江汉平原填砂路堤大厚度填筑压实参数试验研究*

王文涛 董华均 罗 蓉 金 露 曾 伟 冯光乐

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北长江路桥股份有限公司2) 武汉 430212)(湖北省交通厅工程质量监督局3) 武汉 430014)

江汉平原填砂路堤大厚度填筑压实参数试验研究*

王文涛1)董华均2)罗 蓉1)金 露2)曾 伟2)冯光乐3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (湖北长江路桥股份有限公司2)武汉 430212)(湖北省交通厅工程质量监督局3)武汉 430014)

针对江汉平原修建高速公路所面临的软基广泛分布、长江青砂资源丰富等特点，提出了填砂路堤大厚度填筑技术方案，砂料松铺厚度可由规范要求的30 cm提升至70 cm.通过现场碾压试验，并分3层检测砂料全厚度压实度，对比了3种不同碾压试验方案的压实效果及其均匀性，从中得出最佳压实参数.大厚度填筑技术相较于传统厚度填筑技术，在确保工程质量的前提下，可大幅度节省工期.

道路工程；碾压工艺；大厚度施工；填砂路堤；江汉平原

0 引 言

在江汉平原修建高速公路会遇到路堤填料短缺、软基工后不均匀沉降、工期特别紧张等问题，若处理不好，会导致通车后路面病害较多.长江流域青砂资源非常丰富，由于砂料充分密实后几乎没有工后沉降，因此填砂路堤广泛应用于江汉平原.

当前对于填砂路堤的研究，国内主要侧重适用于特定地区环境的吹填砂、风积砂、河砂等路堤填砂工艺方面[1-5]，并未针对江汉平原区域特征和长江青砂特点展开相应路堤填筑工艺的深入研究[6].江汉平原是典型的软土地基大范围分布地区，所修建高速公路通常由于需要进行软基预压处理，而导致填砂路堤工期十分紧张.目前我国尚无专门针对填砂路堤的规范，砂料填筑松铺厚度仍按填土30 cm控制[7]，这对于较大填高的路堤填砂工程来说，已不能满足实际工期的需要.据此，文中依托潜江至石首高速公路工程，针对项目工期紧张、全线软基的特点，提出大厚度填砂路堤技术方案(松铺厚度可达70 cm)，并通过开展现场碾压试验，总结出适合江汉平原特点的大厚度填砂路堤压实参数，从而达到在确保工程质量前提下加快施工进度目的.

1 工程概况

潜江至石首高速公路潜江至江陵段起于潜江市浩口镇以西与汉宜高速(武汉至宜昌)交叉，对接石首长江公路大桥北岸接线，全长42.283 km.项目全线软基，为冲湖积软土，分布状况以流塑状淤泥和淤泥质土为主，平均厚度5.76 m，平均埋深1.01 m.其中，江陵段全长21.54 km，紧邻长江，采用青砂进行路堤填筑，平均填筑高度达5 m.

2 长江青砂工程性质

2.1 颗粒组成

长江青砂具有偏细、少量含泥的特点[8-9].潜石高速为控制路堤青砂填筑质量，要求砂料含泥量不宜大于8%且细度模数不得低于0.3.

选取填砂路堤大厚度填筑试验段某填筑层所用长江青砂进行颗粒分析试验.试验数据见表1，算得青砂试样细度模数为0.53.试验测得试样天然含水率为9.3%，含泥量为3.6%，满足施工要求.

表1 青砂颗粒组成

2.2 击实特性

对青砂试样按照土工试验规程要求[10]进行重型击实试验，预加初始含水率13%,15%,17%,19%,21%.击实曲线见图1，砂料的最大干密度为1.60 g/cm3，最佳含水率为16.9%.

图1 砂料击实曲线

2.3 CBR值

当压实度为93%时，干密度为1.49 g/cm3，

CBR值为3.3%；当压实度为94%时，干密度为1.50 g/cm3，CBR值为3.7%；当压实度为96%时，干密度为1.54 g/cm3，CBR值为5.2%.据此，试验结果满足文献[11]对下路堤填料CBR值不小于3%的要求.

3 大厚度填砂路堤现场碾压试验

3.1 试验段概况

图2为大厚度填砂路堤断面图，试验段软土地基采用砂垫层欠载处理，铺设无纺土工布和土工格栅后，直接铺设50 cm砂卵石层，并设置2%横坡，形成横向排水通道.坡脚处采用袋装砂砾石码砌，以方便水体排出.砂芯部分按照松铺厚度70 cm分层填筑，并采用4%石灰土包边，防止砂料失水后坍塌.路床部分直接采用毛渣填筑，在提高路堤刚度的同时还可以节省工程造价.路面宽度26 m.

图2 大厚度填砂路堤断面图(单位:cm)

大厚度填砂试验段开展所需施工机械包括220 kW推土机、16 t装载机、1.2 m3挖掘机、20 t振动压路机等.

