蔡永洪 稅明洪 付建偉 徐來銀 羅旭琴

收稿日期：2024-01-26

作者簡介：蔡永洪（1984—），男，本科，副高級(jí)工程師，研究方向：路基路面工程。

摘要 公路運(yùn)營中填石路堤路段經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不均勻變形，這不僅降低了通行質(zhì)量，還會(huì)產(chǎn)生大量病害。填石路堤變形及不均勻變形是填石路堤質(zhì)量控制的一個(gè)重要方面。影響填石路堤變形的因素較多，文章從填石材料本身的工程特性、路堤變形的室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)手段及路基變形預(yù)測方法著手進(jìn)行歸納總結(jié)，為填石路堤變形的研究提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞 填石路堤；路堤變形；變形規(guī)律；工后沉降；預(yù)測模型

中圖分類號(hào) U416.16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0092-03

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路的建設(shè)逐漸延伸到了山嶺地區(qū)。山嶺地區(qū)某些路段借土比較困難，爆破后隧道棄渣就成為路堤填料的不二選擇，隧道棄渣不僅能夠減少征地、減少棄方，并且可以縮短運(yùn)距、節(jié)約成本以及降低工程造價(jià)。同時(shí)，還可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，因此用碎石料填筑路基有諸多好處。

根據(jù)路堤填筑材料的不同，路堤分為填土路堤、土石路堤及填石路堤。根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019），填土路堤是指路堤填料中石料含量小于土石總質(zhì)量30%的路堤。土石路堤是指路堤的填筑中采用石料含量占土石總質(zhì)量30%～70%的路堤。填石路堤是指路堤填筑中大于40 mm的顆粒含量超過土石料總量70%的路堤。大多數(shù)工程使用填土或土石混填材料進(jìn)行路堤的填筑，而采用填石材料進(jìn)行施工或研究相對(duì)較少。因此，近些年來由于對(duì)填石材料的工程特性認(rèn)識(shí)不足、設(shè)計(jì)施工不完善等原因，施工過程中及工后出現(xiàn)不均勻沉降、局部塌陷及邊坡失穩(wěn)等病害，影響了交通的正常運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的填土路堤或土石路基相比，填石路堤與土質(zhì)路基及土石路堤工程性質(zhì)有較大差別，且填石路基粗料多、填料堅(jiān)硬，粒徑大小不一，路基碾壓均勻性相對(duì)較差、孔隙率高，壓實(shí)過程中破碎率較大。論文從填石材料的工程特性、填石路堤的變形特性及填石路堤工后沉降的預(yù)測方法等方面進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 填石材料的工程特性

1.1 填石材料的分類

對(duì)于填石材料的分類，不同國家之間有一定的區(qū)別。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）要求，土的顆粒應(yīng)進(jìn)行粒組的劃分（如圖1所示），而美國對(duì)于土的粒組劃分如表1所示。

根據(jù)填筑石料的強(qiáng)度及其風(fēng)化程度，巖石可劃分為硬質(zhì)巖石及軟質(zhì)巖石兩類，如表2所示。根據(jù)要求，一般采用堅(jiān)硬類和次堅(jiān)硬類巖石作為填石路堤的填筑材料，應(yīng)禁止將極軟質(zhì)類石料用于填筑路堤[1]。

1.2 填石材料的級(jí)配性能

級(jí)配對(duì)填筑材料壓實(shí)后的力學(xué)性能及干密度都有著比較大的影響。由于公路路堤一般路線較長，采用的大多是隧道棄渣，無法按理論上預(yù)設(shè)的級(jí)配來進(jìn)行路堤的填筑，只能按照實(shí)際棄渣材料的級(jí)配情況施工。然而，有研究表明填石料級(jí)配雖然波動(dòng)范圍較大，但是往往仍會(huì)達(dá)到較好的力學(xué)性能以及預(yù)期的密實(shí)度。所以，填石料的級(jí)配情況一般對(duì)于填石路堤的施工質(zhì)量影響不大，但會(huì)影響填筑路堤的密度。

