高速公路吹填砂填筑路基设计与施工研究

刘霞，蔡湘运

(新邵县公路管理局，湖南 邵阳 429000)

中国湖区、江河沿岸的地质普遍为Ⅰ级堆积阶地，地形平缓，路线位置多覆盖淤泥质土层，非常不利于路基填筑。吹砂填筑技术可有效解决湖区和海边路基填料缺乏的问题。在欧、美等发达国家，用砂来填筑路基已有许多成熟经验，一些欧洲国家甚至用砂来填筑高等级公路路面底基层。在国内，武英(武汉—英山)、乐温(乐化—温家圳)、中江(中山—江门)、京珠(北京—珠海)及哈尔滨绕城高速公路等部分路段在路基施工中均采用了吹砂技术。吹填砂工艺填筑高等级公路路堤具有施工快、节约成本、不受外界环境影响、利于保护国土资源等优点，在中国多个地区得到了应用。但由于没有相关规范控制施工质量，大多修筑里程较短，且在排水设计和边坡设计等方面还不够成熟。该文结合湖区某高速公路工程，研究吹填砂路基修筑技术，为湖区高等级公路吹砂填筑路基工程应用和推广提供参考。

1 砂的可用性试验研究

吹填路基适用于缺土多砂、可用吹填方式填筑路基的地区。吹填路基材料以中、粗砂为宜，根据JTJ 017-96《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》，其含泥量不大于15%。但实际吹填时，中、粗砂很难吹上来，即使吹上来，砂已离析，无法保证路堤压实度，而采用中、细砂作为吹填砂则没有这些问题。对该高速公路附近某河东支和中支河砂进行取样，通过筛分试验计算得到河砂的细度模数(见表1、表2)，通过击实试验(筒容积997 cm3；击锤质量4.5 kg；落距45 cm；每层击数27次)得到河砂的最大干密度和最佳含水率(见表3～6)，并对含泥量进行测量。

表1 湖区某河中支取样河砂筛分试验结果

表2 湖区某河东支取样河砂筛分试验结果

表3 湖区某河东支取样河砂击实试验结果(干密度)

表4 湖区某河东支取样河砂击实试验结果(含水率)

表5 湖区某河中支取样河砂击实试验结果(干密度)

表6 湖区某河中支取样河砂击实试验结果(含水率)

试验结果显示：1) 该河东支取样河砂的最大干密度为1.706 g/cm3，最佳含水率为13.6%，含泥量为5.4%，细度模数为0.88，属于粉砂，易吹填。但由于粉砂颗粒较均匀、塑性指数低、粘性小、保水能力差，最佳含水率控制较困难，施工时要考虑压实工艺，控制砂的含水量，保证压实质量。2) 中支取样河砂的最大干密度为1.945 g/cm3，最佳含水率为12.3%，含泥量为4.2%，细度模数为2.9，属于中砂，可用于吹填路基。但中、粗砂需考虑吹填难度，吹填时适当加大吹填设备的功率。

2 吹填砂路基排水系统设计

路基排水设计遵循排水、疏水、预防相结合的原则，并与边坡防护、路面排水系统、地基处理等措施相协调，从而保证吹填砂路基的稳定性。

2.1 临时排水系统设计

吹填砂过程中，水是输送砂的关键介质，而排砂管总体积的80%以上是水，因而吹填砂施工前的关键是建立临时排水系统。该项目采用沟渠排水的方式构建临时排水系统(见图1)，并根据需要设置泄水管(管口包透水土工布)和抽水泵，及时排除吹砂留下的水，避免影响路基的稳定性和周边环境。临时排水系统可减轻水土流失，且不容易改变水文状态，对当地河道、灌溉系统的影响较小。

图1 临时排水系统设计

吹填砂路基施工、预压和运营过程中，边坡排水设计对路基稳定性起着很重要的作用。施工中可根据需要对高填方的坡面设置排泄水管，用于排除聚集在包边土中的水。该项目在路基边坡顶部设置纵向拦水坝，在距路基坡脚2 m处设置排水沟，并在适当位置设排水口，水口大小视吹砂设备功率而定，排水口处两侧拦水坝用袋装砂包或塑料薄膜加固处理。排水沟连接到附近的排水系统，施工中产生的水先流到排水沟，经沉淀、过滤后排入附近的沟渠或当地排水系统，避免污染水源、农田等。

2.2 拦水坝及路基内部排水设计

吹填砂之前，在路基设计宽度以外修筑拦水坝。第一层采用挖沟或清顶填筑，并在路基坡脚外侧填筑，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1 m时，坝的宽度为80 cm，只要能满足自身稳定性即可。包边用的砂袋作为拦水坝的一部分起到相应的作用。从第2层开始，拦水坝用吹填砂修筑，内部用塑料薄膜铺设，避免冲刷。

