炭質(zhì)巖路基填筑新技術(shù)及沉降計(jì)算分析

馬慧君 駱俊暉

摘要：基于廣西區(qū)內(nèi)存在大量被棄用的炭質(zhì)巖的現(xiàn)狀，文章提出了一種對(duì)針對(duì)炭質(zhì)巖填筑路基的填筑新技術(shù)方法，結(jié)合便捷、經(jīng)濟(jì)與保證質(zhì)量的原則進(jìn)行炭質(zhì)巖填筑路基試驗(yàn)段研究，同時(shí)提出采用四參數(shù)ExpGro2經(jīng)驗(yàn)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并系統(tǒng)研究了曲線擬合法在炭質(zhì)巖路基沉降預(yù)測(cè)中的適用性。分析研究表明：（1）由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況揭示了所提出的炭質(zhì)巖路基填筑新技術(shù)效果良好，可推廣使用;（2）四參數(shù)ExpGro2經(jīng)驗(yàn)法可較好地預(yù)測(cè)炭質(zhì)巖路基沉降變形規(guī)律及變形速率發(fā)展情況，在實(shí)際工程中可適用;（3）研究結(jié)果可為炭質(zhì)巖路基填筑工程提供參考依據(jù)，具有一定的社會(huì)、理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)巖;路基填筑;沉降計(jì)算;經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法

中圖分類號(hào)：U416.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.003

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0007-03

0引言

炭質(zhì)巖具有易崩解、遇水軟化、風(fēng)化后強(qiáng)度大幅度降低等工程特性，邊坡穩(wěn)定性較差，不能直接作為路基填枓，工程處治費(fèi)用較高，在工程中往往棄之不用。因此，若采用炭質(zhì)巖作為高速公路路基填料，不僅需要提出科學(xué)合理的路基結(jié)構(gòu)及其施工方法，還需對(duì)填筑路基沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，以確保工后可正常使用。

目前，炭質(zhì)巖路基填筑方法有路基分層法、包邊法、包芯法等，但是實(shí)施方案較為復(fù)雜，不利于路基填筑施工，迫切需要提出一種針對(duì)炭質(zhì)巖工程特性的路基填筑技術(shù)，不僅能充分利用炭質(zhì)巖作為路基填枓以節(jié)約資源，而且能保證炭質(zhì)巖路基工程的質(zhì)量。在路基沉降預(yù)測(cè)方面大致可分為兩類，一類是基于本構(gòu)模型得到沉降數(shù)值解;另一類是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代入經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算分析。在實(shí)際工程中，基于土體本構(gòu)模型得到的沉降計(jì)算數(shù)值解存在一定誤差，并且過(guò)程復(fù)雜，不利于推廣使用，因此，工程中常根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測(cè)沉降。常用到的曲線擬合法有雙曲線法、Asaoka法、三點(diǎn)法等。雙曲線法在一定程度上可反映次固結(jié)沉降，在軟土地基沉降預(yù)測(cè)中應(yīng)用較廣，但是只適合分析施工階段沉降，無(wú)法分析工后沉降;Asaoka法是Asooko（1978）基于一維固結(jié)方程提出的實(shí)用性方法，該法時(shí)間間隔的選擇對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的影響，而且Asooko法沒(méi)有考慮蠕變作用的影響;三點(diǎn)法作為我國(guó)規(guī)范常用方法，所選的三個(gè)點(diǎn)的沉降量需要滿足一定的要求。

基于上述存在問(wèn)題，本文針對(duì)廣西炭質(zhì)巖的工程特性，提出一種炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑新技術(shù)，同時(shí)建立了一種四參數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法對(duì)炭質(zhì)巖路基進(jìn)行沉降計(jì)算及預(yù)測(cè)分析，為炭質(zhì)巖填筑路基的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1工程概況

河池至百色高速公路起自金城江區(qū)拔貢鎮(zhèn)北香村，與六寨至河池高速公路連接，止于百色市右江區(qū)那務(wù)村，與百色至隆林高速公路連接，主線全長(zhǎng)179.2km。該公路穿越大量的炭質(zhì)巖，其形成于泥盆系中統(tǒng)（D2），巖性主要為深灰色薄一中層狀泥頁(yè)巖、灰黑色薄厚層狀炭質(zhì)泥頁(yè)巖、泥灰?guī)r，灰色中厚層狀灰?guī)r、砂巖、硅質(zhì)巖等，巖性變化較大，炭質(zhì)泥頁(yè)巖、泥灰?guī)r具崩解性。