3.2 砂料松铺厚度及洒水控制

运输车辆将填料运送至填砂断面后，由推土机、装载机将砂料摊铺至整个断面，最后采用平地机整平.通过测量砂料摊铺前、整平后的高程，控制砂料松铺厚度为70 cm.

采用路堤旁就地打机井的方式，配合大功率潜水泵，接消防水管对铺筑砂料进行全断面连续注水饱和.洒水结束后，砂土需要晾晒合适时间，待水充分下渗且砂料表层达到最佳含水率时，砂土才具有足够承载力，再开始后续碾压工序[12].否则，含水率过大的砂料会由于承载力不足，容易导致压路机等机械陷轮.砂的晾晒时间长短，可以在路堤填砂施工初期，通过开展一系列不同天气情况下的洒水等待试验确定，以为后期洒水工序提供经验性参考，从而加快施工进度，确保施工质量和安全.现场试验表明，在春季阴天微风的条件下，充分洒水后晾晒半天左右，可使得表层砂料达到最佳含水率.当天气干燥或晾晒时间过长而导致表层砂料失水松散时，可采取人工表层补水的方法使砂料达到最佳含水率.

3.3 砂料碾压试验

碾压时，要遵循“先轻后重，先慢后快，高频低幅”的原则，即先通过轻振、慢振使得砂土具有足够承载力后，再进行重振、快振，从而达到目标压实效果.

采用装载机负载(约20 t)整幅稳压1遍，使得砂土具有一定承载力后，再开展后续碾压试验.填砂路堤大厚度试验段的碾压试验方案见表2.

由表2可知，采用大型单钢轮振动压路机静压1遍进行整平后，分别采用不同碾压形式(弱振1遍或2遍)进行稳压，以使得砂土承载力进一步提高，再采用持续强振作进一步压实，以此来研究“方案1”和“方案2”中不同稳压形式对砂土碾压效果的影响.项目施工队在进行下路堤填砂工程施工时，由于经常遇到砂土含水率控制不准确导致经常出现机械“陷轮”问题，致使施工队采用振动压路机碾压施工时始终只采用弱振，这往往需要碾压至少8遍以上才能达到93区规范要求压实度.因此，本研究将振动压路机持续弱振作为“方案3”，与强振方案进行效果对比.采用振动压路机进行碾压施工时，要求碾压轮迹重合亦不低于1/3轮宽，碾压时行驶速度不超过4 km/h.

表2 填砂路堤大厚度填筑碾压方案

在采用不同碾压方式进行试验时，为探究压实效果，每一遍碾压结束后都进行了压实度检测；同时，考虑到松铺厚度达到70 cm，在去除表层约10 cm松散砂之后，对每个测点都进行了全厚度上、中、下3层压实度检测，见图3.

图3 全厚度上、中、下3层压实度检测

3.4 包边土碾压

包边土的碾压施工工艺同样需要事先开展试验段工作，松铺厚度按照文献[7]要求30 cm进行控制.考虑到砂料每层松铺厚度较厚(70 cm)，因此每层砂料施工完之后即施工包边土.在石灰包边土碾压完后需要及时开始养生，一般采用洒水车洒水或者人工洒水进行养生，使得石灰土表面保湿养生7d左右.通过现场碾压试验，确定包边土碾压工艺如下：稳压1遍，振压2遍，收光1遍.对第一层包边土压实度进行检测，压实度为96.5%，能够满足规范对93区压实度要求.

4 现场碾压试验结果分析

对试验段下路堤填筑所用青砂进行重型击实试验，得到其最大干密度为1.78 g/cm3，最佳含水率为15.8%.每一遍碾压结束后，对测点进行全厚度上、中、下3层压实度检测.

各测点砂土含水率随深度变化情况见图4.由图4可知，砂料含水率是随着层厚的加深而不断增大.其中，表层砂料含水率由于水分蒸发而略低于最佳含水率，中间层砂料含水率基本维持在最佳含水率附近，底层砂料含水率略大于最佳含水率.

图4 各测点含水率随层厚变化情况

各测点砂土压实度随层厚和碾压遍数变化情况见图5～6.当砂料填筑厚度较大时，压实度的变化趋势是由表层20 cm向底层60 cm不断减小，并且相同层厚测点的压实度随着碾压遍数增多而不断增大.由此可知，只有底层砂料压实度满足规范要求，才能确保70 cm铺厚填砂的施工质量合格.

图5 方案1砂料各测点全厚度压实度变化趋势

图6 方案2砂料各测点全厚度压实度变化趋势

图7 方案3砂料各测点全厚度压实度变化趋势

方案1和方案2在进行第1遍强振时，砂土压实度增长幅度明显加大，说明强振能够明显提高填料压实度.在刚开始进行强振碾压时，压实度上升幅度随强振遍数增多是明显较大的，但继续增加碾压遍数其上升幅度逐渐变缓.当强振至第3遍时，方案1与方案2底层压实度分别达到92.9%和93.2%；当强振至第4遍时，方案1与方案2底层压实度分别达到93.2%和93.5%.因此，方案2略优于方案1.

