改性荒漠砂在黄土地区路基中的隔断效果现场监测研究＊

马红梅

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

黄土是一种高压缩性的含钙质粘性土，具有孔隙率大、干密度小等特点，湿陷性黄土在自重和外力作用下容易因内部粘聚力减少而产生一定的沉陷。在黄土地区修筑路基时，因地下毛细水上升浸润路基填筑体，导致路基的沉陷、陷穴、不均匀沉降、边坡滑塌等病害。在湿陷性黄土地区地基处理技术的关键就是采取不同的的方法来处理黄土中的水分问题，可选择在路基土体中设置毛细水隔断层的办法，以隔断毛细水和气态水的上升。隔断层介于路基填筑体与地基之间，可有效防止水分进入路基上部，从而避免路基遭受破坏，确保路基稳定。

隔断层是在黄土路基某一层位设置一定厚度的防渗材料，以阻止水分进入路基上部，从而避免路基遭受破坏，或者出现早期病害。隔断层处理湿陷性黄土地区路基，旨在消除湿陷性黄土因水分渗入导致路基沉陷。传统的隔断层有土工布（膜）隔断层、砂垫层、碎砾石隔断层、油毛毡等。改性荒漠砂是以沙漠砂和风积砂为主要原料制备而成的，是一种新型的防渗材料。以改性荒漠砂为抗渗材料设置隔断层，可以防止土体内毛细水上升导致路基土体水分过大而破坏路基使用性能，改性荒漠砂隔断层是利用改性荒漠砂的防渗性能通过隔离不同的路基介质达到反滤、防渗、排水、保温等效果。

1 改性荒漠砂特点及隔断层工艺原理

1.1 改性荒漠砂特点

隔断层材料必须有足够的抵抗荷载能力，这是因为在路基填筑体材料的孔隙部位或两种材料交界面上的孔穴部位将受到挤压作用；同时，隔断层材料则将受到由路基填筑材料、地基材料颗粒棱角施加的穿刺力，故隔离材料还应有抵抗刺破的能力。改性荒漠砂满足以上两方面的要求，即改性荒漠砂具有良好的抵抗荷载能力和抗穿刺能力，同时具有以下特点：

1）具有柔性防渗、自修复功能，可以适应土基动态变化，提高结构安全性；

2）密度小，方便运输，造价较低。

3）对铺筑要求低，施工难度小，施工效率较高。

4）充分利用荒漠砂，变废为宝，提高资源利用率。

5）为无机类材料，在路基反滤、防渗、排水等施工中可广泛推广使用。

1.2 隔断层工艺原理

改性荒漠砂隔断层是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设改性荒漠砂，使它们不互相混杂，即将黄土地基和路基填筑土体隔离。其原理作用如下：

1）改性荒漠砂隔断层引起路基体内应力扩散，减少路基的不均匀沉降。

2）隔断层可以阻止毛细水上升，防止路基破坏。

3）隔离路基与地基，并提供排水面，加速路基土体固结。

这类学生被调剂到中药专业，以往从未受过中医药文化启迪，入学后思想准备不足，对中医学、中药学认识不足，不了解其在世界医学系统的地位。这部分学生不清楚将来的职业定位，对个人发展方向比较迷惘，甚至会有厌学和抵触情绪。再者，很多学生在以往的理科学习中，接触最多的是西方科学体系，对于传统中医药可能存有偏见或理解误区，甚至全盘否定中医药文化体系。而文化教育是启迪思想和智慧的教育，重在启蒙而非强制。这类学生入学后，如果只接受填鸭式教学，单方面灌输大量书本知识，那么教师就会感觉吃力，学生却处于无奈的被动地位，从而影响教学效率。

4）在路基软弱区域，或有小范围洞穴部位起到架桥作用，可以减弱洞穴区或软弱区的影响。

5）隔离层还起一定的保温作用。

2 依托工程处置方案

选择S222线西吉（宁夏）至燕子砭(甘陕界)公路城川至新店段改建工程为改性荒漠砂隔断层示范工程。S222线基本呈东北-西南走向，全线采用三级公路技术标准，设计车速40km/h，路基宽度8.5m。经过实地勘察及技术方案讨论，选定铺设改性荒漠砂路基处理试验段为K3+170-K3+210,共40m长。试验段铺筑改性荒漠砂隔水层厚度分四段，即K3+180～190段改性荒漠沙厚度5cm，K3+190～200段改性荒漠沙厚度8cm，K3+200～210段改性荒漠沙厚度10cm，以上30m研究试验段共需改性荒漠沙35.8m3，透水土工布920m2，粗砂保护层35m3，土工布参数为，纵向40≥KN/m，横向≥40KN/m，纵横向标称抗拉强度下的伸长率≤15%。另外为便于比对，在K3+210-K3+220处采用传统方案即原设计方案进行路基填筑[1-3]。

本试验段处于填方路段，填方路段方案主要由改性荒漠砂、中粗砂保护层两部分组成，如上图设置。在清表压实后的基底铺筑一层土工膜，土工膜上铺设一定厚度的改性荒漠砂，隔绝路基上方渗水和地基下方毛细水上升；在改性荒漠砂上层铺筑一层土工膜，土工膜上铺设中粗砂，作为改性荒漠砂的保护层，即改性荒漠砂的保护层又是填方路基的过滤层；并在左侧坡脚设置改性荒漠砂隔水墙，防止路基左侧积水下渗到路基中；对比的原有地面在清表压实后采用5%石灰土换填处理[4]。