表2 巖石分類

名稱 硬質(zhì)巖石R/MPa 軟質(zhì)巖石R/MPa

堅(jiān)硬 次堅(jiān)硬 軟質(zhì) 極軟質(zhì)

分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) ＞60 30～60 15～30 ＜15

1.3 填石材料的強(qiáng)度及壓縮變形特性

填石材料的強(qiáng)度是指填石材料試件飽水后，受壓時(shí)所能承受的最大力，根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）中的規(guī)定，用于填石路堤的石料強(qiáng)度應(yīng)大于等于15 MPa。黏土巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖、云母片、泥礫巖、泥質(zhì)頁巖及千枚巖等都是易風(fēng)化類的軟巖石，這些石料通常在與水、空氣接觸或者因溫度的變化短期內(nèi)強(qiáng)度會(huì)逐漸下降甚至崩解，會(huì)產(chǎn)生裂隙或者次生礦物，這類填石材料不能用于路堤的填筑。有些巖石易風(fēng)化、強(qiáng)度低，即使不屬于風(fēng)化巖石也不能用于路堤填筑。

填石材料的強(qiáng)度指標(biāo)通常用c，值表示。填石材料的強(qiáng)度指標(biāo)與石料的密實(shí)程度、石料的堅(jiān)硬程度、石料表面的粗糙度及填石材料的級(jí)配等有著密切的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，填石材料摩擦角值最小為32 °，最大為53 °，而80%則集中于36 °～44 °之間。填石材料的c值已不再是表征填石材料的黏聚力，而是顆粒間咬合力的體現(xiàn)，但其大小不應(yīng)被忽視，填石材料的黏聚力c值大約在0～20 kPa之間，甚至有試驗(yàn)結(jié)果表明c值可達(dá)到20～70 kPa[2]。

對(duì)于填石材料的壓縮模量一般可達(dá)100 MPa，而普通土的壓縮模量大約在20 MPa左右；填石材料的固結(jié)系數(shù)約為10?1～10?2 cm/s，而普通土的固結(jié)系數(shù)一般約為 10?3 cm/s，填石材料的固結(jié)系數(shù)約為普通土的10～100倍。因此，填石路堤變形較小。

1.4 填石材料最大粒徑限制

填石材料的最大粒徑應(yīng)不大于500 mm，壓實(shí)機(jī)械要與施工層厚度相適應(yīng)。粒徑小容易壓實(shí)，因此盡可能使用粒徑較小的石料，并采用層鋪法薄層施工。我國的路基施工規(guī)范中對(duì)填石材料的最大粒徑有要求，其不應(yīng)超過填筑厚度的2/3。由于隧道棄渣粒徑一般比較大，將大粒徑破碎不太現(xiàn)實(shí)，采用振動(dòng)壓路機(jī)無法壓實(shí)到位，為了工期及壓實(shí)質(zhì)量，施工單位常采用強(qiáng)夯法施工。

2 填石路堤的變形分析

對(duì)于填石路堤材料的變形及路基的沉降，國內(nèi)外的研究都比較少。一般認(rèn)為填石路堤的變形由以下幾部分組成[3]：①在施工期過程中，石料在機(jī)械重力或激振力作用下產(chǎn)生的瞬間沉降，沉降量為各分層的累計(jì)沉降量。②路基填筑過程中，石料在重力作用下的壓縮變形。③施工結(jié)束后，路基長時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變變形，這部分變形在施工完成后很長一段時(shí)間內(nèi)逐漸發(fā)生，一般開始變形較大，后期逐漸減小。研究顯示[4]：路堤填筑層在壓實(shí)后，在自重荷載作用下，其壓縮沉降量一般較小。

