阿和沙漠公路风积沙路基施工工艺研究

郑育新

(新疆建设职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

阿拉尔至和田公路起点位于阿拉尔市～图木舒克公路K6+500 处(阿拉尔12 团3 连)，终点位于和田市，全线位于塔里木盆地中三条绿色走廊之一的和田河东岸绿色走廊带边缘。路线有稀疏的新月形沙丘、沙垄带，一般高为1 ～3 m;有密集的新月形沙丘链群与格状沙丘交替分布，丘高5 ～10 m，路段内有间断分布的风蚀洼地，地势起伏较大，丘高5 ～40 m 不等。地形由南向北逐渐降低，平均纵坡只有1.1%。地层结构为第四纪冲积、洪泛沉积及风成沙复盖，而第四纪露于地表的主要是全新的松散层，以细沙、粉沙，粉质沙及沙质沉积物组成，风成沙是区域内的主要组成物质，其厚度一般不超过20 m。

公路的线路设计等级为二级公路，路基宽度10 m，双向车道，路面宽度8.5 m。由于沙漠缺水，天然砂粒运距太远，如果采用传统的筑路方法，势必成本太高。本着节约成本，就地取材的理念，公路采用风积砂干压实的方法，路基封顶后，铺设一层土工布，上面再铺设18 cm 天然沙砾，然后摊铺3 cm 的沥青面层(如图1)，达到“强基薄面”的施工效果。土工布的主要作用有两点:一是固沙强基，即提高沙基整体强度和抗剪强度，包括垂直抗剪与水平抗剪两种，以使沙基在行车作用下，能稳定工作;二是增强沙基及沙漠软土路基的排水性。

本工程在和田和阿拉尔绿洲的边缘分布了大量的软土路基，因为土工布的采用，从而加速了软弱基础的固结速度，确保了路基的正常工作状态。

图1 路面结构图

1 土工布特性

1.1 土工布的性质

土工布是展铺在沙基和沙砾基层之间的结构薄层，本工程采用的是聚丙烯编织布，每幅宽度2 m，长度200 m。其具有耐腐、耐酸、耐水、强度高、延伸率小的特点，为了能确保路基的正常工作状态，工程应用时合理选型就显得十分重要。现将所选用的土工合成材料的主要物理力学性质(见表1)以及使用性能做简要叙述，以供路基设计时参考。

表征物理性质的主要指标有单位面积质量、厚度、开孔尺寸及均匀性。单位面积质量通常是指土工织物每1 m2的质量，通常每1 m2的质量在0.1 ～1.0 kg。

力学性质的主要指标有抗拉强度、断裂时延伸率、撕裂强度、穿透强度、握持抗拉强度、顶破强度、疲劳强度、徐变性、聚合物与土体间摩擦系数等。

土工织物的水理性质主要用土工织物垂直向和水平向透水性来表征(即导水性)。

土工织物的耐久性即抗老化、抗化学侵蚀性、抗生物侵蚀性、抗磨性、抗温度、冻融及干湿变化性。抗老化是指高分子材料加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素影响，使其各种性能逐渐蜕化的现象。老化是一种不可逆的化学变化。主要表现在:①外观变化，发粘、变硬、变脆等;②物理化学特征的变化，如比重、熔点、耐寒性和耐热性等;③力学性能即抗拉强度、剪切强度、伸长率以及弹性等减小或丧失。

表1 土工布物理力学性能汇总表

1.2 土工布的作用

风积沙颗粒组成很细且颗粒单一均匀，粉粘粒含量很少，渗透系数较大，比表面积很大，粘聚力很少，松散性很强，保水性较差，水稳性很好，易溶盐含量很小，呈微碱性，本身无腐蚀性，压缩变形小，完成时间短，压缩量与荷载呈指数关系，回弹模量值较大。

在砂砾石料与风积沙路基顶部之间覆盖一层土工布后，因随沙基变形土工布受到拉伸而承担剪应力。一方面土工布吸收部分剪应力，降低了传到沙基表面的剪应力;另一方面土工布通过与沙基摩擦并对沙基的剪切滑动进行限制，因而进一步提高了沙基的抗剪强度。

在车辆荷载的作用下，根据弹性半空间体理论，沙基表面的竖向变形为:

式中:w1、w2分别为垂直荷载、水平荷载作用下沙基表面的弯沉;E 为沙基的回弹模量;μ 为泊松比;p 为垂直均匀荷载集度;q 水平均匀荷载集度;δ 为当量圆半径。

土工布的拉伸变形因沙基表面的弯沉引起，并进一步参与承载。土工布承载方式有两种，一种是限制沙基的剪切滑动，另一种是吸收剪切应力。

由土工布的变形及静力平衡条件关系(F=Eu)得:

式中:u、E 分别为土工布的拉伸变形和变形模量。

可用图2 表示土工布限制沙基剪切滑动的机理。

图2 土工布限制沙基滑动

T 为土工布因拉伸所受到的力，假定土工布对沙基的约束力P 为常数。那么根据平衡条件，约束力P 和拉伸力T 分别为:

式(5)表明土工布限制沙基剪切滑动的能力与沙基滑动面和其拉伸模量所形成的夹角有关。

因沙基中的风积沙抗剪能力差，无粘性，若在沙基上直接行车，沙基表面就会因作用在沙基上的剪应力剪切破坏而松散。覆盖一层土工布后，因随沙基变形土工布而受到拉伸，承担剪应力，大小按式(3)计算。土工布一方面通过与沙基摩擦并限制沙基的剪切滑动，进而提高了沙基的抗剪强度;另一方面吸收部分剪应力，传到沙基表面的剪应力因而降低。

