软基高路堤吹(填)砂试验

软基高路堤吹(填)砂试验
岳鹏
摘要：为积累在软基地基路段吹（填）砂修筑路基的成熟经验，保证工程质量，本实验为确定科学合理的施工工艺，通过对吹（填）路基各项指标的试验检测，以取得试验数据指导全线路基施工。
关键词：软基；吹填砂；试验
吹填是航道、沿海滩涂、港口码头等进行整治的常见形式。为积累在软基地基路段无吹（填）砂修筑路基的成熟经验，保证工程质量，确定科学合理的施工工艺，本实验通过对吹（填）路基各项指标的试验检测，取得试验数据指导全线路基施工。
试验拟解决的关键技术：①砂填料的工况条件分析和试验路修筑；②软基上的吹（填）砂技术及路堤的适宜高度；③吹（填）路基的排水与压实技术；④吹（填）砂路基的质量控制与验收标准。
1试验段布置
试验段位于杭瑞国家高速公路湖南省岳阳至常德公路K87+074～K90+199.75处,主线采用双向四车道高速公路标准，计算行车速度为100km/h，路基采用整体式断面，路基宽度26米，路拱横坡2%，边坡坡度1：1.5～1.75，填方量42.18万m3。
由于岳阳至常德高速公路大部位于洞庭湖区域河流水网发达，土源相当匮乏，而河砂相对较丰富，在软基段便道修筑困难，采用汽车运输不经济，采用吹（填）砂工艺填筑路堤可以达到经济的目的。
1）试验方案设计分析
吹填前，需确定砂源，选取有代表性的砂样进行砂的室内试验检测，检测主要指标有含泥量、细度模数，确定最大密实度与最佳含水量以及要求的压实度所需要的含水量范围。
根据稳态流流量的近似计算公式计算结果选择砂：具体见表1～4
表1表土的渗透系数参考值
土的类型渗透系数（cm/s）
粘土 ﹤6×10-6
亚粘土 6×10-6
黄土 3×10-4～6×10-4
卵石 1×101～6×10-1
细砂 1×10-3～6×10-3
粗砂 2×10-2～6×10-2

表1排水程度（底部不透水）表
吹砂高度（m）陈家渡砂流量（cm3/h）安乡河砂流量（cm3/h）排水程度为50%的时间h 排水程度为95%的时间h
陈家渡砂安乡河砂陈家渡砂安乡河砂
0.3 4.8384 40.5216 1550.099 185.0865 2945.188 351.6643
0.6 10.7136 89.7264 700.0448 83.58744 1330.085 158.8161
1.0 20.16 168.84 372.0238 44.42075 706.8452 84.39943
表2排水程度（底部透水）表
吹砂高度（m）陈家渡砂流量（cm3/h）安乡河砂流量（cm3/h）排水程度为50%的时间h 排水程度为95%的时间h
陈家渡砂安乡河砂陈家渡砂安乡河砂
0.3 7200 60300 1.041667 0.124378 1.979167 0.236318
0.6 7200 60300 2.083333 0.248756 3.958333 0.472637
1 7200 60300 3.472222 0.414594 6.597222 0.787728

表3渗透系数试验表
试验项目安乡河砂陈家渡河砂
击实试验最大干密度 1.64g/cm3 1.67g/cm3
最佳含水量 17.0% 14.8%
振动成型干密度 1.40/cm3 1.35/cm3
频率 30Hz 40Hz
含水量 18% 20%
水沉试验干密度 1.56g/cm3 1.49g/cm3
直剪试验粘聚力 2.9kPa 3.8kPa
内摩擦角 20.6° 16.8°
固结直剪粘聚力 3.3kPa 3.2kPa
内摩擦角 21.4° 17.3°
渗透试验渗透系数 6.7×10-3cm/s 8.0×10-4cm/s
颗粒分析最大粒径 2.2mm 2.2mm
砾（＞2mm） 0.25% 0.1%
砂（2～0.074mm） 99.73% 97.6%
细粒土（＜0.074mm） 0.02% 2.3%
根据室内试验结果，安乡河砂相对来说渗透能力较强，有利于吹砂，采用水沉法能达到压实要求，而陈家渡河砂难以达到压实要求。选择含泥量相对小的安乡河砂作为路基填筑用砂。
2）施工方案设计
根据试验路修筑的难点提出解决对策，如表4
表4试验路修筑难点及对策
难点拟采用的方法和对策
排水吹砂后的排水：构建临时排水系统，采用沟渠排水的方式进行排水
内部排水问题：下封层按一定横向排水坡度进行设置，先用砂袋包边，后用粘土包边
路基压实通过排水固结、推土机整平（或由平地机配合完成）预压和振动压路机碾压，可以达到规范要求的压实度
边坡稳定性采用植物防护与工程防护相结合的方式进行边坡防护，既保证环保又保证经过堤垸的防洪安全。
环保设置必要的排水沟、拦水坝、沉淀池等，防止和减少对沿线水域造成环境污染；不破坏现有航道；做好边坡防护；为保护当地耕作环境，竣工后进行清污和地貌的恢复工作
质量验收通过反复实验，总结出适合吹（填）路基质量验收的检测和评定方法

