高速公路软土地基粉细砂路堤填筑施工工法

本文结合石佛寺平原水库土坝填筑工程开创性地进行了利用当地丰富粉细砂筑坝的试验研究工作.通过掺入水泥、粉煤灰后改性粉细砂主要工程特性的室内外系统的试验研究,提出了不同掺入比例的改性粉细砂主要工程性能指标,以及大面积施工的控制参数和需要改进的问题;通过土工织物加筋粉细砂筑坝的室内外系统的试验研究,解决了土工织物的选型、加筋土坝的设计计算、防渗措施、液化处理以及施工工艺和工效分析等诸多技术问题,为工程的大面积应用提供了可靠依据.石佛寺平原水库改性粉细砂筑坝工程试验在国内尚属首次,国外类似工程也不多见.采用室内试验和现场原型试验,对辽河石佛寺水库库区内掺入水泥后粉细砂的特性进行了研究。试验结果表明,随着水泥掺入量的增加,粉细砂的凝聚力和内摩擦角增大,渗透系数减小。当水泥的掺入量为2%时,抗剪强度指标和渗透系数已明显改善,而且在最不利的情况下满足对渗透变形的要求。粉细砂掺入水泥后,其性能得到了很大改善,用于修筑拦河主坝是完全可行的。高速公路软土地基粉细砂路堤填筑施工工法中铁二十局集团四公司一、前言由中铁二十局四公司承建的湖北省随岳高速公路中段一期土建工程第12合同段，位于湖北省仙桃市境内，属江汉冲击平原区，原长江泛滥致使该平原湖汊发育，原河、陆、湖交叉演变，区内河渠纵横交错，湖塘众多，不断形成以河湖相、湖相为主的软土，局部为河滩冲积与沼泽沉积，由于公路穿越江汉平原湖区，因此软土在本路线内广泛分布，且厚度很大。本合同段的施工起讫里程为k146+390～k152+877，线路总长6.49km；其中路基段施工里程为k150+053～k152+877。整个路基地段均处于软土地段。据此不良地质情况，本路段沿线路基基底广泛采用粉喷桩、塑料排水板、砂垫层等软基处理加固措施，以确保路基整体施工稳定。本段路基填筑数量约50万立方米左右。该段路基最大填土高度为7.2m。原设计路基填土施工全部为5～6%石灰改良土。由于江汉平原湖区发育、地下水位很高，原地面50cm以下即可见水。本公路沿线均为耕地和农田，设计取土场取土深度在1m以下以后均为淤泥质土，无法利用，且表层土（即原地面以下1m范围内）的天然含水量大都在35%以上，虽及时进行掺灰改良但施工周期很长（每层土的施工周期在20天以上），严重制约目标工期，导致软土路基的预压沉降时限也难以保证。为此，同建设指挥部、设计院等相关部门协商后最终确定：将我合同段路基段路堤填筑材料变更设计为路基中部用汉江粉细砂填筑、路基两侧各2米范围内采用6%石灰土包边、路基底层设立50cm厚的6%石灰土隔离层和贯通整个路基断面的50cm厚粉细砂反滤层的联合处理施工方案。在进行粉细砂路堤的试验路段施工后，确立了有关粉细砂和石灰包边土填筑的最大干密度、最佳含水量、最大松铺厚度、压实机械设备组合等相关技术参数。经试验检测，压实度等主要技术指标均能满足设计和相关技术规范要求。成功解决本路段工程施工进度和工程质量难以保证的一系列问题，目前已在施工现场展开大面积施工。相临标段也采取此种施工工艺进行路基填筑施工。经湖北省交通厅、建设指挥部等有关专家在施工现场进行综合鉴定，工程施工质量和施工工艺符合相关规范、规定要求，可以指导今后的类似高等级公路路堤填筑施工。通过施工经总结形成本工法。二、工法特点1、可以充分利用现有的路基通用机械设备进行粉细砂路堤填筑施工，施工工艺成熟、简单、易行，便于现场施工操作。质量检测也可以利用常规检测方法进行，所施工完成的填砂路堤质量较好，路堤压缩变形很小，承载力很高。2、利用粉细砂填筑路堤，可以节省7 大量取土用地，对公路沿线的原设计取土场基本没有开挖利用，路堤包边土在离主线较远的坑塘附近进行取土掺灰拌和，节约了土地资源。