由于炭質(zhì)巖具有易崩解軟化、環(huán)境敏感等不良工程特性，不宜直接作為填方路基的填料，若棄之不用不僅造成資源浪費(fèi)，而且對(duì)環(huán)境帶來(lái)一定的危害。因此，需要對(duì)炭質(zhì)巖填料采用合理處治措施以滿足CBR填筑指標(biāo)要求，并且設(shè)置良好的排水系統(tǒng)以防止炭質(zhì)巖在于濕循環(huán)下發(fā)生崩解軟化，影響路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。現(xiàn)選取河百高速公路K16+800段炭質(zhì)巖填筑路基作為試驗(yàn)路段進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)炭質(zhì)巖填筑路基進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)填筑效果。

2 新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑技術(shù)

2.1新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)

在河百高速公路段存在大量炭質(zhì)巖，故提出了一種因地制宜的炭質(zhì)巖路基填筑方法，在保證路基穩(wěn)定的情況下充分利用了炭質(zhì)巖。新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先，進(jìn)行初步的篩選，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將強(qiáng)度較低的炭質(zhì)泥巖排除，只選取炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)灰?guī)r或者強(qiáng)度較高的炭質(zhì)泥巖。在填筑時(shí)，控制分層厚度，并且進(jìn)行強(qiáng)夯加固。該新型炭質(zhì)巖路基充分利用炭質(zhì)巖，考慮炭質(zhì)巖遇水軟化特性，同時(shí)考慮了排水問(wèn)題，在炭質(zhì)巖路基下部設(shè)置的片石層及碎石層均具有良好的排水性能，路堤側(cè)面有一定坡度難以積水，路堤兩端設(shè)置排水溝。通過(guò)以上措施，使得該路基結(jié)構(gòu)排水性能十分顯著，保證了路堤自身始終處于干燥的環(huán)境，抑制炭質(zhì)巖的崩解軟化，從而保證了路堤的穩(wěn)定。同時(shí)在炭質(zhì)巖填筑路基的路堤上部采用了土質(zhì)較好的黏土層。

2.2 新型炭質(zhì)巖路基填筑技術(shù)要點(diǎn)

由于炭質(zhì)巖具有不良工程特性，以炭質(zhì)巖作為填料應(yīng)當(dāng)提升施工技術(shù)，確保填筑路基可正常使用。針對(duì)該路基結(jié)構(gòu)提出以下幾點(diǎn)主要步驟：

（1）地表清理、整平，測(cè)量放樣，進(jìn)行全線中線貫通，控制填土厚度。

（2）填筑試驗(yàn)段。通過(guò)試驗(yàn)段確定炭質(zhì)巖填筑路基壓實(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)施工。

（3）地基處理。清除軟弱土，換填合格填料，并在適宜排水的層位采用片石層、碎石層換填;不存在軟弱土?xí)r，直接填筑片石層、碎石層。片石層底面設(shè)置在排水方向向下3%的橫坡。

（4）炭質(zhì)巖填方整平。當(dāng)填方區(qū)一層炭質(zhì)巖填料上料完成后，按0.5m的松鋪厚度攤平和碾壓，碾壓時(shí)壓路機(jī)行駛速度控制在2km/h之內(nèi)。

（5）在經(jīng)過(guò)步驟4后的炭質(zhì)巖填筑層上采用20t以上振動(dòng)式壓路機(jī)碾壓，進(jìn)行路床填筑。

（6）施工排水溝。在填筑路堤的同時(shí)，在路堤的兩側(cè)按排水設(shè)計(jì)的要求施工排水溝，要求排水溝與路堤邊坡坡面的急流槽、滲溝等接順。當(dāng)排水溝底面高于片石層底面時(shí)，應(yīng)在排水溝下設(shè)置排水滲溝或加深排水溝至片石層底面;當(dāng)排水溝底面低于片石層底面時(shí)，應(yīng)設(shè)置泄水孔引排片石層的水至排水溝。