2吹（填）砂施工措施
河砂的粘结性和塑性都很小，难以形成板体，干燥时松散，吹（填）砂路基易受雨水冲刷，导致边坡崩坍，因此吹（填）砂路堤一般宜采用中间吹砂外设包边土及封顶层填筑。吹（填）砂填筑路堤的施工工艺流程。

2.1建立排水系统
1）构建拦水坝：①吹（填）砂之前，在路基宽度以外筑好拦水坝，第一层拦水坝用砂砾或碎石加砂袋，在路基坡脚外侧填筑，以保证路基坡脚的密实度。其断面尺寸根据每层吹（填）厚度而定，厚度不大于1m时，坝的宽度一般为80cm,厚度不宜小于50cm，能够满足自身稳定即可。包边用的砂袋将也作为拦水坝的一部分起到相应的作用。②从第二层开始，拦水坝采用吹（填）的砂来填筑。坝的内侧铺设塑料薄膜，避免冲刷。拦水坝压实质量达到要求时可作为路基的一部分。
2）路堤内部的排水
采用袋装砂+粘土后包边的方式对路基内部进行排水，基本解决砂土结合部位水难以排除的问题。
3）盲沟的设置
在两侧排水沟、路基中部设置纵向盲沟、每50m左右间距设置横向盲沟，同时纵、横向盲沟与外部水系相连。盲沟可用小型机具开挖后，由透水土工布包裹粗砂砾（片石）组成。如图2所示。

