填砂路基施工技术在高速公路工程中的应用

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

众所周知，中粗砂经过充水压实后，容易嵌挤密实，且沉降小，具有良好的稳定性。在土源较缺乏而砂源非常丰富的地区修筑高速公路，路基本土填筑可选用中粗砂，通过在砂芯顶部和两侧用黏土进行封层与封边，集成黏土与中粗砂的优点，充分发挥就地取材的优势。

一、工程概况

巴基斯坦M5高速公路是中巴经济走廊的重要工程项目，起于苏库尔（Sukkur），途经信德（Sindh）和旁遮普（Punjab）两省，终于木尔坦（Multan），全长392km，按照双向六车道高速公路标准设计，设计行车时速120km/h，沥青混凝土路面宽度为31.5m。该项目地处印度河冲积平原，位于印度河左岸，地质以粉土、粉砂和黄土为主，局部存在软土、湿陷性黄土的不良地质。

本工程第四标段全长54km（K550～K604），路基填筑量为1194万m3，沿线（尤其是K590+200～K598+700）分布着大量的农田和芒果园，土料非常有限，但距离印度河滩较近，砂源十分丰富。

二、填砂路基施工的原理

采用灌水和碾压相结合的方式促进填砂的压实：由于砂料的渗透系数较大，灌水后填砂自然沉降1～2h即达到初步密实状态，在填砂表面未出现液化或松散的情况下开展碾压作业，较大的砂粒会相互嵌挤形成骨架，多余的水分则向下排出。另外，水的渗透运动会驱动小颗粒砂填充在大颗粒砂之间的间隙中，确保取得预期的压实效果。同时，水的渗透运动还可以促进先前填筑的砂进一步密实。

三、填砂路基施工的工艺流程

图1.填砂路基施工的工艺流程

（一）施工准备

1、砂最大干密度试验

以往，砂最大干密度试验主要采取相对密度振动击锤法和重型击实法，这两种方法均为湿法压实，水分无法排出，测得的数据离散、稳定性差，且试验过程与现场施工实际不一致。本文对重型击实法进行了改进，解决了水分无法排出的难题，能够更真实地模拟填砂路基的实际施工条件，同时采用渗透压实法确定最大干密度，试验方法如下：

（1）使用土工试验设备的组合，在圆筒底部均匀设置41个1mm的细孔，采用标准砂测定其体积（V）；将两张滤纸放在圆筒底部，使用手动击实仪分3次将圆筒填满，击实时在砂层顶部放一块钢垫板，每层各击实98次，水在击实作用下渗透排出；击实结束后，称量砂的湿重（M）并烘干；得出击实后的含水率（ω），并计算砂的干密度，公式为：ρd=M/V(1+0.01*ω)。

（2）现场采集砂料并烘干，准备从0～20%（含水率增幅为2%）共11组不同含水率的砂，通过渗透击实法试验，得出干密度与含水率的关系曲线，如图2所示。

图2.中粗砂干密度与含水率的曲线关系

由图2可知，中粗砂干密度先是随着含水率的增加而减小，当含水率为4%时，干密度减至最小（1.7g/cm3）；当含水率大于4%时，中粗砂干密度随着含水率的增加而增加，当含水率为14%时，干密度增至最大（1.92g/cm3）；当含水率大于14%时，中粗砂干密度则保持不变。因此，采用渗透击实法得出中粗砂的最大干密度为1.92g/cm3。

2、软基处理

在填砂路基施工前，需要对路基范围内的软基进行处理：

（1）农田区域：清除表层种植土。采用推土机清表，以清到硬土为准，平均清表厚度为60cm。

（2）鱼塘区域：先在路基坡脚外修筑围堰，排干围堰内积水后，用湿地推土机将淤泥推到围堰内侧，再使用挖掘机将淤泥装载至自卸车运输，平均疏浚厚度80cm，以清到硬土为准。

3、基底压实

在完成路基基底处理之后，使用20t压路机按照两侧向中间、从低到高的顺序进行碾压作业，确保路基基底承载力满足设计要求，压实度不低于90%。

4、临时排水设施

为确保填砂路基中超出最佳含水量的残水被平稳地渗透和去除，可将直径为Φ75mm的PVC管作为排水盲沟管，埋设在砂与土的结合部位，PVC管向外倾斜3%，管口用土工布包裹。