同時(shí)，為確保填筑路基質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)注意以下事項(xiàng)：（1）雨季施工應(yīng)做好臨時(shí)排水設(shè)施及預(yù)備擋雨措施;（2）用于填料的炭質(zhì)巖不能為崩解后成泥的炭質(zhì)巖;（3）嚴(yán)格按每層0.5m的松鋪厚度計(jì)算卸料密度，由遠(yuǎn)及近進(jìn)行卸料;（4）嚴(yán)格控制炭質(zhì)巖填層厚度和填筑寬度;（5）嚴(yán)格進(jìn)行炭質(zhì)巖路基壓實(shí)度的試驗(yàn)檢測(cè);（6）結(jié)合永久排水做好施工期間的臨時(shí)排水工作;（7）每層填筑時(shí)，在炭質(zhì)巖填層面做成2%-4%的橫向排水坡，并在路基兩側(cè)邊坡處每隔10-20m交錯(cuò)設(shè)置臨時(shí)排水溝;（8）路堤坡腳處及時(shí)做好臨時(shí)或永久性排水溝;（9）控制路堤滲水部分的填筑材料，選取水穩(wěn)性高及滲水性好的填料進(jìn)行填筑，防止?jié)B透動(dòng)水壓破壞路堤邊坡的穩(wěn)定。7F586183-5F75-4EE6-BBB1-B668EEBBF221

3 炭質(zhì)巖路基沉降計(jì)算分析

3.1炭質(zhì)巖路基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證炭質(zhì)巖路基填筑效果，在河百高速公路2標(biāo)段長(zhǎng)老鄉(xiāng)路基k16+800段設(shè)置沉降盤(pán)、測(cè)斜管、溫濕度計(jì)、滲壓計(jì)、土壓力盒等傳感器，以監(jiān)測(cè)炭質(zhì)巖填筑路基的穩(wěn)定性。沉降盤(pán)的布置及編號(hào)如圖2所示。

圖3為炭質(zhì)巖路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)填筑-沉降時(shí)程曲線，填筑時(shí)間為178d。填土高度近似線性增長(zhǎng)，而累計(jì)沉降量前期增長(zhǎng)快，后期逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

由圖3可以觀察到，大致在111d后，炭質(zhì)巖路基沉降逐漸趨向穩(wěn)定。實(shí)測(cè)的炭質(zhì)巖路基沉降時(shí)程曲線屬于有界曲線，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降的增量逐漸減小。

3.2 炭質(zhì)巖沉降計(jì)算及預(yù)測(cè)分析

傳統(tǒng)沉降計(jì)算方法都過(guò)于依賴試驗(yàn)，但是由于炭質(zhì)巖性質(zhì)的復(fù)雜性以及其他條件的影響，通過(guò)試驗(yàn)得到的參數(shù)往往是不精確的，而根據(jù)實(shí)測(cè)資料的沉降預(yù)測(cè)是在取得較為充分的沉降資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，能綜合考慮各種復(fù)雜因素對(duì)巖土體性質(zhì)的影響。鑒于此，本文提出一種四參數(shù)ExpGro2經(jīng)驗(yàn)法，同時(shí)與常用經(jīng)典方法進(jìn)行比較研究，比選出適合炭質(zhì)巖路基沉降的計(jì)算方法。

式中：S_t——t時(shí)刻的沉降量預(yù)測(cè)值;

S₀——初始沉降;

A₁，A₂，t₁，t₂——待定參數(shù)。

擬合曲線方程的參數(shù)如表1所示。

將已知參數(shù)模型對(duì)t求導(dǎo)，得出ExpGro2法沉降速率曲線，如圖4所示。由圖4可知，隨著時(shí)間增加，在加載期間中期以后，沉降速率逐漸為0，滿足規(guī)范要求。

采用ExpGro2法對(duì)河百高速公路K16+800監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果如圖5所示，擬合效果較好。

將擬合結(jié)果與其他多種方法進(jìn)行對(duì)比，如后頁(yè)表2所示。可知ExpGro2法具有較高的相關(guān)系數(shù)，擬合效果較其他方法更有優(yōu)勢(shì)，R²相關(guān)系數(shù)為0.986，擬合效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于廣西區(qū)內(nèi)有大量廢棄的炭質(zhì)巖的現(xiàn)狀，提出了一種充分利用炭質(zhì)巖的路基結(jié)構(gòu)及其填筑技術(shù)方法，并對(duì)已應(yīng)用路基進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行炭質(zhì)巖路基沉降預(yù)測(cè)方法適用性分析，得出以下結(jié)論：

（1）提出的炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑方法便于施工，可提高炭質(zhì)巖挖方的利用率，而且通車后穩(wěn)定性良好。

（2）通過(guò)比選經(jīng)典的曲線擬合法在炭質(zhì)巖路基沉降計(jì)算的效果，得到ExpGro2法對(duì)炭質(zhì)巖路基沉降預(yù)測(cè)效果良好，適合推廣使用。7F586183-5F75-4EE6-BBB1-B668EEBBF221