炭質巖路基填筑新技術及沉降計算分析

馬慧君 駱俊暉

摘要：基于廣西區內存在大量被棄用的炭質巖的現狀，文章提出了一種對針對炭質巖填筑路基的填筑新技術方法，結合便捷、經濟與保證質量的原則進行炭質巖填筑路基試驗段研究，同時提出采用四參數ExpGro2經驗法對現場監測到的沉降數據進行預測分析，并系統研究了曲線擬合法在炭質巖路基沉降預測中的適用性。分析研究表明：（1）由現場監測情況揭示了所提出的炭質巖路基填筑新技術效果良好，可推廣使用;（2）四參數ExpGro2經驗法可較好地預測炭質巖路基沉降變形規律及變形速率發展情況，在實際工程中可適用;（3）研究結果可為炭質巖路基填筑工程提供參考依據，具有一定的社會、理論和實踐意義。

關鍵詞：炭質巖;路基填筑;沉降計算;經驗計算法

中圖分類號：U416.04 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.003

文章編號：1673-4874（2019）10-0007-03

0引言

炭質巖具有易崩解、遇水軟化、風化后強度大幅度降低等工程特性，邊坡穩定性較差，不能直接作為路基填枓，工程處治費用較高，在工程中往往棄之不用。因此，若采用炭質巖作為高速公路路基填料，不僅需要提出科學合理的路基結構及其施工方法，還需對填筑路基沉降進行準確預測，以確保工后可正常使用。

目前，炭質巖路基填筑方法有路基分層法、包邊法、包芯法等，但是實施方案較為復雜，不利于路基填筑施工，迫切需要提出一種針對炭質巖工程特性的路基填筑技術，不僅能充分利用炭質巖作為路基填枓以節約資源，而且能保證炭質巖路基工程的質量。在路基沉降預測方面大致可分為兩類，一類是基于本構模型得到沉降數值解;另一類是根據現場監測數據代入經驗公式進行計算分析。在實際工程中，基于土體本構模型得到的沉降計算數值解存在一定誤差，并且過程復雜，不利于推廣使用，因此，工程中常根據現場實測監測沉降數據運用經驗公式法預測沉降。常用到的曲線擬合法有雙曲線法、Asaoka法、三點法等。雙曲線法在一定程度上可反映次固結沉降，在軟土地基沉降預測中應用較廣，但是只適合分析施工階段沉降，無法分析工后沉降;Asaoka法是Asooko（1978）基于一維固結方程提出的實用性方法，該法時間間隔的選擇對預測結果有一定的影響，而且Asooko法沒有考慮蠕變作用的影響;三點法作為我國規范常用方法，所選的三個點的沉降量需要滿足一定的要求。

基于上述存在問題，本文針對廣西炭質巖的工程特性，提出一種炭質巖路基結構及填筑新技術，同時建立了一種四參數經驗計算法對炭質巖路基進行沉降計算及預測分析，為炭質巖填筑路基的推廣應用提供基礎資料。

1工程概況

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

由于炭質巖具有易崩解軟化、環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，而且對環境帶來一定的危害。因此，需要對炭質巖填料采用合理處治措施以滿足CBR填筑指標要求，并且設置良好的排水系統以防止炭質巖在于濕循環下發生崩解軟化，影響路基的長期穩定性。現選取河百高速公路K16+800段炭質巖填筑路基作為試驗路段進行系統研究，對炭質巖填筑路基進行監測，檢驗填筑效果。

2 新型炭質巖路基結構及填筑技術

2.1新型炭質巖路基結構

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

首先，進行初步的篩選，根據經驗將強度較低的炭質泥巖排除，只選取炭質頁巖、炭質灰巖或者強度較高的炭質泥巖。在填筑時，控制分層厚度，并且進行強夯加固。該新型炭質巖路基充分利用炭質巖，考慮炭質巖遇水軟化特性，同時考慮了排水問題，在炭質巖路基下部設置的片石層及碎石層均具有良好的排水性能，路堤側面有一定坡度難以積水，路堤兩端設置排水溝。通過以上措施，使得該路基結構排水性能十分顯著，保證了路堤自身始終處于干燥的環境，抑制炭質巖的崩解軟化，從而保證了路堤的穩定。同時在炭質巖填筑路基的路堤上部采用了土質較好的黏土層。