临时排水沟（深度0.3～0.6m，宽度0.5m）设置在路基边坡脚下2m处，排水沟的纵向坡度与现场地形相结合，以排水沟中的水可以排放到其他水沟或水塘为宜。

（二）填砂和封边土施工程序

砂芯两侧和顶部采用土料进行封边，两侧主要采用以下两种方法进行施工：

1、先填砂后填封边土

首先，在路基中填筑砂芯，人工将砂芯两侧修成小台阶，然后按照自下而上分层的方法，填筑封边黏土并包边。

该施工方法的特点为：砂和黏土分开施工，相互干扰较小，能够形成流水作业，施工效率高，砂与土结合部位可充分碾压密实。

2、先填封边土后填砂

先在路基两侧填筑封边黏土，在填筑砂芯前，按照设计图纸每填筑50cm高包边土后修内侧坡（呈台阶状）；然后在中间分层填砂，压路机紧贴土边缘进行碾压。

本工程采用先填砂后填封边土的方法，充分发挥了砂源充足条件下集中可利用大型土方设备进行填筑的优势。砂芯两侧和顶部用黏土进行封边，其中两侧封边土宽度为2m，顶部封边土厚度为45cm，封边黏土的塑性指数为5≤PI≤10，土料填筑松铺厚度为30cm，采用小型机械设备进行摊铺、平整、碾压作业。

（三）填砂路基施工

1、填砂厚度

第一层填砂的厚度不宜小于80cm，其余各层控制在60cm以内。如果填砂厚度过薄，在重型车辆荷载作用下，容易产生塑性剪切变形，形成车辙病害，导致陷车。

2、砂料运输

根据填筑长度、宽度、松铺厚度计算本层填筑量，再根据自卸汽车的运输量设定卸料、摊铺的网格线。

在验收合格的填砂路堤表面上运输砂料时，一定要进行洒水作业，确保已填筑砂层的表层含水量不低于12%。当砂层表面出现车辙时，应及时采用推土机进行整平，以保证自卸汽车将砂料运至指定地点；由于河砂颗粒间内摩擦角较小，应避免或者减少自卸车直接在卸砂点调头，以防对已经结板成型的填砂产生不良影响。

3、砂料平整

采用推土机按照“中心低、两侧高，锅底型”的原则进行铺料、粗略平整，然后用平地机进行精准平整，内倾横坡控制在1.5～2%。

4、灌水碾压

待砂料整平完成后方可进行灌水密实，利用水的渗透作用使砂料自然沉降，达到初步密实。在填砂表面无液化或松散的情况下（最佳碾压含水率），采用压路机由两侧向中间进行碾压（2遍静压+2遍振动碾压+2遍静压），压路机碾压速度控制在1.5～4km/h，轮迹重叠宽度不小于1/3轮宽。

在完成填砂路基灌水、碾压后，现场检测压实度，合格后方可进行下一层循环施工。

（四）构造物和沟槽回填

填砂路基范围内，雨水管、检查井、管涵、过水箱涵等构造物的回填应分层进行，每层砂的填筑厚度应严格控制在15cm左右，两侧对称填筑，不平衡高度在30cm以内。每层砂填筑完成后都要洒水，采用人工配合小型强夯机的方法进行压实，沟槽回填至管顶50cm后灌水，然后利用插入式振捣棒进行振捣密实，振捣棒垂直插入至底部，0.5～1min后倾斜拔出，间距在20～30cm左右。

桥台回填同样采取分层填筑、洒水、小型机械压实的方式，每填筑2～3m后进行灌水、振捣作业。为增加桥台过渡段的回填刚度，使桥台刚性向路基材料柔性线型过渡，增强其抗车辆水平反复剪切冲击的能力，在桥背回填部位进行注浆处理。注浆范围为：台背外侧锥坡范围内5m，内侧为台背全长，深度为桥涵顶面至基底标高，采用梅花型布孔，间距为1m，注浆孔扩散半径为0.5m。

（五）填砂路基成型后蓄水沉降

填砂路基达到设计标高后，培砂垄进行灌水，持续2个月时间，以确保填砂路基充分沉降。

四、填砂路基施工的优点

1、填砂路基施工适用于砂源丰富地区的高速公路、快速路、机场等建设项目，能充分结合实际情况，就地取材。

2、填砂路基施工受雨季干扰小，适用于雨水较为丰富的地区，小雨不用停工，大雨后可快速恢复施工，施工效率极高，能有效缩短路基施工工期。

3、填砂路基施工控制方便，机械设备利用率大幅提高。利用砂的渗透特性，灌水量超过最佳含水量后静置1～2h，在填砂表面无液化或松散的情况下碾压均能达到密实效果，且灌水有利于增加砂的密实度，保证了路基填筑的质量。此外，填砂路基施工与土料填筑相比，控制含水率所需的额外时间大大减少，有利于缩短施工工期。

4、填砂路基施工每层填筑虚铺厚度可增加到60cm，每层的碾压遍数也较填土路基有所减少，在保证施工质量的前提下，提高了机械设备的利用率，降低了机械设备成本。

五、结语

巴基斯坦M5高速公路第四标段于2016年8月4日开工建设，2018年5月31日完成主线路基填筑施工，路基填筑施工共用了22个月左右，其中K590+200～K598+700段采用填砂路基施工方法，填砂路基施工完成后，持续灌水2个月，观测路基本体沉降累计最大为2cm，路基本体沉降在灌水前10天收敛，后期观测标高无变化，完全满足设计要求，为其他类似条件高速公路施工提供了借鉴。