3、必须利用公路沿线地表水或采取就地利用地下水的方式在粉细砂填筑精平完成后进行水密灌水，粉细砂在饱和水状态下带水碾压，效果更加理想。三、适用范围本工法适用于高等级公路路堤填筑施工。四、施工工艺（一）工艺原理粉细砂原材料来源于流经本路段的汉江河滩冲积堆积形成粉细砂砂滩，经试验检测为粉土质砂。属于较轻质原材料。压实后重量仅为一般石灰改良土的90%左右，比较适合软土地基填筑。但粉细砂在干燥状态下是一种松散体，基本无粘聚力。使用振动压路机在干燥状态下很难压实，碾压后仍然处于松散状态。但其在注入饱和水后砂体本体强度明显提升，且稳定性很好，水密后及时利用振动压路机进行带水碾压，碾压至无明显痕迹时进行压实度等技术指标检测。由于粉细砂碾压施工前，须注水水密才能进行带水碾压，根据变更设计要求，在填筑之前对软基处理完成后，然后在软基顶面铺筑50cm厚6%石灰土隔离封闭层，待该层土体成型板结有一定强度后，在该石灰土顶面铺筑一层50cm厚粉细砂并贯通整个施工断面，以利于粉细砂在水密后及碾压成型后内部水体的自然排出。在粉细砂及其底部50cm石灰土的高度范围内采用干砌和浆砌片石的处理方式进行防护处理，防止路基边部粉细砂的流失，直接影响其顶面石灰包边土的施工质量和施工安全。粉细砂路堤填筑横断面示意如图1所示。图1粉细砂路堤填筑横断面示意（二）工艺流程（见图2）粉细砂填筑路堤的施工工艺基本与普通填土路堤施工工艺相类似，即也采用“四区段八流程”的施工方法，由于粉细砂遇水饱和后极易流失且必须对底层石灰土隔离层和粉细砂反滤层进行防护的特殊要求，其施工工艺在整平、碾压、填筑等方面基本相同，只是在做底层隔离层、反滤层的防护方面同普通路堤填筑有不同之处；其次，在反滤层以上填筑石灰改良土包边时，必须在包边土填筑碾压完成之后对其里侧的松散部分挂线修整至密实位置，再行填筑粉细砂施工。下图为本项目底层填砂路堤施工工艺流程图，第二层及其以上部分在本工艺流程的基础上进行部分工序简化即可适用。7 底层灰土分两层施工合格包边粘土填筑合格装运粘土注入水粉细砂粉细砂填筑推土机粗平平地机精平压实检验装运粉细砂底层防护第二层填筑合格粉细砂试验检验软基处理施工施工准备清理草皮、表土基底压实土工试验图2粉细砂路堤填筑工艺流程7 （三）施工要点1.原地面基底清理、整平施工前，首先在所要施工路段施测路线中线、边线，并按照设计图纸要求预留30～50cm的一定宽填范围，然后将路基宽度范围内的腐质土、杂草、树根等杂物及原地面以下30cm深度的表土清理出施工现场（此部分废弃土可以作为后期绿化使用）。对于本项目软基路段施工要求，必须在采取粉喷桩、塑料排水板、砂垫层等软基处理加固处理完成后，才能按照设计要求将50cm厚石灰土隔离层分3层填筑至设计标高，用重型振动压路机碾压至规定压实度要求，同时达到2～4%的横坡度要求，以利于粉细砂水密后水体的自然排出。2.铺筑底层粉细砂反滤层待底层隔离层石灰土达到龄期或板结以后，在其顶部重新施测中线和边线按照设计要求铺筑50cm粉细砂贯通整个施工断面，利用推土机初平、平地机精平的方式进行施工，并达到2～4%的横坡度要求，然后对粉细砂注水（注意：在注水的同时利用编织带装粉细砂堆码在粉细砂两侧的临时防流失措施。防止水体将粉细砂冲出路基之外。待顶层石灰包边土碾压合格完成后，解除临时防护措施，进行反滤层的码砌防护施工），使用重型振动压路机碾压至规定要求压实度。3.石灰包边土施工按照已经施测完成的路线边线、中线以及2m包边土内侧线的划定范围，将在取土场已经半和完成的石灰土挖掘机装车、自卸车运输、推土机初平、平地机精平、人工找补的方式进行包边土填筑施工（注意：石灰包边土的宽度除外侧保证30～50cm宽填尺寸外，在其里侧也必须留出30cm的宽填距离，确保包边土内侧设计压实宽度满足2m要求，内侧宽填多余部分在填筑粉细砂之前挂线清除），同时确保石灰包边土和粉细砂结合部的压实度必须相互重叠压实并紧密垂直相接。