高劍峰，郭濤

（1.茂名市交通設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 茂名525000；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州510507）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，高速公路的建設(shè)不斷加速，使得交通運(yùn)輸逐漸向快捷化、便利化發(fā)展。 然而，公路路基材料短缺問(wèn)題在眾多地區(qū)成為制約高速公路建設(shè)的重要因素，尤其是在貧石區(qū)、高山地區(qū)，公路建設(shè)中常用的細(xì)粒徑土材料難以獲取，從而大粒徑泥石作為路基材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

然而，大粒徑泥石路基由于大粒徑泥石的物理性質(zhì)及其構(gòu)成的復(fù)雜性，對(duì)其穩(wěn)定性的研究無(wú)法像對(duì)黏土和砂礫等材料那樣通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)獲得相對(duì)精準(zhǔn)的參數(shù)。 同時(shí)，其在受力過(guò)程中的變形機(jī)理及其穩(wěn)定性受多因素影響， 使大粒徑泥石對(duì)施工質(zhì)量影響顯著。 近年來(lái)，各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在大粒徑泥石的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究方面取得了一些進(jìn)步[2]。 一定程度上提高了大粒徑泥石路基的穩(wěn)定性， 但實(shí)際應(yīng)用中需花費(fèi)較大的成本，工程效益并不顯著。 因此，尋找并優(yōu)化大粒徑泥石路基穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合理論與實(shí)踐分析路基穩(wěn)定性，提升路基工程質(zhì)量關(guān)鍵性并提高經(jīng)濟(jì)效益，成為這一領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

2 大粒徑泥石路基的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

2.1 大粒徑泥石路基的特性研究

大粒徑泥石通常具有高的空隙率、良好的排水性和熱穩(wěn)定性， 這些性質(zhì)使得大粒徑泥石路基在潮濕環(huán)境和極端溫度條件下仍能保持良好性能。

同時(shí)，由于其較大的顆粒尺寸，大粒徑泥石路基對(duì)負(fù)載的分布具有較強(qiáng)的承載能力，從而提高路基的服務(wù)壽命。 并且大粒徑泥石具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度， 大粒徑的顆粒既可以提供良好的穩(wěn)定性， 也可以提供對(duì)沖擊載荷的高抵抗能力。 此外，它的剪切強(qiáng)度與其水分含量和密度之間的相關(guān)性也是大粒徑泥石在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出優(yōu)異性能的一個(gè)重要特性。 另外，大粒徑泥石路基的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，由于大粒徑泥石的較高空隙率和良好的排水性， 能有效防止水分對(duì)路基穩(wěn)定性的影響，提高道路在雨季的交通安全性[3]。

2.2 大粒徑泥石路基穩(wěn)定性設(shè)計(jì)實(shí)例

本研究選擇了在重大地震破壞下， 有著典型大粒徑泥石流動(dòng)特征的四川山區(qū)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試路段， 路段選擇分別為成宜高速段與通廣A2 標(biāo)段施工路段。在2008 年的汶川地震中，這一地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，導(dǎo)致公路交通嚴(yán)重中斷。根據(jù)大粒徑泥石的力學(xué)性質(zhì)和預(yù)期的承載能力， 確定穩(wěn)定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮泥石流的動(dòng)態(tài)變化和穩(wěn)定性要求，研究采用響應(yīng)面法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)可能的最壞情況確立穩(wěn)定性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 借助數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，深入研究大粒徑泥石路基的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)， 并針對(duì)大粒徑泥石路基，采用響應(yīng)面法進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，旨在建立一套科學(xué)有效的評(píng)價(jià)方法及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 泥石路基用料分析實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是泥石路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過(guò)程中，承載力指標(biāo)選擇加州軸承比（CBR）和壓縮強(qiáng)度；變形性能指標(biāo)選擇塑性變形和彈性模量； 耐久性能指標(biāo)選擇則耐凍性、耐水解性等。 其中，承載力指標(biāo)直接關(guān)系到路基的使用壽命和交通安全， 變形性能指標(biāo)反映了路基在交通荷載下的穩(wěn)定性，耐久性能則關(guān)乎路基在不利環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。 利用粒度測(cè)試得出移除粒徑d≥60 mm 的大型塊石后混合土壤的顆粒分布；用XRD 試驗(yàn)分析大型塊石的主要礦物構(gòu)成；通過(guò)重度沖擊實(shí)驗(yàn)，確定去除粒徑d≥40 mm 的塊石后獲得混合土壤的最大干密度和最適含水率；采用CBR 試驗(yàn)獲取排除粒徑d≥40mm 塊石后的混合土壤承載比；通過(guò)對(duì)巖石進(jìn)行單軸壓試驗(yàn)，確定大粒徑塊石的壓碎強(qiáng)度。 在所有這些試驗(yàn)中，采取了固定的步驟以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。 在路基用料分析試驗(yàn)中，利用四分法在干燥后的土樣中進(jìn)行采樣，并分批將樣本通過(guò)2 mm 篩子。 接著，將超過(guò)2 mm 的樣本通過(guò)不同等級(jí)粗篩，并稱重。 將2 mm 以下的篩子上的土樣攪動(dòng)10 min，根據(jù)不同篩孔尺寸篩選用料的土壤顆粒并置入下一個(gè)級(jí)別的篩內(nèi)。 最后，在度量時(shí)，應(yīng)確保細(xì)篩土樣清掃干凈。

