馬定樂

(廣東交通實業(yè)投資有限公司,廣東 廣州 514000)

路基彎沉值是指在荷載作用下的變形值,表明在規(guī)定的荷載下測得路基垂直方向的彈性變形量,是評價土質(zhì)路基強度的主要技術(shù)指標(biāo)。花崗巖殘積土廣泛分布于東南沿海地區(qū),具有遇水軟化、易擾動、強度變異性大等工程特性,在工程建設(shè)中易造成路基積水軟化、沉降變形大及強度急劇降低等問題,導(dǎo)致路基局部的彎沉達(dá)不到要求,無法直接作為路基的持力層。針對這一問題,目前主要采用開挖換填、改良土及換土加鋪土工格柵法等方式進(jìn)行處治[1-5],其中開挖換填法是一種較為簡易,也是采用最多的方法。開挖換填施工需要將一定深度軟弱層挖除,分層回填砂土、石渣等強度較大的材料,并碾壓密實。然而在實際現(xiàn)場施工過程中,對于換填材料及換填深度都難以控制,時常造成工程浪費或二次換填等。因此,針對花崗巖殘積土路基換填材料選擇與換填深度的相關(guān)研究對于沿海地區(qū)路基建設(shè)具有重要意義。

基于此,運用現(xiàn)場試驗手段,對不同工況下開挖換填法的換填參數(shù),進(jìn)行實測對比研究,分析出不同工況下的換填參數(shù),該研究成果可為今后類似地域工程建設(shè)提供一定的借鑒。

1 工程概況

依托工程沿線出露地層巖性較復(fù)雜,區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)沉積物較發(fā)育,殘積層主要見于丘陵地表,基巖層主要為沉積巖和花崗巖,厚度為幾米至數(shù)十米不等,易發(fā)生崩塌和水土流失等地質(zhì)災(zāi)害。所在區(qū)域主要為花崗巖地層,該區(qū)域挖方路基絕大部分為強風(fēng)化、全風(fēng)化的花崗巖與殘積土?；◢弾r殘積土在化學(xué)風(fēng)化過程中將長石水解碳酸化變成高嶺石,高嶺石雖結(jié)構(gòu)致密,但吸水性較強,浸水后容易膨脹軟化,會造成土體強度明顯下降。再加上土體顆粒級配不均,且黏性較大,可塑性和壓縮性高,吸水性和保水性也較強,導(dǎo)致相應(yīng)花崗巖殘積土路段的路基彎沉值無法滿足設(shè)計要求[6-10]。

通過室內(nèi)試驗得到研究區(qū)域內(nèi)的花崗巖殘積土的天然含水率在24%～29%范圍內(nèi),最佳含水率一般為14%～15%,液限偏高,在46%左右。室內(nèi)顆粒分析試驗結(jié)果見表1。由表1可知,大于2 mm的顆粒含量為6.3%,大于0.5 mm的顆粒含量為22.1%,根據(jù)吳能森[11]對現(xiàn)有的花崗巖殘積土顆粒級配分類方法的總結(jié),可以確定本試驗中土樣的類別為殘積砂質(zhì)黏性土。

表1 土樣顆粒分析試驗結(jié)果

2 換填法處治現(xiàn)場試驗

2.1 試驗段選定

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,選定3個典型段落作為試驗段,試驗段1(K14+100～K14+280)路基頂原彎沉值在250～300(0.01 mm)范圍內(nèi);試驗段2(K12+350～K12+530)路基頂原彎沉值在300～350(0.01 mm)范圍內(nèi);試驗段3(K11+620～K11+800)路基頂原彎沉值在350～400(0.01 mm)范圍內(nèi);各試驗段長均為180 m,試驗段設(shè)置情況見表2。設(shè)計要求路基彎沉代表值不大于232.9(0.01 mm),為簡化數(shù)據(jù)處理過程,本次試驗段以單點彎沉值不大于150(0.01 mm)為換填目標(biāo)。

表2 試驗段設(shè)置一覽表

2.2 換填方案

本著就地取材、經(jīng)濟(jì)合理的原則,試驗段換填材料采用碎石土、石渣及碎石;換填深度分30 cm、50 cm、80 cm三個等級。每20 m作為一個換填試驗單元,共進(jìn)行27組對比試驗,各換填單元的換填單價見表3。

表3 各換填單元的單價

2.3 試驗步驟

(1)按照換填深度對各試驗段進(jìn)行開挖。

(2)開挖完成后分層填壓,30 cm段落分一層填筑,50 cm段落分兩層填筑,每層25 cm;80 cm段分四層填筑,每層20 cm。

(3)換填處理后1 d、3 d、7 d分別對路基頂彎沉進(jìn)行復(fù)測,取左右輪平均值作為該點代表值。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗段1結(jié)果分析

