郭志玉，張 榮，鄭博文，南 凱，李 莎

(1.中鐵十二局集團四公司，陜西 西安 710000；2.重慶交通大學(xué) 水工建筑物健康診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶 400074)

隨著中國高速公路基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，公路建設(shè)的重點開始向西部山區(qū)延伸，沿線地形已經(jīng)從平原微丘區(qū)向山嶺重丘區(qū)轉(zhuǎn)變，途徑地區(qū)軟巖分布范圍較廣泛，路基填筑填料大多以風化軟巖為主。鄭明新等[1]、劉新喜等[2]、但漢成等[3]在分析風化軟巖基本礦物成分、耐崩解性的基礎(chǔ)上，結(jié)合風化巖塊力學(xué)強度和擊實試驗結(jié)果，初步判定了軟巖填筑路基的可行性。

高填路堤填筑施工前必須對填料的工程特性進行研究，主要包括擊實特性、承載比特性、壓縮特性、抗剪強度特性以及沉降特性和穩(wěn)定性等。劉新喜等[2]對強風化軟巖路基填筑開展了研究，說明全風化軟巖填料具有良好的壓實性能,可用于高等級公路路基填筑。卿啟湘等[4]采用室內(nèi)模型試驗對軟巖擊實填料強度和剛度進行了探究。胡萍等[5]對石灰和水泥改良土強度形成機理進行分析,開展軟巖改良土大量的室內(nèi)實驗研究,從化學(xué)改良方面研究軟巖填料的特性。伍賢熙等[6]、杜江等[7]研究了改良花崗巖的路用性能，并確定生石灰和纖維的最佳摻配比。賈科敏等[8]通過室內(nèi)擊實和承載比試驗，提出垃圾土顆粒級配對抗剪強度有較大的影響。鞠興華等[9]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗等方法對泥質(zhì)軟巖填料工程特性進行研究，提出水和擊實功對填料級配變化影響較大。馬捷等[10-11]分析了不同粗顆粒含量灰?guī)r料的壓縮特性和抗剪強度特性。付宏淵等[12]基于飽和-非飽和滲流及穩(wěn)定性分析基本理論，提出了降雨條件下多因素變化情況下的路堤動態(tài)穩(wěn)定性分析。李新旺等[13]、馮忠居等[14]采用灰色關(guān)聯(lián)法對影響高填路堤邊坡穩(wěn)定性的因素進行了探索。

依托工程沿線修建山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，路基填筑就地取材。該路基填料主要為泥質(zhì)砂巖和粉砂巖，且風化程度高，強度較低，抗變形能力差[15]，給路基填筑帶來一定困難。由于全風化泥質(zhì)砂巖作為軟巖的特殊性，不同風化程度以及工程水文地質(zhì)條件下各性能差異性較大，且工后沉降量較大。因此本文借鑒已有的研究方法，針對某高速公路沿線全風化泥質(zhì)砂巖填料開展室內(nèi)試驗以及數(shù)值模擬，研究不同壓實度全風化軟巖的承載比特性和壓縮特性，并對特殊路段全風化軟巖高填路堤進行沉降性和穩(wěn)定性研究，為其路堤填筑施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

四川德遂高速位于四川盆地中部的四川低山丘陵區(qū)，龍泉山脈以東，地勢總體上為西北高，東南低。選取全風化泥質(zhì)砂巖高填路堤地段位于景福鎮(zhèn)，該地項目區(qū)屬季風付熱帶氣候，平均在1 000 mm左右，只是在季節(jié)上分配不均，干濕季分明。 根據(jù)勘察鉆探，該地區(qū)出露地層為侏羅系，上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3P)，地層巖性主要為紫紅、黃灰色厚層塊狀細長石砂巖、巖屑長石砂巖，夾紫紅色黏土巖，粉砂巖、泥巖以及泥質(zhì)砂巖，上部遭受風化剝蝕。地層較平緩，地層傾角小于10°。巖層走向為，北東一南西向，巖層穩(wěn)定。巖層主要發(fā)育有2組共軛的X型節(jié)理裂隙，裂隙傾角近垂直，裂隙密度一般2～3 m/條，受基巖垂直節(jié)理影響，出露基巖段邊坡多陡峭，偶有崩塌掉塊現(xiàn)象。在路堤填筑時對全風化泥質(zhì)砂巖填料對進行強夯處理，每隔2 m進行沖擊碾壓。