篩分結(jié)果顯示， 大粒徑泥石的篩選過(guò)程具有明顯的規(guī)律性。 當(dāng)篩孔直徑為60 mm 時(shí)，篩子累積通過(guò)百分比為100%。當(dāng)篩孔直徑減小到40 mm 時(shí)，累積通過(guò)百分比為97.2%，進(jìn)一步減小篩孔直徑至20 mm，累積通過(guò)百分比為85.3%。 當(dāng)篩孔直徑減小到0.075 mm 時(shí)，只有少部分樣品能夠通過(guò)，可以看出，大粒徑泥石樣品主要由大于0.075 mm 的粒徑組成，且粒徑越大的樣品占比越高。 在確定了用料及配比后，繪制級(jí)配曲線并計(jì)算不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)，如表1 所示?？梢钥闯?，不均勻系數(shù)達(dá)到32.12，粒度分布不均勻性較高。 曲率系數(shù)為1.29，細(xì)粒土含量不足5%，級(jí)配良好。

表1 級(jí)配指標(biāo)

2.2.2 土體壓實(shí)特性分析實(shí)驗(yàn)

在土體壓實(shí)特性分析中， 選擇重型擊實(shí)實(shí)驗(yàn)確定泥石路基最優(yōu)含水率與最大干密度。 試驗(yàn)的基本流程如下。

取樣和預(yù)備：首先，采集土壤樣本并將其干燥、粉碎并且通過(guò)2 mm 篩。 然后根據(jù)土壤類型和粒徑選擇適合的重型還是標(biāo)準(zhǔn)Proctor 模具。

裝土和擊實(shí)：將模具裝入3 層土樣，每一層都需要平均擊實(shí)一定次數(shù)以確保壓實(shí)度。

測(cè)量和記錄：每次壓實(shí)后，都需要用天平測(cè)量并記錄樣本的重量。 然后計(jì)算出每一層土樣的干密度。

濕化處理：將樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐窕幚?，然后重?fù)裝土和測(cè)量密度的步驟。

濕含水率測(cè)定：用干燥箱測(cè)定樣品的濕含水率。

繪制曲線：在干密度和濕含水率的圖紙上繪制點(diǎn)，然后求取曲線。 此曲線的峰值可以確定土壤的最大干密度和最佳濕含水率。

分析和解釋：分析結(jié)果曲線，確定出土樣的最佳濕含水率和對(duì)應(yīng)的最大干密度。 泥石路基土壤擊實(shí)曲線如圖1 所示。

圖1 擊實(shí)曲線

從擊實(shí)曲線中可看出，相關(guān)系數(shù)為0.98，泥石路基土壤最優(yōu)含水率為5%，最大干密度為2.05 g/cm3。

2.2.3 加州承載比實(shí)驗(yàn)分析

加州承載比試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)泥石路基承載能力， 實(shí)驗(yàn)基本步驟如下。

樣本準(zhǔn)備：將土壤樣品取出并通過(guò)3/4 英寸（約19 mm）或更細(xì)的篩子。

濕化處理：將土壤濕化至接近其最優(yōu)水含量狀態(tài)，并被放置一段時(shí)間使其充分濕化。

裝填并壓實(shí)模具： 將土壤樣品分層地裝填到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CBR 模具中，并對(duì)每層進(jìn)行均勻的壓實(shí)。將土壤樣品壓實(shí)至設(shè)定的壓實(shí)度。

沉浸：將樣品置于水中進(jìn)行飽和，以模擬土壤在飽水狀態(tài)下的承載能力。 沉浸時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)96 h。

浸泡和膨脹讀數(shù)：在沉浸過(guò)程中，記錄土壤的膨脹讀數(shù)。承載負(fù)荷應(yīng)用：從水中取出土壤樣本，并施加一個(gè)多階段的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，對(duì)每一個(gè)負(fù)荷階段測(cè)量土壤的滲透。 采用兩個(gè)快速卸載并立即重新裝載的步驟，以模擬輪胎通過(guò)的效果。