2.2 新型炭質巖路基填筑技術要點

由于炭質巖具有不良工程特性，以炭質巖作為填料應當提升施工技術，確保填筑路基可正常使用。針對該路基結構提出以下幾點主要步驟：

（1）地表清理、整平，測量放樣，進行全線中線貫通，控制填土厚度。

（2）填筑試驗段。通過試驗段確定炭質巖填筑路基壓實有關數據以指導施工。

（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;不存在軟弱土時，直接填筑片石層、碎石層。片石層底面設置在排水方向向下3%的橫坡。

（4）炭質巖填方整平。當填方區一層炭質巖填料上料完成后，按0.5m的松鋪厚度攤平和碾壓，碾壓時壓路機行駛速度控制在2km/h之內。

（5）在經過步驟4后的炭質巖填筑層上采用20t以上振動式壓路機碾壓，進行路床填筑。

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

同時，為確保填筑路基質量，應當注意以下事項：（1）雨季施工應做好臨時排水設施及預備擋雨措施;（2）用于填料的炭質巖不能為崩解后成泥的炭質巖;（3）嚴格按每層0.5m的松鋪厚度計算卸料密度，由遠及近進行卸料;（4）嚴格控制炭質巖填層厚度和填筑寬度;（5）嚴格進行炭質巖路基壓實度的試驗檢測;（6）結合永久排水做好施工期間的臨時排水工作;（7）每層填筑時，在炭質巖填層面做成2%-4%的橫向排水坡，并在路基兩側邊坡處每隔10-20m交錯設置臨時排水溝;（8）路堤坡腳處及時做好臨時或永久性排水溝;（9）控制路堤滲水部分的填筑材料，選取水穩性高及滲水性好的填料進行填筑，防止滲透動水壓破壞路堤邊坡的穩定。7F586183-5F75-4EE6-BBB1-B668EEBBF221

3 炭質巖路基沉降計算分析

3.1炭質巖路基現場監測

為驗證炭質巖路基填筑效果，在河百高速公路2標段長老鄉路基k16+800段設置沉降盤、測斜管、溫濕度計、滲壓計、土壓力盒等傳感器，以監測炭質巖填筑路基的穩定性。沉降盤的布置及編號如圖2所示。

圖3為炭質巖路基監測點累計填筑-沉降時程曲線，填筑時間為178d。填土高度近似線性增長，而累計沉降量前期增長快，后期逐漸達到穩定。

由圖3可以觀察到，大致在111d后，炭質巖路基沉降逐漸趨向穩定。實測的炭質巖路基沉降時程曲線屬于有界曲線，隨著時間的增長，沉降的增量逐漸減小。

3.2 炭質巖沉降計算及預測分析

傳統沉降計算方法都過于依賴試驗，但是由于炭質巖性質的復雜性以及其他條件的影響，通過試驗得到的參數往往是不精確的，而根據實測資料的沉降預測是在取得較為充分的沉降資料的基礎上進行的，能綜合考慮各種復雜因素對巖土體性質的影響。鑒于此，本文提出一種四參數ExpGro2經驗法，同時與常用經典方法進行比較研究，比選出適合炭質巖路基沉降的計算方法。

式中：S_t——t時刻的沉降量預測值;

S₀——初始沉降;

A₁，A₂，t₁，t₂——待定參數。

擬合曲線方程的參數如表1所示。

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

采用ExpGro2法對河百高速公路K16+800監測點沉降數據進行擬合。擬合結果如圖5所示，擬合效果較好。

將擬合結果與其他多種方法進行對比，如后頁表2所示。可知ExpGro2法具有較高的相關系數，擬合效果較其他方法更有優勢，R²相關系數為0.986，擬合效果最佳。

4 結語

本文基于廣西區內有大量廢棄的炭質巖的現狀，提出了一種充分利用炭質巖的路基結構及其填筑技術方法，并對已應用路基進行監測，進而依據監測數據進行炭質巖路基沉降預測方法適用性分析，得出以下結論：

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

（2）通過比選經典的曲線擬合法在炭質巖路基沉降計算的效果，得到ExpGro2法對炭質巖路基沉降預測效果良好，適合推廣使用。7F586183-5F75-4EE6-BBB1-B668EEBBF221