試驗段1原路基頂面彎沉實測值均在250～300(0.01 mm)范圍,換填碎石土處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖1。由圖1可知,換填30 cm碎石土后,路基頂彎沉值由272(0.01 mm)降低到222(0.01 mm),彎沉值降低18.4%,換填50 cm碎石土后,路基頂彎沉值由275(0.01 mm)降低到150(0.01 mm),彎沉值降低45.5%,換填80 cm碎石土后,路基頂彎沉值由277(0.01 mm)降低到108(0.01 mm),彎沉值降低61%。換填石渣處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖2。由圖2可知,換填30 cm石渣后,路基頂彎沉值由273(0.01 mm)降低到191(0.01 mm),彎沉值降低30%,換填50 cm石渣后,路基頂彎沉值由273(0.01 mm)降低到125(0.01 mm),彎沉值降低54.2%,換填80 cm石渣后,路基頂彎沉值由281(0.01 mm)降低到88(0.01 mm),彎沉值降低68.7%。換填碎石處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖3。由圖3可知,換填30 cm碎石后,路基頂彎沉值由269(0.01 mm)降低到192(0.01 mm),彎沉值降低28.6%,換填50 cm碎石后,路基頂彎沉值由268(0.01 mm)降低到105(0.01 mm),彎沉值降低60.8%,換填80 cm碎石后,路基頂彎沉值由271(0.01 mm)降低到93(0.01 mm),彎沉值降低65.7%。換填處理后3 d和7 d各段彎沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,換填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以內(nèi),說明固結(jié)過程已趨于收斂,因此對于試驗段3換填3 d后復(fù)測彎沉值能夠獲取反應(yīng)真實情況的數(shù)據(jù)。對于試驗段1,除換填30 cm碎石土及30 cm石渣外,其它換填方案均可滿足設(shè)計要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗段1選取換填50 cm碎石土的方案較為合理。

圖1 試驗段1碎石土換填檢測結(jié)果

圖2 試驗段1石渣換填檢測結(jié)果

圖3 試驗段1碎石換填檢測結(jié)果

3.2 試驗段2結(jié)果分析

試驗段2原路基頂面彎沉實測值均在300～350(0.01 mm)范圍,換填碎石土處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖4。由圖4可知,換填30 cm碎石土后,路基頂彎沉值由336(0.01 mm)降低到291(0.01 mm),彎沉值降低13.4%,換填50 cm碎石土后,路基頂彎沉值由327(0.01 mm)降低到212(0.01 mm),彎沉值降低35.2%,換填80 cm碎石土后,路基頂彎沉值由340(0.01 mm)降低到190(0.01 mm),彎沉值降低44.1%。換填石渣處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖5。由圖5可知,換填30 cm石渣后,路基頂彎沉值由339(0.01 mm)降低到278(0.01 mm),彎沉值降低18%,換填50 cm石渣后,路基頂彎沉值由328(0.01 mm)降低到198(0.01 mm),彎沉值降低39.6%,換填80 cm石渣后,路基頂彎沉值由337(0.01 mm)降低到108(0.01 mm),彎沉值降低68%。換填碎石處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖6。

圖4 試驗段2碎石土換填檢測結(jié)果

圖5 試驗段2石渣換填檢測結(jié)果

圖6 試驗段2碎石換填檢測結(jié)果

由圖6可知,換填30 cm碎石后,路基頂彎沉值由341(0.01 mm)降低到222(0.01 mm),彎沉值降低34.9%,換填50 cm碎石后,路基頂彎沉值由341(0.01 mm)降低到161(0.01 mm),彎沉值降低52.8%,換填80 cm碎石后,路基頂彎沉值由338(0.01 mm)降低到79(0.01 mm),彎沉值降低76.6%。換填處理后3 d和7 d各段彎沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,換填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以內(nèi),說明固結(jié)過程已趨于收斂,因此對于試驗段3換填3 d后復(fù)測彎沉值能夠獲取反應(yīng)真實情況的數(shù)據(jù)。對于試驗段2換填80 cm石渣及80 cm碎石可滿足設(shè)計要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗段2選取換填80 cm石渣的方案較為合理。

3.3 試驗段3結(jié)果分析

試驗段3原路基頂面彎沉實測值均在350～400(0.01 mm)范圍,換填碎石土處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖7。由圖7可知,換填30 cm碎石土后,路基頂彎沉值由368(0.01 mm)降低到299(0.01 mm),彎沉值降低18.7%,換填50 cm碎石土后,路基頂彎沉值由366(0.01 mm)降低到215(0.01 mm),彎沉值降低36%,換填80 cm碎石土后,路基頂彎沉值由371(0.01 mm)降低到225(0.01 mm),彎沉值降低39.4%。換填石渣處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖8。由圖8可知,換填30 cm石渣后,路基頂彎沉值由382(0.01 mm)降低到275(0.01 mm),彎沉值降低28%,換填50 cm石渣后,路基頂彎沉值由381(0.01 mm)降低到220(0.01 mm),彎沉值降低42.3%,換填80 cm石渣后,路基頂彎沉值由380(0.01 mm)降低到120(0.01 mm),彎沉值降低68%。換填碎石處理后彎沉值復(fù)測結(jié)果見圖9。由圖9可知,換填30 cm碎石后,路基頂彎沉值由377(0.01 mm)降低到231(0.01 mm),彎沉值降低38.7%,換填50 cm碎石后,路基頂彎沉值由379(0.01 mm)降低到165(0.01 mm),彎沉值降低56.5%,換填80 cm碎石后,路基頂彎沉值由369(0.01 mm)降低到85(0.01 mm),彎沉值降低77%。換填處理后3 d和7 d各段彎沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,換填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以內(nèi),說明固結(jié)過程已趨于收斂,因此對于試驗段3換填3 d后復(fù)測彎沉值能夠獲取反應(yīng)真實情況的數(shù)據(jù)。對于試驗段3換填80 cm碎石可滿足設(shè)計要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗段3選取換填80 cm碎石的方案較為合理。