方案3在弱振至第3遍时，上层20 cm压实度达到93.3%，中层40 cm压实度达到91.7%，而下层60 cm压实度达到90.8%；当弱振至第6遍时，上层20 cm压实度达到93.8%，中层40 cm压实度达到92.8%，而下层60 cm压实度仍只有91.9%，且下层60 cm压实度并未超过92%，此时压实度上升幅度已放缓，为使得下层压实度亦达到93%的要求，只能继续增加碾压遍数，但其上升空间不会太大，很可能会维持在92%～93%左右.据此可认为，当路堤填筑至93区以上时，只采用弱振碾压，底层压实度很有可能达不到规范要求.

3种方案碾压试验结束后，分别在中桩左、右幅随机取点进行全厚度压实度检测，发现各试验方案最终压实效果在相同平面具有良好均匀性，见表3.

表3 不同碾压试验方案最终压实度均匀性对比

综合比较3种碾压试验方案，针对江汉地区潜石高速全线软基、工期紧张的特点，推荐方案2作为大厚度填砂路堤碾压施工工艺，具体压实参数为：静压1遍、弱振2遍、强振4遍、收光1遍.当施工至94区以上时，将强振碾压遍数适当增至5～6遍，压实度可满足规范要求.

5 结 论

1) 通过现场碾压试验，对比了3种不同碾压试验方案的压实效果，从中得出最佳压实参数：静压1遍、弱振2遍、强振4遍、收光1遍；当施工至94区以上时，将强振碾压遍数适当增至5～6遍，压实度可满足规范要求.

2) 通过对每个测点分层检测砂料全厚度压实度，发现砂料含水率是随着层厚的加深而不断增大，且各试验方案最终压实效果在相同平面具有良好均匀性.

3) 当砂料达到最佳含水率时，先稳压使砂土具有一定承载力后，再逐步进行强振碾压，可避免施工机械“陷轮”问题，并实现采用较少压实遍数便可达到较好的均匀压实效果.

4) 采用大厚度填筑技术进行江汉平原路堤填砂施工，可将砂土每层填筑厚度由30 cm提升至70 cm，在保证施工质量的前提下，大幅度节省工期.

5) 根据本研究关于稳压方式对压实效果的影响分析，后期可考虑采用8 t或12 t小型振动压路机对松铺砂料进行稳压，预计会有更好的压实效果.

[1]李世清,刘罡,李艳明,等.风积沙路基施工工法[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]陈宝华,赵丽华,郭秀琴,等.吹沙填筑深层软土路基施工工法[M].北京:人民交通出版社,2009.

[3]姚运飞.营双高速公路沙漠段路基压实及质量控制措施研究[D].西安:长安大学,2012.

[4]杨建青风积沙处理河套地区软弱地基的技术研究[D].天津:河北工业大学,2013.

[5]王林.武监高速吹填砂路基的设计与施工[J].城市建筑,2014(18):311-314.

[6]候峰.河砂与风化料复合路基沉降变形特性研究[D].济南:山东大学,2009.

[7]中华人民共和国交通运输部.公路路基施工技术规范:JTG F10-2006[S].北京:人民交通出版社,2004.

[8]蒋鑫,凌建明,李进,等.高速公路填砂路基设计若干关键问题[J].地下空间与工程学报,2011,7(3):570-575.

[9]张海霞,凌建明,蒋鑫,等.长江口细砂路用性能的试验研究[J].公路工程,2008,33(3):142-146.

[10]中华人民共和国交通运输部.公路土工试验规程:JTG E40-2007[S].北京:人民交通出版社,2007.

[11]中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范:JTG D30-2004[S].北京:人民交通出版社,2004.

[12]李清泰,任庆显,陈跃起,等.高速公路循环水灌法填沙路基施工工法[M].北京:人民交通出版社,2009.

Research on the Compaction Parameters of Sand-filled Embankment Using Larger Thickness Technology in Jianghan Plain

WANG Wentao1)DONG Huajun2)LUO Rong1)JIN LU2)ZENG Wei2)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

The study proposes a new technique of highway sand embankment filling in Jiang Han Plain, which can raise the thickness of sand filling layer from 30 cm to 70 cm. Both the degree and uniformity of sand compaction are checked based on the comparison among three compacting proposals carried out on the test field. In addition, the compaction parameters are optimized based on the field tests, which can ensure the quality of sand embankment construction and significantly shorten the construction period.

road engineering; compaction; thicker filling construction; sand embankment; Jianghan Plain

2016-09-26

*湖北省交通运输厅2015年科技项目资助(2014-721-2-6)

U415.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.012

王文涛(1989—):男，硕士，主要研究领域为道路工程、路面材料