4.底层粉细砂反滤层边部防护施工根据设计要求，对50cm厚石灰土隔离层及其顶部50cm的粉细砂贯通反滤层边部防护采用50cm*50cm浆砌片石作为防护基础以及同边坡坡度一致的25cm厚的干砌片石进行边部防护（内侧设置200g无纺土工布，以防止砂流出），具体防护结构简图见图一示意。应注意，此项防护工作应尽早安排施工，防止堆码砂袋长时间风化破损后，在后续顶部粉细砂路堤注水施工时，致使砂子流出路基本体之外，影响反滤层滤水效果和顶部包边土施工安全和施工质量。5.粉细砂的运输、摊平和整平粉细砂从汉江内河滩采用挖掘机或装载机进行装车，采用8～12t自卸汽车运输至施工现场（应注意：在粉细砂运到所要施工路段过程中，为有效控制粉细砂填筑数量、摊铺厚度、后场各施工作业面上砂数量和便于成本管理，每车必须进行过磅和回皮称重，也有利于试验室的随时检测和相关含水量、天然容重等参数进行同步校核），运输至所需施工路段的粉细砂，按照试验路段确定的松铺系数和每车粉细砂运输数量计算卸车停放间距，摊铺直接采用大功率推土机进行初平，然后用平地机进行精平，精平过程中应随时检查其顶面标高、平整度、横坡度是否符合要求（特别在路基93、94分区施工时应该更加进行注意控制），以防止在注水过程中局部坑洼处积水严重，在碾压过程中出现软弹现象。粉细砂的初平和精平施工比普通土要容易很多。（必须注意：须严格禁止各类运输车辆在已经铺筑碾压成型完成的粉细砂顶面急刹车或突然调头，以免对下层粉细砂造成扰动和破坏。在对上层运输粉细砂之前，如果需要，对下承层顶面洒水，防止砂层顶面出现陷车现象）6.包边土和粉细砂含水量控制7 石灰包边土的含水量控制按照常规施工检测控制方法进行施工控制，在石灰土混合料的含水量略大于最佳含水量的2～4%左右时进行碾压控制。这里就不再详细赘述，重点对粉细砂的含水量施工控制方面进行阐述。从试验室的相关检测数据显示，汉江粉细砂的天然含水量在6%左右，从击实试验的最大干密度和最佳含水量的关系曲线来看，在粉细砂含水量达到14.6%时，干密度最大，达到1.62g/cm3。干密度和含水量关系曲线图如图3所示。图3粉细砂最大干密度与最佳含水量关系曲线图从现场实际施工情况反映，粉细砂材料自身保水性很差，也就是其泄水速度非常快，但吸水量很大，所以说碾压过程时的最佳含水量控制是非常重要的关键环节，由此考虑在利用周围水源注水的同时，在本项目路基右侧每隔100m距离设置一个深水井抽水配合粉细砂断面注水。考虑其保水性很差的因素影响并结合设计方面要求，在实际施工操作过程中对粉细砂进行饱和水注入水密施工后，然后再使用大吨位重型压路机开始带水施工碾压至规定压实度（碾压结束时，其实际含水量略大于最佳含水量的4～6%），。在压路机带水碾压过程中，粉细砂表层会出现明显的溅水现象，压实很容易达到规定要求，且表层也非常密实。在进行规模粉细砂路堤填筑施工时，应注意以下两个方面问题：（1）在下层粉细砂填筑碾压完成后，再次上砂之前，必要时对下层粉细砂表面洒水，防止顶面受其保水性差和风吹砂化而松散并影响上层的顺利填筑（2）在填砂路堤质量检测方面，受材料保水性很差和表面风吹等因素影响，在已经碾压成型的填砂路堤表面会仍然存在5～10cm左右深度不同的松散层。所以在检测填砂路堤压实度时，设计要求对下层进行检测控制，而表层则不予以检测。如此周而复始循环进行检测7.碾压石灰包边土的碾压控制和普通石灰土控制完全一致，因受包边宽度限制，在碾压过程中应注意碾压到边和压实机械安全控制。现主要将粉细砂碾压控制要点阐述如下：粉细砂的压实度与其松铺厚度、碾压遍数、机械设备组合、材料注水是否饱和、是否在带水状态下碾压、注水均匀性等等各个方面有直接关系。