3 隔水效果监测方案

目前用改性荒漠砂填筑路基地段的健康状况难以通过一套有效的理论计算得出，为此，需要通过实时监测的手段来获取荒漠砂填筑地区路基的结构健康状况。本项目采用美国坎贝尔Campbell的CR6对荒漠砂处理段的路基含水量、沉降、温度、土压力、应力/应变等数据变化进行实时在线监测，积累大量的有效的实时数据，实时监测路基的结构健康状况，为荒漠砂改性技术在地基处理中的应用提供系统的数据支持，也为今后黄土地区路基的施工运营和维护提供可靠的科研数据支持[5]。

3.1 监测点布置

1）沉降监测：采用沉降传感器沿线路方向每段设立1个沉降监测点，3个不同厚度荒漠砂段落共3个沉降监测点；1个换填段落沉降监测点，共计4个沉降传感器。布设位置为：4个均在改性荒漠砂隔断层层底[6]。

2）应力应变监测：采用埋入式应变计监测应力应变，每个监测断面水平方向布置1个，竖直方向布置1个，6个监测段落共计12个。布设位置为：8个在改性荒漠砂隔断层层底，4个在改性荒漠砂隔断层层顶（5cm和10cm改性荒漠砂试验段厚度）。

3）路基含水量及温度：含水量及温度共同采用土壤墒情计监测。每个监测断面布设1个，共计7个。布设位置为：3个改性荒漠砂隔断层、1个换填层层底，2个在改性荒漠砂隔断层层顶 （5cm和10cm改性荒漠砂试验段厚度），1个在换填层层顶。

4）土压力监测：土压力采用土压力计监测，每个监测断面布设1个，共计4个。布设位置为：4个均在层底（3个改性荒漠砂试验段和换填层层底）。

5）翻斗式雨量传感器：用于监测降雨量，共布设1个。布设位置为：路基外侧数采防护机箱旁边。

3.2 监测效果评价

由图1可知，各监测断面中5cm改性荒漠砂试验段土压力最大，10cm改性荒漠砂试验段土压力次之，8cm改性荒漠砂试验段土压力最小，这是由于隔断层厚度太薄，则其应力分散效果不显著，故表现在土压力上就是隔断层层底压应力较大；隔断层厚度较厚时，由于隔断层自重而造成层底土压力较大。

图1 土压力监测结果

图2中监测界面有突变点是由于后续施工对传感器产生扰动造成，监测系统反馈到数据监控人员处，监控人员通知现场施工人员及时进行了处置，并采取了保护措施避免施工扰动造成的传感器异常，后续采集数据趋向正常水平。由图2可知，3个改性荒漠砂段沉降（1#～3#）较换填段（4#）沉降小，且3个改性荒漠砂段整体沉降水平非常稳定，说明改性荒漠砂用于公路路基处理是可行的。三个改性荒漠砂段中10cm改性荒漠砂段沉降较5cm和8cm处大，这是由于填筑较厚时由于自重作用可产生一定的自由沉降效应较5cm和8cm段大。因此，现场铺设时，需结合试验段地下水位及路基填筑厚度等其他各项监测结果来综合确定填筑厚度[7]。

图2 沉降监测结果

根据图3分析可知，5cm、10cm改性荒漠沙层底含水量较顶层含水量大，而灰土换填段顶层含水量较底层含水量大；且10cm改性荒漠沙底层和顶层含水量差值在0.05左右，5cm改性荒漠沙底层和顶层含水量差值在0.03左右，即10cm改性荒漠沙层隔水作用较5cm改性荒漠沙层显著，8cm改性荒漠沙段顶层因施工原因未埋设含水量传感器，故不做比对分析。灰土换填段顶层含水量呈现稳步增长趋势，整体斜率较5cm、10cm改性荒漠沙段大，5cm、10cm改性荒漠沙段顶层含水量逐步趋于稳定，说明改性荒漠沙层可以有效控制地下毛细水的上升[8]。

图3 含水量监测结果

由图4可知，各监测段落底层温度较顶层低，换填段温差较三个改性荒漠砂段大，且换填段温度整体较其他改性荒漠砂试验段温度低，三个改性荒漠砂段中10cm改性荒漠砂段顶层温度较高，说明铺筑厚度对改性荒漠砂对路基的保温作用影响较大[9]。综上，监测结果表明改性荒漠砂对路基土体的阻断隔水、保温效果较为显著。

图4 温度监测结果

黄土的湿陷与一般土在水的作用下表现出来的压缩性稍有增加的现象不同。压缩变形一般在一段时间内能趋于稳定，且总变形量不大；而湿陷变形的特点是变形量大、发生的速度快、变形不均匀、突变性、非连续性和不可逆性[10]。因此，黄土的工程性质要求湿陷性黄土地区路基范围内含水量需严格控制，而本项目采取的改性荒漠沙隔断层可以有效阻止毛细水的上升，对于保持路基含水量具有非常积极的作用。

4 结论

在黄土路基改性荒漠砂隔断层施工过程中，对土压力、含水量、温度、应力应变、和土压力进行全面、系统的监测，提出了具体的监测要求、测点布设方案、监测内容及监测实施方法，根据监测结果可知：

1）通过现场实时监测数据分析可知，改性荒漠砂用于湿陷性黄土地区地基处理是可行的，且改性荒漠砂隔断层隔水、保温效果较为显著。

2）改性荒漠砂隔断层厚度宜控制在合理范围内，综合试验段沉降、应力应变、含水量、土压力、温度监测结果，推荐S222线西吉（宁夏）至燕子砭(甘陕界)公路城川至新店段改性荒漠砂隔断层铺筑厚度为8cm。