賈智宏

填石路堤在施工完成后,隨著時(shí)間的推移與汽車重復(fù)荷載的作用,常常出現(xiàn)整體下沉和局部下沉,引起下沉的原因主要有以下幾個(gè)方面[1,2]:路堤填料方面和工程地質(zhì)方面等等。本文主要結(jié)合國內(nèi)外填石路堤的沉降資料從這幾個(gè)方面來探討填石路堤的沉降原因。

1 填石料的工程特性

1.1 填石料的類別劃分

對于石料,從不同的角度可將其分為很多種類,例如按地質(zhì)年代分類可分為第三紀(jì)砂卵石、礫石土等;按成因可分為冰積土石料、沖積土石料等;按顆粒形狀可分為網(wǎng)礫石、角礫石等;按新鮮、軟硬程度可分為風(fēng)化石渣料、堅(jiān)硬堆石料等,由此可見,不同的分類所側(cè)重的工程性質(zhì)是不同的。

填石路基中的填料按照粒徑及顆粒特征應(yīng)屬于純巨粒土,而我國現(xiàn)行規(guī)程中粗粒土的分類多是限于dmax不超過60 mm,粒徑范圍為0.075 mm～60 mm的材料,雖然將粒徑大于60 mm的材料命名為巨粒土,但其分類過于籠統(tǒng),沒有根據(jù)其最大粒徑、粒徑組成、細(xì)粒含量等指標(biāo)再繼續(xù)細(xì)分、命名。而當(dāng)前實(shí)際工程中的路基填料如碎石、石渣、土夾石等,其粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60 mm,且顆粒含量較大。所以說,目前的分類標(biāo)準(zhǔn)不能為實(shí)際工程需要提供合理、有效的技術(shù)指導(dǎo)。

針對路堤施工類型作出如下的分類:1)石料中粒徑大于60 mm的顆粒含量為 T≥50%且粒徑小于0.074 mm的顆粒含量小于10%時(shí),則可按填石路堤施工工藝施工。2)石料中粒徑大于60 mm的顆粒含量為30%＜T＜50%且粒徑小于0.074 mm的顆粒含量大于10%時(shí),則應(yīng)按土石混填路堤施工工藝施工。3)石料中粒徑大于60 mm的顆粒含量 T≤30%時(shí),則可按填土路堤施工工藝施工。

1.2 填石料的密度

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)填石料在最佳級配范圍時(shí),其最大干密度可達(dá)到較大值;2)但在相當(dāng)大的級配范圍內(nèi),填石料的最大干密度仍能達(dá)到一個(gè)較高水平。這說明填石路堤填料的級配范圍可不加以嚴(yán)格控制。

1.3 填石料的變形

土石混合填料和填石料在遇水時(shí)都會(huì)發(fā)生濕化變形,即使在其受到荷載不變時(shí)也是如此。一般,填石料強(qiáng)度越高、填石料的成型密度越大,其濕化變形越小。和普通土類填料相比,填石料有以下特點(diǎn):1)填石料密度大,按90%壓實(shí)度考慮,填石路堤的密實(shí)較土質(zhì)填料增大10%～20%。2)填石料壓縮性小,即使在同等干密度的情況下,填石路堤壓縮變形仍小于填土,和普通填土料相比,其壓縮模量可增大3倍～5倍。3)填石料固結(jié)速度快,在填石料的大型壓縮試驗(yàn)中,幾乎無法測出固結(jié)系數(shù),這表明填石料的自身壓縮對路面修筑基本沒有影響。這對路堤修筑是有利的。4)良好的、壓實(shí)的軟質(zhì)填料,其壓縮性與普通填料相比,壓縮模量可增大1倍～3倍。固結(jié)系數(shù)約大于普通填料。

1.4 填石路堤的自身變形分析

對于10 m～30 m的填石路堤,其自身壓縮量在填方高度的1%以內(nèi),并且在施工期能完成絕大部分自身壓縮量,在營運(yùn)期其自身壓縮量在填筑高度的0.03%～0.2%之間。也就是說,30 m高的填石路堤,在營運(yùn)期其自身壓縮量小于5 cm。因此可以認(rèn)為,對于達(dá)到要求密實(shí)度的填石路堤,其自身壓縮量可以忽略不計(jì)。