2 工程特性

2.1 全風化軟巖填料的基本性質(zhì)

試驗土料來自德遂高速TJ4標段，所取全風化軟巖填料均為爆破后所留，顏色呈暗紅色，與土壤顏色相似，含有泥質(zhì)膠結(jié)物。磨圓度較高，形狀呈長扁球體。其液限約為30%，塑限約為16%。用振篩機篩分土樣，將現(xiàn)場土料依次通過60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的篩孔，測試級配曲線如d1(圖1)，其含石量約為25%。但由于試驗儀器限制，且使用等量替代法所得強度較為接近實際值，因此將測得級配使用等量替代法換算級配曲線見d2。通過室內(nèi)重型擊實試驗測得該土體的最大干密度為1.93 g/cm3，最優(yōu)含水率為10.5%。

圖1 級配曲線

2.2 承載比特性

CBR值是路堤重要的強度評價參數(shù)，其大小反映了土體的局部抗剪強度和水穩(wěn)定性。研究路段全風化軟巖填料具有強度低，抗變形能力差的特點，在降雨等不利環(huán)境下可能會發(fā)生翻泥冒漿和失穩(wěn)變形等危害。

根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》[15]對高速公路路堤填料的壓實度做出規(guī)定：路床大于等于96%，上路堤大于等于94%，下路堤大于等于93%。CBR值的規(guī)定如下:上路床大于等于8，下路床大于等于5，上路堤大于等于4，下路堤大于等于3。為了對全風化軟巖填料的CBR值進行研究，對制作不同壓實度分別為96%、94%、93%的土樣，含水率為各自最優(yōu)含水率，每種壓實度制備2個平行樣。將試筒放在帶調(diào)節(jié)桿的多功能板上面通過拉桿擰緊模具，將載荷板放入試筒中，整體模具放入水槽中并安裝百分表。在水槽中注水使水面高度高于頂部25 mm，通常使試樣浸泡4晝夜來模擬路堤浸水的最不利條件，并用萬能試驗儀進行貫入試驗(圖2)。

a)試樣浸水

通過測定千分表的變化量，得到全風化軟巖填料的膨脹率見圖3。可以看出3種壓實度的全風化泥質(zhì)軟巖的膨脹率在1.29%～1.87%。在長期飽水作用下填料有一定的膨脹量，但其不屬于膨脹土范圍。填料壓實度越大，膨脹率越小，其原因是當壓實度較大時，土樣孔隙比較小則水與土顆粒接觸面積較小，從而吸水量小，從而吸水膨脹率小。

圖3 膨脹率

通過貫入試驗得到土樣的CBR結(jié)果見圖4。可以看出試樣的荷載-位移曲線都呈上凸狀，貫入初期曲線平緩，壓實度越大時初期斜率越平緩，隨著貫入量增大，曲線斜率越大。在貫入初始階段，土樣產(chǎn)生彈性變形，貫入相同的位移條件下，土體愈密實則需愈大的單位壓力。隨著貫入位移的改變，土體產(chǎn)生局部剪切破壞，發(fā)生相同的貫入位移只需增大較小的單位荷載，因此斜率變大。

圖4 不同壓實度土體荷載-位移曲線

全風化軟巖填料的CBR值見表1，每種壓實度取較大值為其實際CBR值。壓實度為96%時，CBR值為8.71；壓實度為94%時，CBR值為4.69；壓實度為93%時，CBR值為3.63，可以看出壓實度越大則CBR值越大。3種壓實度的全風化軟巖填料CBR值都滿足承載比要求，可以用作路堤填料，提高壓實度能提高路基強度。