由于吹砂过程中水量较大，需要一定的含水量才能使砂达到一定的密实度，但会造成路基积水，如果不能将水及时排除，路基底部会在水长时间浸泡下软化，甚至出现边坡坍塌、路面塌陷的情况。该项目采用袋装砂+黏土后包边的方式进行路基内部排水，解决砂土结合部位水难以排除的问题。

3 吹填砂路基断面设计及经济性分析

3.1 横断面设计

(1) 厚度设计。规范要求包边厚度为0.4～1 m，实践中有的项目包边土的最小厚度放宽至0.75 m甚至0.5 m。考虑到该项目为湖区公路，又处在降水量和强度较大的地区，为避免坡面因水流冲刷导致边坡破坏，在试验路修筑中包边土厚度采用1 m，并根据试验路情况在后续大面积施工中对包边土厚度进行优化。

(2) 边坡设计。边坡主要有平行四边形和梯形两种形式，平行四边形包边土两侧坡度相等(见图2)，而梯形包边土外侧坡度较小。对于砂类土，在地基状况良好的情况下，边坡坡度宜为1.0∶1.5；对于高填土的软土地基，如条件允许，应尽可能将边坡坡度放至1∶2。但实际上由于土地资源缺乏，很难将边坡放至1∶2。该项目采用平形四边形边坡形式，坡度为1.0∶1.5(见图3)。对于部分高填方路堤，为保证边坡稳定，同时节省占地面积、不破坏生态平衡，采用图4所示边坡结构。

图2 吹填砂路基横断面整体设计

图3 吹填砂路基横断面设计(单位：cm)

(3) 吹填高度。对于吹填砂路基，边坡高度取多少较合理还没有定论。根据该项目黏土、砂土的实测粘聚力和内摩擦角，采用FLAC/SLOPE5.00进行边坡稳定性分析，同时考虑实际环境因素，得出吹填砂路基高度不超过8 m。

3.2 包边土施工设计

(1) 包边土施工。吹填砂包边土施工方法有同步施工、基本同步施工、后包边施工3种。其中：同步施工法有利于施工组织，造价低，路基压实度、标高、平整度及工期易控制，路基不容易产生开裂现象；基本同步法具有同步施工的大部分特点，只是砂土和黏性土的结合面不易压实；后包边法可较好地解决压实度的问题，不会引起路基不均匀沉降，且由于砂土和黏性土施工相隔时间较长，前期施工能充分利用机械和人力，加快施工进度，但后包边的弃方非常大。该项目采用同步施工和后包边相结合的方式，先修建拦水坝，砌筑砂袋，砂袋起包边作用并作为拦水坝的一部分，在分层吹填的一层结束且压实度达到要求后进行下一层施工，吹填结束后进行包边土施工，包边土施工完成后对路基两侧包边黏土进行压实。碾压方法与普通路基一样，其关键是控制含水率，对薄弱部分充分压实，保证填筑质量。

图4 高填方路基包边示意图

(2) 包边形式。试验路修筑中采用黏性土进行包边，要求其液限小于50%，塑性指数小于26%，同时填料的强度和粒径达到要求。黏性土具有较大的粘结性、稳定性，砂土具有水稳定性好但失水后干稳定性差的特点，考虑到施工和排水难度，采取土包砂的填筑方法，即采用砂土填芯，码砌砂袋+黏土包边的方式，以发挥两种材料的优点(见图5)。堆码砂袋不仅起到包边与拦水坝的作用，台阶式的堆码对路基和边坡的稳定也起到重要作用，还可减少包边土施工时界线划分等工序。

图5 包边形式

3.3 经济效益分析

与一般路基相比，吹填砂路基能解决筑路土源缺乏、运输费用大等难题，有利于保护国土资源，节省成本。以加压次数分段，对每个施工段进行吹砂、填砂、填土概预算分析，结果见表7。

由表7可知：1) K46+000—K50+789段不适宜吹砂，因为吹砂的距离较大，其成本比普通填土高。2) K50+789—K90+199.75段吹砂成本为128 006 129元，填砂成本为115 181 474元，填土成本为168 205 415元，适宜吹填。在施工图设计中确定的各取土场满足取土方量需求且土质满足路堤填料要求的前提下，该段采用吹砂填筑可节约成本近4 000万元，采用填砂可节约近5 300万元，具有较好的经济效益。

表7 不同路基填筑方案的经济性比较

4 结论

(1) 修筑高等级公路的吹填砂应以中、细砂为主，其含泥量不大于15%，并严格控制其含水量。

(2) 可通过沟渠排水的方式构建临时排水系统排除吹砂留下的水，并分层修建拦水坝，采用袋装砂+黏土的包边形式排出路基内部水。

(3) 吹填砂路基横断面和高填土路基设计中，包边土厚度取1 m，采用坡度为1∶1.5的平行四边形边坡，吹填砂路基高度不大于8 m。采用袋装砂+黏土的包边形式，以同步施工和后包边相结合的方式进行包边土施工。

(4) 在湖区填筑路基，与填土修筑相比，吹填砂填筑可显著节约成本和工期，具有较好的经济效益。