關(guān)鍵詞：棄渣；填方路基；沉降變形；力學(xué)性能；數(shù)值模擬；施工工藝中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.03.014文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0050-04

0 引言

隨著城市化和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，填方路基在公路和城市道路建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛[1-2]。爆破石方邊坡施工過程中產(chǎn)生的大量棄渣，因具備一定的力學(xué)性能，被廣泛用于填方路基的施工，不僅能夠降低施工成本，還能有效實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用[3]。然而，由于棄渣材料成分復(fù)雜、壓實(shí)性和抗壓性能不均勻等特點(diǎn)，將其作為填方材料可能引發(fā)路基沉降變形等工程問題，嚴(yán)重影響道路的安全性和使用壽命。

目前，針對(duì)爆破石方邊坡棄渣作為路基填料的研究多集中于力學(xué)特性試驗(yàn)和質(zhì)量控制，但對(duì)于棄渣填方路基沉降變形的影響因素及控制措施的系統(tǒng)性研究仍顯不足[4-6]。為進(jìn)一步提高棄渣路基的施工質(zhì)量和長期穩(wěn)定性，有必要從材料特性、施工技術(shù)、數(shù)值模擬等多個(gè)方面進(jìn)行深入研究，為工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，對(duì)爆破石方邊坡棄渣填方路基的沉降變形特性及其影響因素進(jìn)行全面分析，并提出合理的控制措施。研究成果不僅為填方路基的施工提供參考，還具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

工程概況

本研究以某爆破石方邊坡棄渣填方路基工程為背景，研究范圍為該工程 K4+700～K6+660 路段，累計(jì)長度為 1960m 道路等級(jí)為城市主干道，設(shè)計(jì)速度為60km/h ，采用四幅路雙向八車道布置。研究區(qū)域某路基斷面如圖1所示。爆破石方邊坡施工過程中因爆破作業(yè)產(chǎn)生了大量棄渣廢料，這些廢料具有一定的物理力學(xué)性能，能夠作為填方路基的填料使用。通過合理利用爆破棄渣，不僅降低了填料采購和運(yùn)輸成本，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了邊坡爆破廢料的資源化處理，充分體現(xiàn)了綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展的理念。

爆破石方邊坡棄渣的主要成分為破碎巖石顆粒，粒徑分布范圍較大，包含大塊巖石與細(xì)顆粒巖屑，其級(jí)配特性和壓實(shí)性能對(duì)路基的沉降控制具有重要影響。在該工程中，爆破石方邊坡棄渣被分層填筑至路基中，形成了多個(gè)壓實(shí)層次，每層填筑厚度經(jīng)過試驗(yàn)確定，以確保路基的整體穩(wěn)定性和均勻性。斷面研究表明，路基下伏地層以碎石土為主，頂部為多層棄渣填筑材料，其填筑高度和壓實(shí)工藝直接影響路基的沉降變形行為。

2棄渣力學(xué)特性試驗(yàn)研究

爆破石方邊坡棄渣作為一種非均勻的填料，其力學(xué)特性對(duì)路基穩(wěn)定性至關(guān)重要。為研究其是否適合作為路基填料，本節(jié)結(jié)合實(shí)際工程背景，對(duì)爆破石方邊坡棄渣開展了篩分試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和毛體積率試驗(yàn)，系統(tǒng)分析其物理力學(xué)性能。

2.1 篩分試驗(yàn)

篩分試驗(yàn)旨在分析棄渣的粒度組成和級(jí)配特性，并評(píng)估其是否滿足作為填石路基填料的要求。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG3430一2020）中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，選取代表性棄渣樣本，進(jìn)行干燥后篩分。采用篩孔直徑分別為 160cm.40mm.20mm.10mm.5mm.2mmH5 標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)棄渣樣品進(jìn)行逐級(jí)篩分，記錄各級(jí)粒徑的質(zhì)量分布。篩分試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2試驗(yàn)結(jié)果表明，棄渣的最大粒徑 lt;150mm ，細(xì)顆粒含量約占 20%～30% 。通過計(jì)算級(jí)配曲線的不均勻系數(shù) Cu 和曲率系數(shù) α ，所有試樣均滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》JTGD30一2015）（以下簡稱技術(shù)規(guī)范）中對(duì)填石路基填料的要求。棄渣的良好級(jí)配特性表明其適合作為填石路基的填料。

2.2棄渣無側(cè)限壓縮試驗(yàn)

無側(cè)限壓縮試驗(yàn)旨在評(píng)估棄渣在受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能。試驗(yàn)選取了6組代表性棄渣樣本，分為自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種條件。自然狀態(tài)試樣直接進(jìn)行抗壓試驗(yàn)；飽和狀態(tài)試樣浸泡72h后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)采用電液式恒加載壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為O.5MPa/s，記錄最大破壞荷載。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3試驗(yàn)結(jié)果表明，自然狀態(tài)下棄渣的單軸抗壓強(qiáng)度為 100～110MPa ，飽和狀態(tài)下為 80～100MPa ，均滿足技術(shù)規(guī)范中對(duì)填料抗壓強(qiáng)度的要求。飽和狀態(tài)下強(qiáng)度略有降低，表明棄渣在高含水率條件下的力學(xué)性能有所下降，但仍可滿足工程要求。