堆石壩的研究表明：堆石壩上表面的工后沉降量只為堆石壩高度的0.2%左右，而一般土質(zhì)路堤工后沉降的大小卻可以達(dá)到整個(gè)路堤高度的5%。研究資料曾對(duì)一段坐落在基巖上、高20 m的填石路堤的頂部進(jìn)行了長達(dá)1年的沉降量監(jiān)測。其結(jié)果也顯示，填石路堤的沉降量只有3 mm，此時(shí)沉降量為路堤高的0.15%，這表明，經(jīng)過完全壓實(shí)后，填石路堤的抗變形性能較好。

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 室內(nèi)小型模型試驗(yàn)

在填石材料的工程特性分析中，常用直接剪切試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)或單軸壓縮試驗(yàn)研究填石材料的抗剪強(qiáng)度、壓縮變形等性能。

（1）直接剪切試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)又稱為直接剪切試驗(yàn)，是巖土工程中確定土質(zhì)材料抗剪強(qiáng)度的一種最常用的試驗(yàn)方法。剪切儀分為上盒和下盒，試驗(yàn)時(shí)上盒是固定的，下盒則可以沿著水平方向自由活動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，首先將試樣放在直剪儀的剪切盒內(nèi)，其次在垂直方向施加壓力，隨后對(duì)下剪切盒逐級(jí)施加水平方向的剪切應(yīng)力，直到將試樣剪壞。該試驗(yàn)方法簡單易行，是測定土質(zhì)材料抗剪強(qiáng)度的一種常用方法。

（2）三軸壓縮試驗(yàn)。三軸壓縮試驗(yàn)是指有側(cè)限壓縮和剪力試驗(yàn)。三軸壓縮儀的核心部分是三軸壓力室，配備有軸壓系統(tǒng)、側(cè)壓系統(tǒng)及孔隙水壓力系統(tǒng)等，如圖2所示[5]。三軸壓縮試驗(yàn)的試樣為圓柱形，試樣外層包裹一層薄橡皮，使試驗(yàn)室內(nèi)液體與試樣的孔隙水分離開。試驗(yàn)過程中可以對(duì)試樣施加軸向壓力及周圍壓力。試驗(yàn)時(shí)首先通過壓力室內(nèi)的液體，對(duì)試樣三個(gè)軸向施加周圍壓力σ3。然后通過活塞對(duì)試樣施加軸向壓力，直到試樣被剪切破壞。

圖2 電液伺服靜態(tài)三軸試驗(yàn)機(jī)

（3）單軸壓縮試驗(yàn)。單軸壓縮試驗(yàn)方法簡單，通過對(duì)試樣施加垂直的軸向壓力，測定試樣在壓縮過程中變形與應(yīng)力之間的變化規(guī)律。試驗(yàn)過程中，試樣放置于一個(gè)剛性容器中，稱為壓縮儀。壓縮儀的兩端有一對(duì)平行剛性板，其中的一個(gè)平行板可以施加軸向壓力。

試驗(yàn)時(shí)為了保證有較好的密封效果，將乳膠膜固定在單軸壓縮儀上，并在單軸壓縮儀里直接制作試樣。其試樣制作過程與三軸實(shí)驗(yàn)試樣的制作過程完全一樣。

（4）土工離心試驗(yàn)。土工離心試驗(yàn)，是指采用離心機(jī)提供離心力用以模擬重力加速度，根據(jù)相似準(zhǔn)則，將實(shí)際工程的幾何尺寸按一定比例縮小，并用現(xiàn)場的原材料制作模型，通過控制轉(zhuǎn)速模擬不同的重力加速度，以研究工程的應(yīng)力應(yīng)變分布及變形規(guī)律，如圖3所示[6]。目前，采用離心模型試驗(yàn)研究不同路堤沉降的文獻(xiàn)較多，但針對(duì)填石路堤的研究較少。

圖3 土工離心試驗(yàn)機(jī)

2.1.2 室內(nèi)大型模型試驗(yàn)