數(shù)據(jù)分析：繪制土壤滲透與應(yīng)用負(fù)荷的關(guān)系曲線，以確定樣品的CBR 值。 最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)稱量后，CBR 值達(dá)到62.9%，大粒徑泥石路基承載能力符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 案例分析

基于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析， 采用高分子襯砌和土工布加固路基；然后，用輕型防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行封閉，以減輕大粒徑泥石流對(duì)路基的沖擊力；最后，安裝地質(zhì)雷達(dá)，持續(xù)監(jiān)測(cè)路基穩(wěn)定性狀況。通過(guò)這些措施，旨在最大限度地保證穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的實(shí)施效果，提高道路安全性。 實(shí)施方案后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察和監(jiān)測(cè)，路基穩(wěn)定性得到了明顯提升， 能有效抵抗大粒徑泥石流的沖擊，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的移位或變形。

3 大粒徑泥石路基現(xiàn)有問(wèn)題及挑戰(zhàn)

當(dāng)前， 大粒徑泥石路基設(shè)計(jì)在實(shí)踐中還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。 大粒徑泥石路基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)體系還不完善，缺乏具有普遍適應(yīng)性和高度可操作性的評(píng)價(jià)方法。 其次，面對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境、氣候條件以及交通需求，導(dǎo)致穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性受到局限。 大粒徑泥石路基的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，穩(wěn)定性問(wèn)題，以及斑駁龜裂問(wèn)題，是目前面臨的重大挑戰(zhàn)。

4 大粒徑泥石路基穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化方向

大粒徑泥石路基穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向如圖3 所示：一是加強(qiáng)大粒徑泥石路基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的研究， 將物理指標(biāo)、 力學(xué)指標(biāo)、 環(huán)境適應(yīng)性等多元化指標(biāo)納入穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系。 二是提升穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的承載力與抗變形能力，使其進(jìn)行更多設(shè)計(jì)情況的適應(yīng)性分析與計(jì)算，不斷優(yōu)化穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)。三是加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)、 新工藝在大粒徑泥石路基設(shè)計(jì)施工過(guò)程中的應(yīng)用研究，如生態(tài)技術(shù)、智能化技術(shù)等，提升大粒徑泥石路基設(shè)計(jì)的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。 四是含水量、顆粒級(jí)配、凍融影響等因素對(duì)于大粒徑泥石路基穩(wěn)定性影響深入研究。

5 大粒徑泥石路基優(yōu)化方法與實(shí)施策略

為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方向， 需采取一些具體的優(yōu)化方法和實(shí)施策略。 在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，采用無(wú)損檢測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)等方式研究大粒徑泥石路基的反應(yīng)特性，制定科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 在設(shè)計(jì)承載力與抗變形能力優(yōu)化方面，可通過(guò)運(yùn)用有限元分析、粒子離散方法等先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)路基穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致核算，并適時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。 針對(duì)新技術(shù)、新工藝應(yīng)用研究，運(yùn)用生態(tài)技術(shù)，利用生物工程方法，如種植抗侵蝕植物，可提升路基耐侵蝕性。 若應(yīng)用智能化技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)構(gòu)建智能化路基隨時(shí)感知系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)路基狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或改進(jìn)，提升其穩(wěn)定性。 在深入了解各影響因素的基礎(chǔ)上， 可針對(duì)性地制定設(shè)計(jì)與施工策略，如嚴(yán)格控制含水量、優(yōu)化顆粒級(jí)配、應(yīng)對(duì)凍融影響等。

6 結(jié)論

在廣大山區(qū)和平原地區(qū)， 大粒徑泥石由于具有豐富的存儲(chǔ)量和較好的構(gòu)造性能，已經(jīng)成為鋪設(shè)路基的優(yōu)質(zhì)原材料。 然而，大粒徑泥石路基的穩(wěn)定性如何設(shè)計(jì)，仍是當(dāng)前技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 研究通過(guò)理論分析與模型試驗(yàn)為方法，深入研究泥石路基的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果表示，采用優(yōu)化后的大粒徑泥石路基的路基穩(wěn)定性指標(biāo)相較于未優(yōu)化前提高了20%左右。 此外，綜合考慮了含水量、顆粒級(jí)配、凍融影響等各種環(huán)境因素后，其路基穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗變形能力提高，減少了路面裂紋發(fā)生的次數(shù)， 極大地提高了道路使用的安全性與舒適性。 總體而言，優(yōu)化大粒徑泥石路基可以顯著提高路基設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果，對(duì)保持路基穩(wěn)定性具有重要作用。 本文的研究仍有許多的不足和需要改進(jìn)之處，例如，對(duì)更多地區(qū)的泥石路基分析不足等問(wèn)題，這也是未來(lái)值得重點(diǎn)關(guān)注的方向。