改性荒漠砂作为湿陷性黄土路基隔水层的试验研究

刘旭峰， 李茂山， 刘喜远， 史 杰

(甘肃省交通科学研究院集团有限公司， 兰州 730000)

我国荒漠化土地面积已达267.4万km2,占国土面积的27.8%[1]，甘肃省第5次荒漠化监测结果显示：甘肃省现有荒漠化土地面积为19.502万km2，占监测区面积的77.1%，占全省土地总面积的45.8%[2]。荒漠化形成了大量的沙漠沙与风积沙，但均无法在交通领域直接使用。改性荒漠砂是以沙漠沙和风积沙为主要原料制备而成的一种新型的具有呼吸功能的防渗材料，具有柔性防渗、自修复功能，可适应土基动态变化，提高路基结构安全性[3]，可有效解决工程渗漏难题。改性荒漠砂在交通领域具有广泛的应用前景[4]。

1 改性荒漠砂特性

1.1 级配特性

为研究改性荒漠砂的级配特性，通过室内试验分别对其级配不均匀系数及级配曲线曲率系数进行了分析。不均匀系数是反映级配大小不同颗粒分布情况的指标，以此判断颗粒级配是否良好，当不均匀系数小于5时，级配不良。曲率系数是描述级配曲线平滑程度的指标，与不均匀系数配合可确定颗粒级配。不均匀系数与曲率系数计算公式如式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：Cu为不均匀系数；Cc为曲率系数；d60为过筛重量占60%的粒径；d30为过筛重量占30%的粒径；d10为过筛重量占10%的粒径。

根据室内颗分试验显示，改性荒漠砂粒径分布在0.075 mm～0.25 mm之间，过筛重量占60%的粒径为0.139 5 mm，过筛重量占30%的粒径为 0.099 2 mm，过筛重量占10%的粒径为0.077 5 mm。根据式(1)和(2)计算出改性荒漠砂不均匀系数与曲率系数分别为1.80与0.91，根据不均匀系数及曲率系数判断，改性荒漠砂级配不良。

1.2 防渗透性

室内渗透、保湿试验证实改性荒漠砂有隔水、保湿性能，且效果显著，其防渗性能及透气性能技术指标见表1、表2。

表1 防渗等级

表2 透气性能

由表1可知，随着改性荒漠砂防渗高度的增加，防渗等级也随之提高。由表2可知，改性荒漠砂在同等压强作用下，随着防渗等级的提高，透气速率随之下降；在相同防渗等级的情况下，随着压强的增大，透气速率也随之增大。

2 改性荒漠砂隔水层设计方案

路基顶层设置隔水层是保证路基湿度、避免地表水渗入地基致使路基损坏的有效措施。科学合理的隔水层设计是确保路基稳定性的关键。湿陷性黄土是一种高压缩性的非饱和欠压密土，具有孔隙率大、干密度小及在自重和外力作用下易浸水下沉等特点，在工程建设中存在很大隐患[5]。为降低和防止黄土湿陷性对工程造成的损害，在公路设计中，针对不同自然条件和工况下湿陷性黄土地基的特点，因地制宜地采用多种材料和方法对湿陷性黄土地基进行处理[6]。传统的防渗材料主要有天然材料(如压密粘土、石灰土等)和人造材料(如抗渗水泥、土工膜等)2种，这类材料成本高、防渗效果时效性短。

改性荒漠砂作为隔水层处理湿陷性黄土路段路基，旨在阻挡水分下渗导致湿陷性黄土路基沉陷。因此，设计重点从阻水、隔水考虑，以防止上部水分下渗，土体内毛细水上升导致路基土体水分过大而破坏路基，导致其使用性能降低。隔水层设计方案主要由粗砂粒保护层、透水土工布、改性荒漠砂3部分组成，如图1所示。

图1 改性荒漠砂隔水层方案设计

3 铺筑试验段

3.1 试验方案

经实地勘察及技术方案讨论，在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，选定铺设改性荒漠砂路基处理试验段共30 m，试验段施工取土场地典型原状土基本物理力学指标见表3。取样地点土层较均匀，平均天然含水率为20.2%，塑性指数为12，其工程分类为低液限黏土。

表3 S222线城川至新店段改建工程试验段原状土基本物理力学指标

试验段铺筑采用3种不同厚度的改性荒漠砂进行对比分析，分别为5 cm、8 cm、10 cm。铺筑方案如图2所示。

3.2 铺筑施工步骤

1) 清表、碾压。清除场地表土，对基底进行碾压，确保平整，并用测量仪器复核地面高程。

2) 摊铺隔水层。铺筑透水土工布，搭接宽度控制在0.5 cm以上，按照吨袋装料量计算每袋量可摊铺的面积，用改性荒漠砂打出网格，使用装载机将吨袋运至施工网格后，人工摊铺，使改性荒漠砂平整，并检查改性荒漠砂摊铺厚度。

3) 固定隔水层。在改性荒漠砂顶部再次铺筑透水土工布，以固定改性荒漠砂。

4) 摊铺保护层。用路基砂砾填料摊铺保护层，并进行碾压平整。

3.3 阻水效果分析

试验段铺筑完成后，通过预埋在改性荒漠砂隔水层上下层的实时检测设备，获知改性荒漠砂隔水层地段路基的结构健康状况。对该处路基含水量的变化进行远程实时监测,结果如图3、图4所示。

由图3可知，经过长期监测，改性荒漠砂隔水层上部含水率明显大于下部含水率，说明改性荒漠砂起到了阻止地表水入渗地基的功效，具有显著的隔水作用，有效预防了湿陷性黄土路段地基因水渗入而造成的地基沉陷。

图3 隔水层上下含水率对比

由图4可知，随着改性荒漠砂隔水层厚度的增加，隔水层底部含水率有所降低，但差别较小；相较传统灰土隔水层，其前期底部含水率与改性荒漠砂隔水层底部含水率相差较小，随着公路运营时间增长，传统灰土隔水层底部含水率逐渐增大，且大于改性荒漠砂隔水层底部含水率，说明改性荒漠砂较传统灰土隔水效果更优。

(a) K3+180横断面

(b) K3+200横断面

(c) K3+220横断面

图4 不同隔水层对应含水率对比

3.4 经济效益分析

在同等条件下，对传统基底处治方案与改性荒漠砂处治方案的造价进行对比分析，结果见表4。

表4 湿陷性黄土路基处置方案工程造价对比(每10 m)

由表4可知，同等条件下，改性荒漠砂处治方案造价较传统处治方案高，但改性荒漠砂作为一种新材料，对改善生态环境、节约资源、再生利用方面有较好的效益。

4 结束语

1) 用改性荒漠砂作为隔水层具有明显的隔水效果，可防止地表水渗入地基，对湿陷性黄土地基沉陷有较好的预防作用。

2) 随着公路运营时间的增长，改性荒漠砂隔水层底部含水率的增长率小于传统灰土隔水层底部含水率的增长率，说明改性荒漠砂隔水层较传统灰土处治有更好的耐久性。

3) 当改性荒漠砂隔水层厚度逐渐增加后，隔水效果增加不显著，综合考虑经济因素、施工工艺和施工过程中的压实问题，建议改性荒漠砂铺筑厚度为5 cm。