图2排水系统
2.2分段与分层
吹砂路堤采用分段推进方式进行，即一段吹完成后，再接长管线吹（填）下段，每吹完一层经压实合格后再吹（填）上一层。分段距离约为200m左右。当吹（填）距离超过吹砂设备最大能力时，可采取加压或二次抽吸的方法。当排砂管口高程超过砂泵最大扬程，可采取附加加压泵。当路堤高度小于2m时，可作一次吹；当路堤高度大于2m时，应采用分层吹，分层厚度一般为1～2m，吹分层厚度不宜超过70～90cm。在试验路修筑过程中通过现场试验来确定具体数值。
2.3碾压
1）压实机具的选配
路基填筑压实是控制施工质量的关键工序，压实机械的选择主要考虑这样几条原则：可能取得的设备类型；设计压实标准；填筑材料的性质；砂料含水量大小；施工强度大小；施工场面大小与压实部位等。
2）碾压
对路基两侧包边粘土进行压实时应控制合理的含水量，在碾压过程中粘土与砂土的结合部位应充分压实，避免砂土与粘土的混杂和粘土未压实的情况。
根据以上原则，考虑到砂料的特殊性，建议优先采用前后驱动、密封装置良好的自行式光轮振动碾。
3）压实度检测
碾压完成后，对压实效果进行检测，路基填料均匀、密实，填方路基分层铺筑均匀压实，符合JTGD30-200《公路路基设计规范》3.2、3.3的相关规定。
2.4包边土施工
吹（填）砂包边土施工分同步施工、基本同步施工，后包边施工三种。
在施工顺序上，本项目拟采用类似于同步包边与后包边相结合的顺序，并进行优化，施工中先进行构建拦水坝，并码砌砂袋，砂袋起包边作用并作为拦水坝的一部分，在分层吹（填）过程的一层结束且压实度达到要求后，进行下一层的施工，吹填结束后进行包边土施工。这种工序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。
2.5封层土
封层土的施工关键在于如何确定其填筑时间和位置。填筑时间和位置可由最终计算沉降和填土至封层土底标高时的实测沉降来确定，为了保证封层土的设计厚度，封层土的底标高比设计底标高提高80cm。另外，也可以从设计底标高就开始填筑封层土。
一般采用粘土进行封层，粘性土要求液限小于50%，塑性指数不超过26，除此以外还要达到规范规定的路基填料最小强度和最大粒径要求，综合考虑施工和防渗透的需要，封层土厚度为50cm左右。
对于全线的封层土，在纵向上，区段与区段衔接处均不宜出现“跳跃”，造成高差，而应平顺过渡。在横向上，应做成和路面同样的路拱。
封层土采用自卸车倾倒，并水平分层填筑，其分层松铺厚度不超过30cm。先填两侧后填中央，用推土机、装卸机粗略推平，再用平地机找平，尽量保持填厚均匀。在封层土施工结束后，进行30cm厚的路基精加工的施工。
2.6边坡施工
由于路基的沉降，施工边坡坡度往往大于设计边坡坡度。施工边坡坡度的极限可通过验算路堤本身的稳定性和地基的稳定性。对于纯砂，天然休止角应等于砂的内摩擦角，一般可达到30°。但对于吹(填)砂，由于存在粘聚力，其坡比往往可达1∶1甚至1∶0.75。
3沉降与稳定观测
由于在软土地基上修筑高路堤，最突出的问题是稳定和沉降。施工过程中进行沉降和稳定观测，一方面保证路堤在施工中的安全和稳定，另一方面能正确预测工后沉降，使工后沉降控制在设计的允许范围之内。一般每吹（填）一层，进行一次稳定监测，并绘制沉降曲线图等资料。通过实验和研究分析，确定施工过程中地基变位控制标准。
4吹填砂施工技术难点与重点
1）吹砂管的砂水不能直接对准某一处吹（填），而在该处铺上一定面积的塑料布，或采用其他措施减少吹砂对落点处路堤的冲刷。
2）吹（填）过程中由推土机配合推平，由人工配合清除沉积下来的泥浆。每次关机停吹前均要喷一段时间的清水，防止出现积泥隔离层，避免路堤工后沉降过大或填筑时边坡因有泥浆层而易于失稳。
3）吹（填）过程中，随排砂管排出的有水、砂、淤泥及杂物，为确保路基质量，该处不合格的砂应挖掉。
4）判断路堤是否稳定的依据是沿路堤中线竖向沉降及水平位移速率，以水平位移控制为主。
5）严格把好质量关，健全质量监理组织，完善质量检查方法，做到各道工序的试验指标均达到设计要求后方能进行下道工序，避免不合格产品进入下道工序以影响质量，造成返工。
6）由于路线所在地区雨季长、雨量大，路基防护和排水系统的施工应和主线土石方工程同步。
7）由于路基路面分为不同施工段，应注意路面排水系统工程与路基工程的衔接。
8）公路防护、绿化，要注意与地方自然风光协调。
5试验路修筑中参考控制标准
1）填筑时间不应小于地基抗剪强度增长需要的固结时间，填筑速度应按极限高度以下、极限高度～极限高度以上2m和极限高度2m以上三级控制：极限高度以下应加快填筑速度，争取固结时间；极限高度～极限高度以上2m,填筑时间不应小于地基抗剪强度增长需要的固结时间，填筑速度应按极限高度以下、极限高度～极限高度以上2m和极限高度2m以上三级控制：极限高度以下应加快填筑速度，争取固结时间；极限高度～极限高度以上2m，路基中心的表面沉降速率宜控制在15mm/d以内，坡脚处的侧向位移宜控制在8mm/d以内；极限高度2m以上时，路基中心的表面沉降速率宜控制在10mm/d以内，坡脚处的侧向位移宜控制在5mm/d以内；单级孔压系数（各级加载的孔隙水压力增量与荷载增量之比）小于0.6，综合孔压系数小于0.4。
2）路面铺筑应在沉降稳定之后进行，采用双标准控制：即：要求推算的工后沉降小于设计容许值，同时要求连续两个月观测的沉降量每月不超过5mm，方可卸载开挖路槽并开始路面铺筑。
3）其他控制数据：①填筑路堤时，均设置砂垫层，既起到排水固结通道作用，又能扩散路堤基底应力，从而提高路堤的稳定性，砂砾垫层厚度为0.5m。砂垫层材料宜采用含泥量不大于3％的洁净中粗砂，施工时应分层压实，每层压实厚度宜为20cm～30cm。②对于吹填用料，应及时现场取样并进行土工实验。取样频率为3000m3/次或观察到吹填材料有变化时重新取样。按《公路土工试验规程》规定的方法进行颗粒分析试验、相对密度试验、有机质含量（小于5%）、含泥量试验、承载比(CBR)试验等。路基填筑完毕，沉降稳定后进行路基的精加工层施工，精加工层填筑30cm厚砂砾土，此时进行弯沉值检测，对不合格的路段和点进行整改，最终要做到中线、高程、宽度、边坡、路拱坡面符合设计要求。吹砂船在吹砂作业时要有专人监控仪表。在正常情况下，操纵台的仪表反应是真空低，压力高，如碰到泥土，反应是真空高，压力低，此时要移动吹砂船，既可以保证吹填料的质量，又防止泥土淤塞水沟。
结语
吹填砂技术方案需要根据现场不同的施工的实际情况进行反复的调整和优化。要考虑吹（填砂）施工的特殊性，严格按施工规范和有关规定进行施工，加强施工检测，保证检测试验的频度、抽样要求、数据真实可靠符合，符合《公路工程质量检验评定标准》。
参考文献
[1]何开胜，沈珠江，张广旗，等．水力吹填地基的水平排水板振动碾压处理法[J]．岩土力学
[2]文海家，严春风，汪东云．吹填软土的工程特性研究[J]．重庆建筑大学学报