè)了沉降傳感器、埋入式應(yīng)變計(jì)、水分溫度探頭、土壓力計(jì)、雨量監(jiān)測(cè)器；

鋪設(shè)透水土工布：鋪設(shè)透水土工布時(shí)注意搭接寬度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

鋪筑改性荒漠砂：為避免施工機(jī)械在壓實(shí)過(guò)程中破壞監(jiān)測(cè)設(shè)施，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1.5m范圍內(nèi)采用人工夯實(shí)，及時(shí)檢測(cè)厚度及平整度，以滿足施工規(guī)范要求，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況。

再次鋪設(shè)透水土工布：鋪設(shè)透水土工布時(shí)注意搭接寬度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

鋪設(shè)中、粗砂保護(hù)層：鋪筑8cm厚的粗砂保護(hù)層。

路基土方填筑：按照路基施工規(guī)范要求填筑上層路基、同步完成灰土換填路段的路基填筑。

監(jiān)測(cè)：施工完成后及時(shí)觀測(cè)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。如圖9，圖10所示。

圖9 繪制網(wǎng)格

3.3 隔水監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)段鋪筑的同時(shí)，在改性風(fēng)積砂隔水層上下分別埋設(shè)檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取荒漠砂隔水層試驗(yàn)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)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)分析如圖11、圖12所示。

由 圖10可 知，2019年5月 至2019年9月 三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原因?yàn)樯下反病⒌谆鶎?、基層、面層處于施工階段，2019年9月面層施工結(jié)束后，路面結(jié)構(gòu)層中封層、透層阻隔雨水等下滲到路基填土中。2019年9月，5%石灰土換填層上部體積含水率變化量明顯增加，原因?yàn)?，石灰土換填層未能阻斷下部水上升，而5cm和8cm改性風(fēng)積砂砂隔斷層上部體積含水率變化量處于小范圍波動(dòng)，波動(dòng)的原因?yàn)樯倭柯访嫠⒙芳鐫B水、填方邊坡水等使隔水層上部干濕變化，但基本處于平穩(wěn)。

圖10 鋪筑風(fēng)積沙

圖10 上部含水率變化量曲線圖

由 圖11可 知，2019年5月 至2019年9月 四處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含水率總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原因?yàn)楦羲畬酉虏棵?xì)水或地下水的補(bǔ)給。2019年9月至2020年2月，體積含水率均呈下降，8cm厚隔水層一度出現(xiàn)負(fù)變化量，原因?yàn)槎镜販叵陆祵?dǎo)致，且8cm厚隔水層下部土體含水率處于飽和含水率浮動(dòng)變化。2020年2月后體積含水率變化量均繼續(xù)上升，原因?yàn)榈販鼗嘏?，地下水補(bǔ)給及毛細(xì)水作用導(dǎo)致。

圖11 下部含水率變化量曲線圖

由圖10及圖11分析表明改性風(fēng)積砂隔水層上部及下部含水率變化量保持差距，說(shuō)明隔水層上下水未發(fā)生相互滲透，表明改性風(fēng)積砂阻止了水的滲透；5%石灰土換填層上部體積含水率變化量明顯增加，表面該處未能阻斷下部水上升；改性風(fēng)積砂含水率變化量處于小范圍波動(dòng)，原因?yàn)榈乇硭?、地下水等使改性風(fēng)積砂含水率變化量局部變化，但并不影響整體路基的穩(wěn)定性，從而有效提高濕陷性黃土路段地基因水滲入而造成的地基沉陷；8cm改性風(fēng)積砂含水率變化量處于正、負(fù)交替變化，推測(cè)該處隔水層能有效適應(yīng)路基含水率的周期性變化，保持路基的整體穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土是一種高壓縮性的非飽和欠壓密土，其具有孔隙率大、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)中存在著很大的隱患，改性風(fēng)積砂作為隔水層，用于濕陷性黃土地區(qū)地基處理，具有柔性防滲、自修復(fù)功能，可以適應(yīng)土基動(dòng)態(tài)變化，有效阻斷地表水下滲及毛細(xì)水上升導(dǎo)致的路基穩(wěn)定性下降，提高結(jié)構(gòu)安全性。

8cm厚改性風(fēng)積砂隔水層能有效適應(yīng)路基含水率的周期性變化，保持路基整體穩(wěn)定。

本試驗(yàn)段依據(jù)方案設(shè)計(jì)要求，合理計(jì)算填筑設(shè)計(jì)厚度，施工中通過(guò)劃分網(wǎng)格，保證每個(gè)噸袋在卸料后基本達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。通過(guò)鋪設(shè)土工布，有效防止砂料流動(dòng)，最大限度利用改性風(fēng)積砂及中粗砂等材料。采用機(jī)械攤鋪壓實(shí)及人工修整相結(jié)合的方式，保證攤鋪厚度，達(dá)到監(jiān)測(cè)條件，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。回填土采用雙鋼輪壓路機(jī)緩慢靜壓，避免填筑的沙料及土工布破壞，同時(shí)達(dá)到壓實(shí)質(zhì)量要求。