2.3棄渣毛體積率試驗(yàn)

毛體積率試驗(yàn)用于評(píng)估棄渣的密實(shí)性能和壓實(shí)性能，為填方路基壓實(shí)工藝提供依據(jù)。試驗(yàn)按照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE41一2005）進(jìn)行，選取具有代表性的棄渣樣品，采用排水法測(cè)定其毛體積密度。試驗(yàn)結(jié)果表明，棄渣的毛體積密度為2 ?2～2.5g/cm ，細(xì)顆粒含量較高的試樣密度略高。這表明棄渣在一定程度上具有良好的密實(shí)性能，且通過適當(dāng)?shù)膲簩?shí)工藝可以進(jìn)一步提高其填筑效果。

綜上所述，通過篩分試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和毛體積率試驗(yàn)的綜合分析可知，棄渣具有良好的級(jí)配特性、較高的抗壓強(qiáng)度和適宜的密實(shí)性能，符合路基填料的要求。后續(xù)研究將基于該試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步探討棄渣填筑與壓實(shí)工藝以及沉降變形控制措施。

3棄渣路基填筑與壓實(shí)技術(shù)研究

根據(jù)棄渣的粒徑分布和力學(xué)性能，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種填筑厚度：15cm、20cm、25cm和30cm。為確保棄渣填料的密實(shí)度和均勻性，試驗(yàn)中采用了以下3種碾壓方式：

（1）振動(dòng)碾壓：利用振動(dòng)壓路機(jī)，通過振動(dòng)與靜壓力作用壓實(shí)填料。該方式對(duì)粒徑分布均勻的填料效果較好，適用于中、低厚度填層。

（2）沖擊碾壓：利用沖擊壓路機(jī)的高能沖擊作用，對(duì)較大粒徑的填料具有顯著的壓實(shí)效果，適用于厚層填筑。

（3）沖擊與振動(dòng)組合碾壓：先采用振動(dòng)碾壓進(jìn)行初壓，再采用沖擊碾壓強(qiáng)化壓實(shí)效果，適用于厚度較大或力學(xué)性能不均的填層。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段，分別布置4個(gè)填筑厚度和3種碾壓方式的組合試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行分層填筑與壓實(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知，從振動(dòng)碾壓工法的孔隙率變化趨勢(shì)來看，隨著碾壓次數(shù)的增加，孔隙率逐漸降低，表現(xiàn)出較明顯的壓實(shí)效果。在碾壓達(dá)到6次后，孔隙率趨于穩(wěn)定，但僅有填筑厚度為15cm和20cm的試驗(yàn)段滿足規(guī)范。振動(dòng)碾壓工法對(duì)于較薄層（15cm和20cm）的填筑效果較好，但在厚層（25cm和30cm）條件下的壓實(shí)效果相對(duì)較弱，易出現(xiàn)孔隙率不達(dá)標(biāo)的情況。由圖4（b）可知，在碾壓次數(shù)較低時(shí)，沖擊碾壓工法相比振動(dòng)碾壓在降低孔隙率的效率上表現(xiàn)更優(yōu)。沖擊碾壓在初始幾次（特別是前三次）作用中對(duì)孔隙率的降低效果明顯，適用于快速壓實(shí)，但在后續(xù)碾壓中，壓實(shí)效果逐漸遞減，難以在厚層填筑條件下進(jìn)一步降低孔隙率至規(guī)范范圍。

基于沖擊碾壓和振動(dòng)碾壓的各自特點(diǎn)，提出了“沖擊與振動(dòng)組合碾壓”工藝：前三次碾壓采用沖擊碾壓，后三次采用振動(dòng)碾壓，以充分發(fā)揮兩種碾壓方式的優(yōu)勢(shì)。在20cm的厚度條件下，各碾壓方式均能在合理的碾壓次數(shù)內(nèi)達(dá)到規(guī)范要求的壓實(shí)度和孔隙率標(biāo)準(zhǔn)。因此，建議將20cm厚度作為路基填料的最佳厚度。

4棄渣路基數(shù)值模擬研究

4.1模型的建立

為了研究棄渣填方路基的沉降變形特性及其影響因素，本文基于FLAC3D有限差分軟件，構(gòu)建了隧道洞渣填方路基的三維數(shù)值模型（見圖5）。模型結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件與施工工況，力求真實(shí)反映路基填筑過程中材料力學(xué)特性及沉降變形規(guī)律。模型采用三維立體形式，覆蓋棄渣填筑路基的典型斷面區(qū)域。模型長度為100m，寬度為 50m ，高度為 40m ，能夠有效模擬不同填筑厚度和地層條件下的變形特性。模型中將路基填筑區(qū)域劃分為若干層填料，每層對(duì)應(yīng)實(shí)際施工中的不同填筑階段。各層的厚度分別設(shè)置為15cm、20cm、25cm和30cm，以模擬不同填筑厚度的力學(xué)響應(yīng)。