表1 不同壓實度土體的CBR值

2.3 壓縮特性

全風化軟巖填料的壓縮特性是影響路基沉降的重要因素。依托工程為高填方路堤，路堤中部土體處于側(cè)限狀態(tài)，故有必要對其側(cè)限壓縮特性進行研究。采用單向壓縮儀，試樣高度為100 mm，直徑為150 mm，試驗過程見圖5。通過添加砝碼對其進行荷載施加，應(yīng)力路徑為0—50 kPa—100 kPa—200 kPa—300 kPa—400 kPa—600 kPa—800 kPa。每隔一段時間對其進行讀數(shù)，當沉降量低于0.01 mm/h時，視為變形穩(wěn)定，方可添加下一級荷載至結(jié)束試驗。濕化變形試驗采用單線法，待試樣在800 kPa的荷載下沉降穩(wěn)定后，由底座的小孔向試樣內(nèi)緩慢注水，濕化時間至少為48 h，當最后一小時沉降量低于0.01 mm/h時可結(jié)束試驗。

圖5 壓縮試驗

根據(jù)土樣沉降量得到土體壓縮模量結(jié)果見圖6，壓縮模量體現(xiàn)了土體在完全側(cè)限的條件下抵抗變形的能力。隨著上部荷載的增大，土體的壓縮模量也不斷增大；在相同的豎向荷載下，壓實度越大則壓縮模量越大。

圖6 不同壓實度土體壓縮模量曲線

在壓縮過程，土體克服自身黏聚力和內(nèi)摩擦力排出空氣，土顆粒之間發(fā)生相對位移并進行壓實和填充，使得土體的孔隙比不斷減小，密度不斷增大，因此壓縮模量逐漸增大。壓縮初期土體內(nèi)部的孔隙較大，施加較小的壓力就會產(chǎn)生較大的豎向變形，土體處于彈性變形階段，因此加載初期壓縮模量曲線斜率較小。隨著上部荷載的增大，土體處于彈塑性變形階段，土體受到擠壓更加密實，施加相同的壓力只能發(fā)生較小的形變，因此孔隙比的變化率越來越小，壓縮模量的增長越來越平緩。壓實度較大的土體在加載初期斜率越大，是因為其孔隙比較小，產(chǎn)生相同的變形則需要更大的壓力，因此斜率較大。可見壓實系數(shù)對于全風化軟巖填料的壓縮特性產(chǎn)生了較大的影響，提高壓實度對于降低路基沉降具有重要意義。

圖7為不同壓實度軟巖濕化變形量，可以得出軟巖填料飽水后會產(chǎn)生一定的沉降量。濕化變形率指的是在同級應(yīng)力作用下，浸水前后試樣的變形量差值與試樣初始高度的比值，3種壓實度對應(yīng)的濕化變形率為2.03%、3.24%、3.86%?？梢婋S著壓實度的增加，填料的濕化變形率越小。當壓實度達到93%時，浸水飽和后試樣的濕化變形率總體不高。

為了便于比較，采用壓力間隔為100～200 kPa時對應(yīng)的壓縮系數(shù)來評價土的壓縮性。當壓實度為96%和94%時，壓縮系數(shù)分別為0.066、0.080，土體為低壓縮性土；當壓實度為93%時，壓縮系數(shù)為0.100，土體屬于中壓縮性土。

圖7 不同壓實度軟巖濕化變形量

3 沉降特性分析

在高填方全風化軟巖路基填筑過程中，對其土體強度和穩(wěn)定性有一定要求，特別是其填料風化程度較高，強度較低，施工后容易產(chǎn)生變形和不均勻沉降。填料壓實度和含石量是高填路堤沉降量的重要要影響因素，采用上述試驗以及地勘報告為依據(jù)，利用MIDAS gtsnx對特殊高填路堤斷面進行沉降變形研究。

3.1 數(shù)值模型

特殊地段高填路基路基寬度為26 m，高度為20 m，采用臺階式邊坡填筑每隔約8 m設(shè)置臺階，臺階寬度為2 m。邊坡坡率為(1∶2)～(1.0∶1.5)，數(shù)值模型見圖8。地基參數(shù)見表2。

圖8 數(shù)值模型

表2 地基參數(shù)

各層土體均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，褥墊層和CFG樁采用彈性模型。正常工況添加重力荷載，邊界側(cè)向?qū)M行x、y向約束，底面對其進行x、y、z向約束，施工階段定義為應(yīng)力。施工過程中對軟土地基進行地應(yīng)力平衡，路堤采用分層填筑的方式進行施工模擬。

