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        強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果評價

        2022-05-11 08:56:58張寶華王吉平韓云飛馬洪旭李永靖文成章
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年13期

        張寶華 王吉平 韓云飛 馬洪旭 劉 聰 李永靖* 文成章

        (1、中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102601 2、遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧 阜新 123000)

        高速公路修建過程中,不可避免的經(jīng)過級配差、水穩(wěn)性差等劣質(zhì)填料區(qū)域[1-2]。強(qiáng)風(fēng)化云母片巖區(qū)域便極具代表性,其強(qiáng)度低、壓實(shí)困難,填筑的路基存在極大的安全隱患,嚴(yán)重影響道路的使用壽命,公路服務(wù)水平大大降低,不均勻沉降引發(fā)頻繁的交通事故,造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。在保證工程質(zhì)量安全的前提下,路堤填筑充分利用現(xiàn)場巖土資源,減少遠(yuǎn)程借土,從而優(yōu)化施工成本和工期,需解決強(qiáng)風(fēng)化云母片巖的路基填筑施工困難問題。

        國內(nèi)眾多學(xué)者對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖特性開展了一些深入研究。趙學(xué)忠[3]發(fā)現(xiàn)絹云母微晶片巖風(fēng)化料中還存有大量未風(fēng)化粗顆粒,驗(yàn)證了其可以作為水庫筑壩材料的可行性。魏遠(yuǎn)等[4]利用水泥改善石英云母片巖,將其用于填筑路基,但成本較高。洪巖[5]通過增加碾壓次數(shù)并嚴(yán)格控制含水率,成功利用風(fēng)化云母片巖填筑路基,但必須采用設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化云母片巖碾壓為前提。還有一些研究成果是針對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖的物理力學(xué)性質(zhì)展開的深入研究,但并未實(shí)際應(yīng)用于路基填筑工程。本文以栆潛高速公路強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑為工程背景,綜合采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場檢測及模型預(yù)測等手段,研究強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工后穩(wěn)定性,以期為強(qiáng)風(fēng)化云母片巖以及類似劣質(zhì)填料路基填筑施工提供借鑒和指導(dǎo)。

        1 工程概況

        棗潛高速公路襄陽北段建設(shè)項(xiàng)目中,沿線分布大量強(qiáng)風(fēng)化云母片巖,大量借方、取土、棄土不符合環(huán)保及地方政策要求,路塹棄方難以找到合適的棄土場,而利用強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填筑路基也面臨成型困難、無法碾壓等施工難題。基于環(huán)境保護(hù)和節(jié)約成本的需要,對現(xiàn)有強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路堤填料進(jìn)行合理利用勢在必行。

        1.1 強(qiáng)風(fēng)化云母片巖物理性質(zhì)

        強(qiáng)風(fēng)化云母片巖強(qiáng)度低,手可掰碎,遇水無強(qiáng)度,壓實(shí)困難。干燥狀態(tài)下,壓路機(jī)碾壓后呈粉末狀,表面一層浮灰,現(xiàn)場強(qiáng)風(fēng)化片巖及碾壓效果如圖1 所示。

        圖1 現(xiàn)場強(qiáng)風(fēng)化片巖及碾壓效果

        經(jīng)顆粒試驗(yàn)分析結(jié)果表明,強(qiáng)風(fēng)化云母片巖粒徑超過90%集中在2mm 以下,且小于0.075mm 粒徑占比75%,級配極差。經(jīng)試驗(yàn)室檢測,強(qiáng)風(fēng)化云母片巖CBR 強(qiáng)度小于3,即便是作為路床以下路基填料仍不滿足要求。

        1.2 強(qiáng)風(fēng)化云母片巖成分

        對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖進(jìn)行礦物質(zhì)分析,土體中蒙脫石和白云母含量均較高,對填料的CBR 強(qiáng)度、脹縮性具有較大的影響。土的固體顆粒含有的礦物成分主要有原生礦物、次生礦物兩類,原生礦物常見的主要有石英、長石、云母,次生礦物常見的有蒙脫石、伊利石、高嶺石。其中蒙脫石顆粒細(xì)微,具有顯著的吸水膨脹、失水收縮特征,親水能力強(qiáng),伊利石特征介于高嶺石與蒙脫石之間。白云母為層狀構(gòu)造硅酸鹽,晶體呈假六方片狀,集合體片狀或鱗片狀,云母含量高時,巖石易于劈開,降低了巖石的強(qiáng)度和耐久性。