粉细砂的压实度与松铺厚度的关系相辅相成，厚度过大，达不到设计要求；厚度过小，不但浪费机械费用，而且表层也难以压实成型，也达不到规定要求。目前，本项目的试验检测和相关控制标准如下：（1）对填砂路堤的粉细砂机械设备组合，压实机械采用振动压路机进行施工，要求在施工时振动频率要高，激振力不能低于36t（即自重在18t以上即可），吨位越大压实效果越明显。（2）对松铺厚度控制在50cm左右的填砂路堤，在使用自重18t以上压路机进行碾压时采用以下压实组合可达到不同的压实要求：①压实度达到93%时要求：静压1遍+振动4遍+静压1遍②压实度达到94%时要求：静压1遍+振动6遍+静压1遍（3）7 本项目只在路堤以下部位使用粉细砂填筑（94区以下），路床96区仍然采用石灰土和开山毛渣等材料进行施工。8.雨季填砂路堤施工控制雨季来临时，对填砂路堤施工影响不大，但是必须在雨季保持施工便道排水畅通，能做到车辆在雨天的正常通行。同时，还须保持施工作业面的排水畅通，以便在雨后或雨中顺利组织施工。五、机具设备（见表1）机械设备组织按照一个施工作业面配备。表1机具设备序号设备名称规格型号数量（台）备注1推土机T140-122平地机PY160B13压路机YZT1824挖掘机EX22025自卸汽车8～12T40运距10km六、劳动组织（见表2）施工人员配备按照两班作业制进行组织安排。表2劳动组织序号工种人数（名）主要工作内容备注1负责人2施工组织协调2工班长2现场施工组织协调3机械司机14推土机、平地机、压路机、挖掘机司机4汽车司机80自卸汽车司机、运送粉细砂5技术人员2技术指导、旁站6测试人员6测量放样、试验检测7普工16平整包边土、各类人工辅助性工作七、质量控制（1）填砂路堤质量控制项目、频率和控制标准见表3。表3填砂路堤质量控制项目、频率和控制标准序号项目质量标准检测频率检测方法1含水量在允许范围内随时测定烘箱法2外观无明显轮迹，无软弹、湿软现象发生全面随时观察3填筑厚度符合规定挖坑检查4压实度符合规定每200m检查4处灌砂或水袋法5包边土宽度不小于设计每200m检查2处尺量（2）填砂路堤检验实测项目控制要求见表4。表4填砂路堤检验实测项目控制要求序号实测项目规定植或允许偏差检测频率检验仪器和方法1压实度（%）符合规定要求每200m4处灌砂法（水袋法）2弯沉值（0.01mm）符合设计要求按JTGF80/1-2004P附录1检查3纵断高程（mm）+10，-15每200m4断面水准仪4中线偏位（mm）50mm每200m4处经纬仪7 5宽度（mm）不小于设计每200m4处尺量6平整度（mm）15mm每200m2处×10尺3m直尺7横坡（%）±0.3每200m4断面水准仪8边坡（%）不陡于设计每200m4处尺量八、安全措施（1）必须采取行之有效的施工手段和防护措施，对粉细砂摊铺完成后要及时注水，防止造成沙尘飞扬对当地环境造成污染。（2）对已经施工完成到94顶的填砂路堤施工区段应尽快安排96区路床石灰土封顶层施工，以免长期受风雨侵蚀，确保填砂路堤整体施工质量和施工安全。九、效益分析对本项目来讲，采用填砂路堤施工取代普通路基石灰改良土施工，不仅从施工进度上可以保证总体工期需要，也在一定程度上产生了一定的经济效益，而且在取土费用、征地费用、青苗补偿费用等有关费用可以大大降低和减少，经济效益相当可观。采用填砂路堤施工取代普通路基石灰改良土施工，对当地还可以节约部分土地资源，保护日益减少的基本农田和耕地不受人为破坏，本项目预计可节约1000亩左右耕地。同时，对汉江部分河床也进行了清理，对汉江流域的防洪灌溉都起到了一定的积极作用。十、工程实例在湖北省荆东高速公路（太澳高速公路湖北段）采用了吹、填砂路堤施工，工程施工质量得到湖北省交通厅质监站的一直肯定和好评，取得了显著的经济效益和社会效益。执笔：胡学院7