3.2 壓實度對高填軟巖路堤沉降特性的影響

為研究壓實度對高填軟巖路堤沉降特性的影響，取含石量為25%，不同壓實度下高填路堤填料的材料參數(shù)見表3，其余材料參數(shù)見表2，建立數(shù)值模型對路堤沉降量受填料壓實度的影響進行研究。

表3 材料參數(shù)

不同壓實度條件下路堤沿中心線沉降特性見圖9，隨著路堤深度的增加，路堤的沉降量也增加，最大沉降出現(xiàn)在路堤中下部位；由于路堤底部褥墊層模彈性模量較大，因此隨著路堤深度的增加，沉降量逐漸減小。壓實度為98%、96%、94%、92%下路堤的最大沉降分別為10.24、10.45、10.87、11.12 cm，可見隨著壓實度越大，路堤工后沉降越小，但沉降量差距不大。因此壓實度對路堤沉降量的影響較小，依靠提高壓實度來減小路堤沉降的施工工藝不是很經(jīng)濟，實際施工過程中要依據(jù)填料參數(shù)選擇合理經(jīng)濟的壓實度。

圖9 不同壓實度的路堤沉降量

3.3 含石量對高填軟巖路堤沉降特性的影響

為研究含石量對高填軟巖路堤沉降特性的影響，模擬工況為4種不同含石量軟巖填料路堤的沉降，取壓實度為96%，含石量分別為10%、25%、55%，其參數(shù)見表4。

表4 不同含石量材料參數(shù)

不同含石量條件下路堤沿中心線沉降特性見圖10，隨著路堤深度的增加，下部路堤受到的荷載越來越大，因此沉降量越來越大，而底部地基的剛度大于上部路堤，因此沉降最大值發(fā)生在路堤高約1/3處，而并非發(fā)生在路堤底部，路堤的沉降量隨著深度的增加而呈先增大后減小的趨勢。含石量為85%、55%、25%、5%時下路堤的最大沉降分別為11.18、10.21、10.45、12.32 cm，可以看出軟巖填料含石量對路堤沉降特性有一定影響，沉降量隨含石量的增加呈先減小后增大的趨勢。隨著含石量的增加，粗顆粒發(fā)揮骨架作用越明顯，細顆粒起到填充孔隙作用，土石混合軟巖填料的結(jié)構(gòu)形式由懸浮-密實結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?密實結(jié)構(gòu)，填料的密實度增大，抵抗變形的能力變強，工后沉降減小。隨著含石量的繼續(xù)增大，細顆粒無法完全填充粗顆粒之間的間隙，導(dǎo)致密實度下降，因此沉降量增大。在路基填筑時，應(yīng)當選擇含石量為55%左右的軟巖填料進行填筑。

圖10 不同含石量的路堤沉降量

4 結(jié)論

a)壓實度為96%、94%、93%全風化泥質(zhì)軟巖的膨脹率在1.29%～1.87%，不屬于膨脹土范疇。壓實度越大則CBR值越大，且壓實度為96%、94%、93%的全風化軟巖填料均滿足路堤承載比要求，可以用作路堤填料。

b)壓實度越大則壓縮模量越大，在壓縮初期壓縮模量曲線斜率較大，壓縮后期壓縮模量隨豎向應(yīng)力的增大而緩慢增加。3種壓實度對應(yīng)的濕化變形率為2.03%、3.24%、3.86%，濕化變形率較低。壓實度為96%和94%的土樣為低壓縮性土，壓實度為93%的土樣為中壓縮性土。

c)隨著路堤深度的增加，軟巖高填路堤沉降呈先增大后減小的趨勢，且最大沉降發(fā)生在路堤高1/3處。路堤填料壓實度越大則沉降量越小，但沉降量在數(shù)值上差距不大，因此依靠提高壓實度來減小沉降量不夠經(jīng)濟。

d)隨著軟巖高填路堤含石量的增加，路堤的沉降量先減小后增大。含石量為55%時，路堤沉降量達到最小，因此選取含石量為55%的軟巖進行路堤填筑。