圖7 試驗段3碎石土換填檢測結(jié)果

圖8 試驗段3石渣換填檢測結(jié)果

圖9 試驗段3碎石換填檢測結(jié)果

4 彎沉值回歸分析

在試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析中,得出了換填厚度、固結(jié)時間、換填材料與彎沉改善情況的簡單關(guān)系,為更加準(zhǔn)確分析出三個變量與彎沉改善情況的關(guān)系,采用逐步回歸分析法模擬出三個變量共同作用下與彎沉改善情況的關(guān)系式。

4.1 回歸步驟

逐步回歸基本思想是將換填深度、固結(jié)時間、換填材料分別設(shè)定為變量A1、A2、A3,彎沉改善率則設(shè)定B,B由A1、A2、A3共同決定,先將原始解釋變量A1、A2、A3及交互作用下的變量A1A2、A1A3、A2A3、A1A2A3作簡單回歸,得出A1A2、A1A3、A2A3、A1A2A3的P值均大于0.05,對B不顯著,應(yīng)舍去。然后再得出其余變量對模型結(jié)果的貢獻(xiàn)大小,以貢獻(xiàn)最大的變量回歸方程式為基礎(chǔ),把其余解釋變量依次帶入回歸模型,每引入一個解釋變量都要對其進(jìn)行F檢驗,然后對已選入的解釋變量進(jìn)行T檢驗,當(dāng)新加入的解釋變量導(dǎo)致原先引入的解釋變量不再變得顯著時,則去掉新加入的解釋變量,使模型中每個解釋變量始終處于顯著狀態(tài),以此為循環(huán),直到加入所有的解釋變量且模型中沒有不顯著的變量為止,以保證回歸方程的最優(yōu)性。模型摘要見表4。

表4 模型摘要

4.2 回歸結(jié)果及分析

本次回歸采用SPSS軟件對原始數(shù)據(jù)因子變量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表5所示。

表5 逐步線性回歸結(jié)果

從表5可知,模型分4次建立,由逐步分析前的簡單回歸顯示換填深度對彎沉改善率的影響最大,因此在模型1中以換填深度為基礎(chǔ)進(jìn)行回歸,回歸結(jié)果中顯示換填深度的P值遠(yuǎn)<0.05,表明換填深度對彎沉改善率的影響非常顯著,但由于只帶入了換填深度一個解釋變量,無法使數(shù)據(jù)回歸結(jié)果接近試驗值,擬合優(yōu)度沒有達(dá)到最優(yōu),此時擬合優(yōu)度指標(biāo)為0.810,模型1的回歸方程為:B=0.007×換填深度+0.123。類比,模型2、模型3、模型4根據(jù)顯著性由高到低,分別依次再加入換填材料(碎石土)、固結(jié)時間、換填材料(石渣)、換填材料(碎石),其模型擬合優(yōu)度,逐漸提高為0.924,得到非常好的模型擬合優(yōu)度。最后的模型為:彎沉改善率=0.007×換填深度-0.175×碎石土-0.065×石渣-0.055碎石+0.016×固結(jié)時間+0.145。

5 結(jié) 論

對全風(fēng)化花崗巖地層路基頂彎沉超標(biāo)問題,采用換填處理進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究,通過試驗結(jié)果可以得到以下結(jié)論和建議。

(1)對于全風(fēng)化花崗巖地層路基,采用換填碎石土、石渣、碎石都能不同程度地改善路基頂?shù)膹澇林?其中換填碎石效果最好,石渣次之,碎石土效果最差。

(2)各試驗段換填處理后1～3 d路基頂彎沉值有相對較大的改善空間,3～7 d路基頂彎沉值變化不大,因此在換填處理3 d后對路基頂彎沉值進(jìn)行復(fù)測較為合理。

(3)試驗段1除換填30 cm碎石土及30 cm石渣外,其它換填方案均可滿足設(shè)計要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗段1選取換填50 cm碎石土的方案較為合理。試驗段2選取換填80 cm石渣的方案較為合理。試驗段3選取換填80 cm碎石的方案較為合理。

(4)采用逐步分析法建立模型,模擬擬合優(yōu)度達(dá)到0.924,與試驗值非常接近,可將回歸方程推廣運用于類似工程項目。