4.2材料模型與參數(shù)設(shè)置

填料、地基土層及基巖分別采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，能夠合理描述材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。填料層與地基土層之間設(shè)置滑動(dòng)接觸界面，以模擬可能發(fā)生的不均勻沉降。計(jì)算過程中使用的棄渣重要參數(shù)如表1所示。

模型兩側(cè)的水平邊界施加固定約束，限制水平位移，以保證模型的穩(wěn)定性。底部邊界施加完全固定約束，限制豎向和水平位移，模擬地基土層的剛性約束條件。頂部設(shè)置自由邊界，允許路基在填筑過程中自由沉降和變形。

4.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.3.1棄渣填方路基變形分析

棄渣填方路基變形結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）可知，路基在填筑過程中，變形集中在中部區(qū)域，向兩側(cè)逐漸減小，表現(xiàn)出“弧形”分布特征。中心區(qū)域的最大水平變形量約為8 5×10^-2m ，數(shù)值較大，表明填料在受壓過程中向兩側(cè)發(fā)生了明顯的側(cè)向擴(kuò)散。由圖6（b）可知，路基變形呈現(xiàn)典型的“中心下沉”趨勢(shì)，變形量從中部區(qū)域向兩側(cè)逐漸減小。中部區(qū)域的最大豎直變形量約為-2.4×10^-1m ，數(shù)值較大，表明填料的整體沉降較為顯著。水平和豎直方向的變形共同反映了路基在填筑和加載過程中的應(yīng)力傳遞和變形協(xié)調(diào)性。中部區(qū)域的側(cè)向擴(kuò)散與豎向下沉表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，說明中部區(qū)域的應(yīng)力集中是路基變形的主要來源。

4.3.2數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，將數(shù)值模擬得到的路基中部沉降變形數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)關(guān)注填筑完成后的路基中部區(qū)域，評(píng)估模擬與實(shí)測(cè)之間的誤差及其可能的原因。將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的路基中部沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)沉降的變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為初期沉降速率較大，后期逐漸趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)典型的沉降變形規(guī)律。這表明數(shù)值模擬在捕捉路基沉降的總體趨勢(shì)方面具有較高的準(zhǔn)確性。棄渣填方路基變形表現(xiàn)為3階段特征，即快速沉降階段、減緩沉降階段和穩(wěn)定階段。在沉降初期，沉降速率較快，沉降曲線呈陡峭下降趨勢(shì)；在減緩沉降階段，沉降速率逐漸減小，實(shí)測(cè)和模擬曲線趨于平緩，表明路基變形逐漸穩(wěn)定；在穩(wěn)定階段，沉降基本穩(wěn)定，沉降速率接近于零。實(shí)測(cè)和模擬的最終沉降量分別為-7.8cm和 -7.5cm ，誤差僅為 3.8% .說明數(shù)值模擬能夠較好預(yù)測(cè)路基的最終沉降量。

5結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程背景，通過試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，對(duì)棄渣填方路基的沉降變形特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了合理的優(yōu)化措施和建議，得出以下主要結(jié)論：

（1）篩分試驗(yàn)、無側(cè)限壓縮試驗(yàn)和毛體積率試驗(yàn)表明，棄渣具有良好的級(jí)配特性、較高的抗壓強(qiáng)度和適宜的密實(shí)性能，能夠滿足公路路基填料的要求，為其在路基工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

（2）研究表明，在振動(dòng)碾壓和沖擊碾壓兩種工法中，振動(dòng)碾壓適用于較薄層（15cm和20cm）的填料，而沖擊碾壓在初期快速降低孔隙率方面更為高效?；趦煞N工法的特點(diǎn)，提出“沖擊與振動(dòng)組合碾壓”工藝，推薦20cm作為棄渣路基的最優(yōu)填筑厚度，以兼顧施工效率和壓實(shí)質(zhì)量。

（3）數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比顯示，兩者在快速沉降階段、減緩沉降階段和穩(wěn)定階段的變化趨勢(shì)一致，最終沉降量誤差僅為 3.8% 。這驗(yàn)證了數(shù)值模擬在沉降預(yù)測(cè)方面的可靠性，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工控制提供了技術(shù)支撐。

（4）建議在實(shí)際工程中采用“分層填筑、分步碾壓\"方式，并加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)。針對(duì)中部沉降較大的區(qū)域，適當(dāng)調(diào)整填料級(jí)配和碾壓參數(shù)，確保路基的長期穩(wěn)定性和使用性能。 ⑦

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