        2 路基結(jié)構(gòu)層現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)化

        在施工現(xiàn)場試驗(yàn)段設(shè)計(jì)了4 種強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基結(jié)構(gòu)填筑方案,如圖2 所示。具體如下:方案一,將強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填料直接用于下路堤填筑;方案二,將強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填料進(jìn)行部分摻灰改良,路堤填筑采用“三夾一”方式(三層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖夾一層石灰改良云母片巖,每層25cm)作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行填筑;方案三,路基清表后采用50cm 開山石渣鋪底,路堤填筑采用“三夾一”方式(三層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖夾一層開山石渣,每層25cm)作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行填筑;方案四,將強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填料進(jìn)行全斷面摻灰改良處理,分層用于路堤填筑。

        圖2 路基填筑結(jié)構(gòu)方案

        對比四種試驗(yàn)方案的現(xiàn)場壓實(shí)效果,如圖3 所示。方案一“直接填筑”、方案二“三夾一摻灰處治”及方案四“全斷面摻灰處治”試驗(yàn)段均存在壓路機(jī)行駛困難、輪胎車轍嚴(yán)重、填料難以壓實(shí)、石灰與云母片巖不粘結(jié)、呈松散狀等問題,均不滿足路基填筑壓實(shí)度要求。

        圖3 路基填筑現(xiàn)場試驗(yàn)壓實(shí)過程

        其中,方案三“三夾一開山石渣”填筑方案在試驗(yàn)過程中相對其他三種方案車轍較輕且路基穩(wěn)定性較好,說明開山石渣能夠承擔(dān)輪載集中作用,將填筑方案三進(jìn)一步優(yōu)化,在原石渣基礎(chǔ)上再補(bǔ)充一層石渣,形成“三夾二開山石渣”路基填筑形式,如圖4 所示,即:清表后填筑75cm 開山石渣封底,再填筑三層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖(3×25cm)及兩層開山石渣(2×25cm),作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行下路堤填筑?,F(xiàn)場試驗(yàn)表明,采用“三夾二開山石渣”新型路基結(jié)構(gòu),碾壓機(jī)械可以實(shí)現(xiàn)路基的碾壓作業(yè),壓實(shí)度及CBR 均滿足要求,但需對該新型路基結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步分析和評價。

        圖4 優(yōu)化后的新型路基填筑結(jié)構(gòu)

        3 石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖路基工后沉降預(yù)測

        為進(jìn)一步分析石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖路基填筑的長期穩(wěn)定性,在棗潛高速公路K30+410-K30+660 標(biāo)段地基及路基土體內(nèi)預(yù)制沉降杯,開展長達(dá)半年的路基填筑試驗(yàn),測取沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),對工后沉降進(jìn)行預(yù)測分析。通過建立灰色理論GM(1,1)模型[6],利用最小二乘原理生成等時距序列,然后再利用拉格朗日插值法生成等時距沉降值。對于自變量可以為非等時空距。設(shè)

        采用GM(1,1)模型與傳統(tǒng)的泊松曲線法及GM 連續(xù)模型對石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖填筑路基及地基沉降進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果如圖5 所示。各個預(yù)測模型在150d 后沉降值增幅減小,對比可見GM(1,1)模型和泊松比曲線值模型更為接近監(jiān)測值。監(jiān)測值達(dá)到190d 后,發(fā)現(xiàn)建立的GM(1,1)模型預(yù)測路基填筑沉降為16.50mm,與沉降監(jiān)測值16.47最為接近,相對于其他模型預(yù)測精度更高。當(dāng)路基填筑達(dá)到398d 后GM (1,1) 模型預(yù)測,沉降值基本穩(wěn)定在16.70mm,沉降趨于穩(wěn)定,表明路基土體沉降基本完成。綜上所述,石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖路基工后沉降較小,滿足棗潛高速公路工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

        圖5 預(yù)測結(jié)果對比

        4 結(jié)論

        4.1 通過級配分析、CBR 試驗(yàn)測試和化學(xué)組分分析,結(jié)果表明原狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖級配差、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,不能直接用于路基填筑。

        4.2 經(jīng)過施工現(xiàn)場試驗(yàn)段對初步確定的4 種路堤填筑方案進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn),最終確定“三夾二開山石渣”新型路基結(jié)構(gòu)層,將其作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行下路堤填筑,現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑。

        4.3 通過實(shí)際路基試驗(yàn)段監(jiān)測以及建立的灰色理論GM(1,1)模型預(yù)測表明,改良后云母片巖路基沉降符合棗潛高速控制要求。

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