砂砾层上铺一层土工布后再行车，因为砂砾基层吸收一部分轴载引起的剪应力，所以传到土工布表面和沙基的变形量和剪应力相对变小，减弱了土工布的结构承载作用，但土工布仍继续起着分隔砂砾与沙基的作用，防止翻沙现象。

2 风积沙路基风积沙干压实施工工艺

工程先期进行试验段修筑，试验段工程分为两段，即一个挖方段、一个填方段，其中第一填方段一半为经过挖掘机分层碾压的路段、另一半为未充分分层碾压的路段。通过试验段总结:填方段每层先利用挖掘机或推土机碾压2 ～3 遍，后直接利用压路机快速静压1 ～2 遍，之后采用振动碾压2 ～3 遍，最后采用静压收光1 ～2 遍，这样就解决了压路机能在干沙上行走作业的问题，挖掘机和压路机在干沙上行走作业情况见图3 和图4。

2.1 干压风积沙施工工艺

干压实工艺流程见图5。

2.2 干压风积沙压实效果

图3 挖掘机初压现场

图4 振动压路机干压现场

图5 风积沙干压实工艺流程图

风积沙层试验段碾压完毕，并进行含水量、压实度检测(见表2)后，由于干压风积沙无法进行野外回弹模量试验，表面洒水压实后层顶部进行回弹模量试验，试验结果见表3。

表2 风积沙试验段含水量、压实度检测结果 %

表3 风积沙试验段回弹模量试验结果

通过表2 和表3 可知:

1)未经过充分压实的路段(填方二段)，其回弹模量和压实度小于分层压实的路段(填方一段)和挖方段，所以必需对风积沙路基进行充分碾压，以保证风积沙路基的强度。

2)利用常规压实施工机械，压实深度很难达到1.8 m。因此，当风积沙路基填筑厚度较大，应分层填筑并分层碾压，每层压实厚度不得大于50 cm。试验数据表明:静压1 遍强振2 遍的有效压实深度不大于50 cm，且风积沙的天然含水量在1.80%～3.52%，满足不了风积沙干压最佳含水量0 ～0.5%的要求，压实度只能达到95%。

3)经过充分压实的填方一段其强度远大于填方二段，因此在风积沙路基填筑压实中要严格分层碾压，保证风积沙路基强度，使风积沙的力学性能充分发挥。

4)不论是填方段还是挖方段，风积沙在干燥状态下的回弹模量值比洒水碾压层表面的回弹模量值均大，所以在利用风积沙填筑路基时，要充分发挥风积沙的强度，风积沙层顶部就不能洒水碾压，以防止出现回弹模量倒置现象。

总之，采用风积沙干压法在干旱缺水地区是可行的。

3 风积沙路基+土工布+沙砾基层施工工艺

阿和沙漠公路采用了土工布加薄层砂砾的路面结构方案，干压实风积沙路基。即:在风积沙分层碾压、铺筑土工布后，先铺筑较薄一层天然砂砾，然后用压路机进行振动碾压。施工工艺流程见图6。

图6 施工工艺流程图

具体施工工艺如下:

1)沙基填筑。

2)铺设土工布及填筑天然砂砾:按设计要求铺筑土工布，并摊铺8 ～10 cm 天然砂砾，用平地机整。

3)振动碾压:8 ～10 cm 天然砂砾整平后，先不洒水，使之处于松散的未板结状态，用振动压路机采取高频低幅碾压1 ～2 遍。然后补足18 cm 的沙砾基层厚度，洒水，用振动压路机碾压3 ～5 遍，最后静压1 ～2 遍收光轮迹。

4 结束语

利用土工布加固风积沙是一种非常有效的工程措施，它不仅使土工布自身的工程特性得以充分发挥，而且可以有效防止上部砂砾嵌入风积沙路基，提高路基的强度和整体稳定性。新疆风积沙分布非常广泛，取之不尽，而沙漠地区砂砾运距非常远，阿和沙漠公路二标砂砾最远运距达260 km，成本很高，利用风积沙筑路，风积沙运距非常近，大大节约了路基的造价。利用本文的技术可以防治路面结构层砂石料的嵌入，从而有效地降低了筑路成本，使其在沙漠地区公路应用有了较为广阔的条件。

［1］陈忠达，张登良.风积沙路基压实技术的研究［J］.中国公路学报，1999，12(2)，11 ～14.

［2］陈忠达.沙漠公路施工质量控制与评价标准研究报告［R］.1993.

［3］李世芳，王益桂.新疆兵团垦区风积沙碾压技术研究［J］.公路，2004，20(10)，34 ～36.

［4］胡长顺，黄辉华.高等级公路路基路面施工技术［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［5］陈忠达，郑传超，戴经梁.沙基土工布+砂砾基层抗剪稳定性分析［J］.西安公路交通大学学报，1999，12(4)，12 ～14.

［6］李世芳，胡作龙.新疆兵团垦区风积沙工程特性试验研究［J］.中外公路，2005，25(12):149 ～151.

［7］张军光，张修良，何永明.新疆沙漠公路施工及加固试验分析［J］.筑路机械与施工机械化，2008，25(12):44 ～50.