1.5 填石料的長期性能

經(jīng)過長期的工程實(shí)踐,填石料的長期性能主要表現(xiàn)在:1)填石料的長期性能的穩(wěn)定性與巖石的成型密度和巖石的強(qiáng)度有密切關(guān)系。2)填石料受到水的侵蝕是后期產(chǎn)生較大變形的主要原因,填石路堤在經(jīng)過1個(gè)～2個(gè)雨季后再鋪筑路面,會(huì)大大減少路堤的沉降變形量。3)填石料的長期變形過程與細(xì)粒填料明顯不同,細(xì)粒填料的長期變形是一個(gè)較為均勻的過程,在總變形量中,其飽水前的變形量占總變形量的80%,在其后的濕化變形中,其沉降量反而不是很大,這說明細(xì)粒填料不易產(chǎn)生急劇變形,這對路面結(jié)構(gòu)無疑是有利的;而填石料在未遭受雨水侵蝕前沉降量變形較小,占總量50%以下,在遇水侵蝕后,短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的變形,這種突變式的變形規(guī)律對路面結(jié)構(gòu)不利。4)填石料壓實(shí)到一定程度后,其綜合長期性能優(yōu)于土質(zhì)路堤。5)對于堅(jiān)硬石料不宜采用較低密度來修筑路堤,因?yàn)閹r石長期接觸空氣容易風(fēng)化。

2 工程地質(zhì)對填石路堤沉降的影響

2.1 地基中存在軟弱土層或巖溶

在一些地表水和地下水自然排泄困難的地方,地基土中軟弱土層固結(jié)過程中的較大沉降變形是產(chǎn)生過大沉降和沉降差的重要原因。有些路段所處地基不屬于軟土地基,但處于低洼、河谷處,長期受水沖蝕,天然含水量較高,在設(shè)計(jì)時(shí)未發(fā)現(xiàn)或未作特殊處理,在施工時(shí)也未作等載或超載預(yù)壓,也會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。在碳酸鹽巖地區(qū),路基下有時(shí)分布有巖溶洼地或漏斗,其中的沉積物松軟,在行車動(dòng)載的作用下,沉積物壓實(shí),側(cè)向流動(dòng)和下陷,造成路基沉陷。

2.2 地下水對路堤不均勻沉陷的影響分析

路堤不均勻沉降的發(fā)生是多種因素綜合作用的結(jié)果。其中,內(nèi)因在于路堤及地基本身,外因是車載、地下水及自重作用。在地下水的交替作用下,路堤填石料內(nèi)含水量反復(fù)變化。

路堤及其地基中的地下水主要補(bǔ)給來源有三種類型,即地下水側(cè)向補(bǔ)給、降雨補(bǔ)給、地表水側(cè)向補(bǔ)給。其動(dòng)態(tài)變化及侵蝕作用影響到填料中的有效應(yīng)力分布、填料的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度,從而導(dǎo)致路堤的不均勻沉降。此外,由于路基為條形,軟土層中附加應(yīng)力的分布沿水平向是不同的,會(huì)破壞軟土層原有水平方向的平衡。所以,軟土層在發(fā)生豎向沉降的同時(shí),也會(huì)在水平方向上產(chǎn)生側(cè)向塑流變形。

滲透固結(jié)沉降完成后,超孔隙水壓力基本消散,但是粘粒之間并沒有達(dá)到平衡狀態(tài),這種粘粒之間為平衡而進(jìn)行的調(diào)整,稱為次固結(jié)沉降。填方路堤及其地基中高于地下常水位部分,其中的地下水主要來自降雨補(bǔ)給,其中的含水量變化于飽和與非飽和狀態(tài),處于非飽和狀態(tài)的時(shí)間一般多于處于飽和狀態(tài)的時(shí)間。當(dāng)然,受到氣候條件(干旱、半干旱、潮濕)的影響,其中含水量變化的速率不同。在含水量變化的過程中,填料中的有效應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化。研究表明,路堤中含水量變化,其中的有效應(yīng)力相應(yīng)改變,同時(shí)填石料容重也會(huì)發(fā)生變化。這樣的變化是經(jīng)常的、反復(fù)的,它的交替作用引起填石料的沉降變形。

3 結(jié)語

從填石料的類別、填石料的密度、填石料的變形、填石路堤的變形和填石料的長期性能五方面來研究填石料的工程特性對沉降的影響,認(rèn)為填石料的最大粒徑、壓實(shí)度、長期性能是影響填石路堤沉降的主要因素。就工程地質(zhì)條件而言,地基土中軟弱土層固結(jié)過程中的較大沉降變形是產(chǎn)生過大沉降和沉降差的重要原因:路堤中含水量變化,其中的有效應(yīng)力相應(yīng)改變,同時(shí)填石料容重也會(huì)發(fā)生變化。這樣的變化是經(jīng)常的、反復(fù)的,它的交替作用引起填石料的沉降變形。

[1] 趙明華,吳建寧,陳昌富,等.基于龔帕斯生長曲線的高填石路堤沉降規(guī)律分析[J].中國巖溶,2005,24(2):17-18.

[2] 曹喜仁,鐘守濱,淤永和,等.高填石路堤工后沉降分析及工程算法探討[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,29(6):71-72.

[3] 荊林立,楊彥奇.路堤沉降因素的有限元數(shù)值模擬[J].山西建筑,2008,34(8):282-283.