高填方路堤變形特性研究

盧 征

(中鐵長(zhǎng)江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

1 概述

近年來(lái)，伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)西南部山區(qū)交通建設(shè)得到迅猛發(fā)展。鑒于我國(guó)西南部山區(qū)的特殊地形，在高速公路、機(jī)場(chǎng)等交通基礎(chǔ)設(shè)施修建過(guò)程中，往往出現(xiàn)高填方路堤[1]。出于環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多方面考慮，高填方路堤填料多采用工程附近路塹開(kāi)挖的土石混填料[2]。

高填方路堤的變形特性與穩(wěn)定性關(guān)乎交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)。王祿洲等[3]采用離心試驗(yàn)、人工智能方法對(duì)昔格達(dá)層高填方路堤沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。汪磊等[4]研究了不同筋材剛度對(duì)加筋土擋墻性能的影響，采用土工離心試驗(yàn)檢測(cè)了土工格柵應(yīng)變、面板水平位移和土壓力等變形參數(shù)。陳科平等[5]通過(guò)土工離心現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，研究了吹填陸域真空預(yù)壓后的固結(jié)沉降特性。陳蘇等[6]基于離心模型試驗(yàn)對(duì)黃土路塹邊坡開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變的變化過(guò)程，分析了均質(zhì)黃土邊坡數(shù)值模型的應(yīng)力、應(yīng)變分布特征。

針對(duì)目前土石混填料高填方變形特性研究較少，本文通過(guò)土工離心模型試驗(yàn)，研究土石混填料(土石比為30∶70)高填方路堤縮尺模型的水平與垂直變形特性進(jìn)行研究，研究結(jié)果可用于指導(dǎo)類(lèi)似工程項(xiàng)目的建設(shè)與施工。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)根據(jù)西南地區(qū)高填方路堤土石組成比例，選用土石混填料(土石比30∶70)材料技術(shù)指標(biāo)如表1所示。通過(guò)采用土石混填料制作高填方路堤縮尺模型，研究土石混填料縮尺模型變形特性與穩(wěn)定性。

表1 土石混填料技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)在土工離心機(jī)上進(jìn)行，離心機(jī)由主機(jī)、拖動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)和影像系統(tǒng)四大部分組成。離心機(jī)的有效容量為25 gt，有效半徑為1.5 m。加速度取值范圍為10g～250g，模型箱尺寸為600 mm×400 mm×400 mm，電機(jī)功率30 kW，影像系統(tǒng)為2 ms級(jí)攝影系統(tǒng)。不同模型達(dá)到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速后，再持續(xù)加載1 h。加載結(jié)束后，記錄模型水平位移與垂直位移。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

土工離心試驗(yàn)的兩個(gè)重要目的是模擬原型材料特性和監(jiān)測(cè)模型形態(tài)。本次試驗(yàn)采用物理方法對(duì)模型的位移進(jìn)行測(cè)量，即通過(guò)模型靠近有機(jī)玻璃的一側(cè)做標(biāo)記，標(biāo)記在離心力作用下隨土體發(fā)生位移，通過(guò)表征試驗(yàn)前后位移的坐標(biāo)差求得各點(diǎn)的位移，并且采取模型的邊坡坡面上通過(guò)安置位移傳感器的手段，對(duì)邊坡坡面上的兩個(gè)點(diǎn)的位移變化進(jìn)行表征。離心機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)如圖1所示。

2.4 模型特性與制作

離心模型試驗(yàn)的基本目的是使模型能夠重現(xiàn)原型的應(yīng)力應(yīng)變特性。制作模型過(guò)程中，模型的物理量必須按照相應(yīng)的模型率制備，本次模型的尺寸如圖2所示。

根據(jù)圖2模型的設(shè)計(jì)方案與成型參數(shù)，取用備好的固定比例(土石比30∶70)的土石混填料，采用體積法分六層擊實(shí)，在最佳含水量的條件下使其達(dá)到預(yù)定的壓實(shí)度，邊坡采用刮土刀削成設(shè)計(jì)坡比。其中基巖采用剛度較大的材料進(jìn)行模擬，并具有一定的坡比。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)離心試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行加載后，模型的水平位移與垂直位移如圖3,圖4所示。

分析圖3可知，模型的水平位移均經(jīng)歷兩個(gè)變形階段，第一階段為10 m以下，水平位移隨著路堤高度的增加而變大，當(dāng)路堤高度大于10 m時(shí)，水平位移隨著坡高不斷減小。不同坡比的土石混填料高填方路堤的水平位移變化規(guī)律相似，水平位移最大值均出現(xiàn)于模型中下部。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)對(duì)水平變形位移最大處采取相應(yīng)預(yù)防措施，從而提升高路堤的穩(wěn)定性。

由圖4可以得出，土石混填料高填方路堤的垂直位移隨著路堤高度的增加而變大。隨著坡比的增大，高填方路堤的垂直位移也逐漸變大，說(shuō)明坡比1∶1.5的土石混填高填方路堤的沉降大于坡比1∶2的土石混填高路堤，即邊坡越緩，土石混填料高填方路堤的沉降量越小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)土石比為30∶70的土石混填料高路堤離心試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下三點(diǎn)結(jié)論:

1)土石混填料高路堤的最大水平位移出現(xiàn)在中下部。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)采取相應(yīng)措施，減小中下部的水平位移。

2)土石混填料高路堤的坡度1∶2的垂直位移小于坡度1∶1.5的垂直位移，說(shuō)明當(dāng)填料相同時(shí)，邊坡越緩，路堤的沉降量越小。

3)土石混填料高路堤的離心模型在試驗(yàn)結(jié)束后，均未發(fā)生破壞，證明土石混填料高填方路堤的穩(wěn)定性與安全性能可以得到保證。