由于路堤尺寸較大，采用室內(nèi)小型結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行性能分析與實(shí)際情況有一定的差別，甚至有時(shí)差別較大，因此在一些特殊情況下，采用室內(nèi)大型模型更能表征結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，如圖4所示。室內(nèi)大型模型試驗(yàn)以現(xiàn)場高速公路為模型，并按照相似原理，按照一定的比例縮尺制作室內(nèi)試驗(yàn)的模型，如表3所示[4]。

圖4 承載板試驗(yàn)

表3 參數(shù)取值

參數(shù) 原型 模型 量綱 相似比

壓實(shí)能量 40 5 t.min 8∶1

路基上部寬度 24 3.0 m 8∶1

路基下部寬度 52.8 6.6 m 8∶1

路基高度 9.6 1.2 m 8∶1

坡比 1∶1.5 1∶1.5 — 1∶1

填筑料顆粒尺寸 Rmax＜68 Rmax＜68 cm 7.1∶1

室內(nèi)大型模型試驗(yàn)為檢驗(yàn)壓實(shí)效果，通常采用承載板試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用液壓千斤頂分級(jí)加載，分析力與變形之間的關(guān)系，通過荷載-沉降P-S曲線判斷壓實(shí)質(zhì)量。

2.2 現(xiàn)場填石路堤變形檢測

路堤變形由豎向變形和水平變形組成，施工過程中通常通過智能控制元件檢測變形大小，并進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2.1 豎向變形檢測

高填方路堤的沉降主要由以下兩個(gè)部分組成：第一部分是路堤壓實(shí)后的填筑材料在荷載作用下進(jìn)一步密實(shí)；第二部分為填料在填料重力或汽車荷載作用下的壓縮變形。填石路堤豎向變形檢測方法主要包括：

（1）填石路堤分層檢測。該方法選取路堤的典型斷面，在路堤斷面上布置沉降測量孔，并在測量孔的不同深度處設(shè)置沉降磁環(huán)，利用沉降儀測量不同沉降磁環(huán)的位置，推算出填方路堤的沉降量。

（2）路基整體沉降監(jiān)測。在路堤頂面碎落臺(tái)上設(shè)置多個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀定期測量每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)高程變化，確定出路基沉降情況。

2.2.2 水平變形檢測

水平變形檢測是指路堤內(nèi)部任一深度位置的水平變形狀態(tài)，一般采用鉆孔測斜儀來對(duì)其進(jìn)行水平變形的檢測。檢測的原理是在所鉆孔洞中布置測斜管，然后采用測斜管確定水平變形或位移。

3 填石路堤工后沉降預(yù)測分析

在公路建設(shè)中，填石路堤的沉降問題不可忽視，對(duì)填石路堤沉降預(yù)測具有很重要的意義。在長期工程實(shí)踐中，對(duì)路堤沉降預(yù)測已經(jīng)形成較系統(tǒng)的方法。目前沉降預(yù)測方法主要?jiǎng)澐殖扇怺7]：①以經(jīng)典土力學(xué)為基礎(chǔ)的分層總和法。②以固結(jié)理論為計(jì)算依據(jù)，通過有限元軟件建立路堤的本構(gòu)模型，設(shè)定邊界條件，計(jì)算路堤最終沉降量。③根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的變形測量數(shù)據(jù)或歷史經(jīng)驗(yàn)資料預(yù)測路堤的最終沉降量。

4 結(jié)語

該文針對(duì)高填石路堤經(jīng)常出現(xiàn)沉陷、不均勻沉降、塌方等病害進(jìn)行歸納總結(jié)，分析了目前填石材料的分類、級(jí)配、強(qiáng)度、壓縮變形的技術(shù)要求，分析了填石路堤變形分析的室內(nèi)小型、大型試驗(yàn)方法及現(xiàn)場填石路堤的變形檢測手段，最后分析了填石路堤常用的變形預(yù)測方法。

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