全風化軟巖填料的工程特性及其高填路堤沉降特性分析

郭志玉，張 榮，鄭博文，南 凱，李 莎

(1.中鐵十二局集團四公司，陜西 西安 710000；2.重慶交通大學 水工建筑物健康診斷技術重慶市高校工程研究中心，重慶 400074)

隨著中國高速公路基礎建設的發展，公路建設的重點開始向西部山區延伸，沿線地形已經從平原微丘區向山嶺重丘區轉變，途徑地區軟巖分布范圍較廣泛，路基填筑填料大多以風化軟巖為主。鄭明新等[1]、劉新喜等[2]、但漢成等[3]在分析風化軟巖基本礦物成分、耐崩解性的基礎上，結合風化巖塊力學強度和擊實試驗結果，初步判定了軟巖填筑路基的可行性。

高填路堤填筑施工前必須對填料的工程特性進行研究，主要包括擊實特性、承載比特性、壓縮特性、抗剪強度特性以及沉降特性和穩定性等。劉新喜等[2]對強風化軟巖路基填筑開展了研究，說明全風化軟巖填料具有良好的壓實性能,可用于高等級公路路基填筑。卿啟湘等[4]采用室內模型試驗對軟巖擊實填料強度和剛度進行了探究。胡萍等[5]對石灰和水泥改良土強度形成機理進行分析,開展軟巖改良土大量的室內實驗研究,從化學改良方面研究軟巖填料的特性。伍賢熙等[6]、杜江等[7]研究了改良花崗巖的路用性能，并確定生石灰和纖維的最佳摻配比。賈科敏等[8]通過室內擊實和承載比試驗，提出垃圾土顆粒級配對抗剪強度有較大的影響。鞠興華等[9]通過室內和現場試驗等方法對泥質軟巖填料工程特性進行研究，提出水和擊實功對填料級配變化影響較大。馬捷等[10-11]分析了不同粗顆粒含量灰巖料的壓縮特性和抗剪強度特性。付宏淵等[12]基于飽和-非飽和滲流及穩定性分析基本理論，提出了降雨條件下多因素變化情況下的路堤動態穩定性分析。李新旺等[13]、馮忠居等[14]采用灰色關聯法對影響高填路堤邊坡穩定性的因素進行了探索。

依托工程沿線修建山區地質條件復雜，路基填筑就地取材。該路基填料主要為泥質砂巖和粉砂巖，且風化程度高，強度較低，抗變形能力差[15]，給路基填筑帶來一定困難。由于全風化泥質砂巖作為軟巖的特殊性，不同風化程度以及工程水文地質條件下各性能差異性較大，且工后沉降量較大。因此本文借鑒已有的研究方法，針對某高速公路沿線全風化泥質砂巖填料開展室內試驗以及數值模擬，研究不同壓實度全風化軟巖的承載比特性和壓縮特性，并對特殊路段全風化軟巖高填路堤進行沉降性和穩定性研究，為其路堤填筑施工提供理論依據。

1 工程概況

四川德遂高速位于四川盆地中部的四川低山丘陵區，龍泉山脈以東，地勢總體上為西北高，東南低。選取全風化泥質砂巖高填路堤地段位于景福鎮，該地項目區屬季風付熱帶氣候，平均在1 000 mm左右，只是在季節上分配不均，干濕季分明。 根據勘察鉆探，該地區出露地層為侏羅系，上統蓬萊鎮組(J3P)，地層巖性主要為紫紅、黃灰色厚層塊狀細長石砂巖、巖屑長石砂巖，夾紫紅色黏土巖，粉砂巖、泥巖以及泥質砂巖，上部遭受風化剝蝕。地層較平緩，地層傾角小于10°。巖層走向為，北東一南西向，巖層穩定。巖層主要發育有2組共軛的X型節理裂隙，裂隙傾角近垂直，裂隙密度一般2～3 m/條，受基巖垂直節理影響，出露基巖段邊坡多陡峭，偶有崩塌掉塊現象。在路堤填筑時對全風化泥質砂巖填料對進行強夯處理，每隔2 m進行沖擊碾壓。

2 工程特性

2.1 全風化軟巖填料的基本性質

試驗土料來自德遂高速TJ4標段，所取全風化軟巖填料均為爆破后所留，顏色呈暗紅色，與土壤顏色相似，含有泥質膠結物。磨圓度較高，形狀呈長扁球體。其液限約為30%，塑限約為16%。用振篩機篩分土樣，將現場土料依次通過60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的篩孔，測試級配曲線如d1(圖1)，其含石量約為25%。但由于試驗儀器限制，且使用等量替代法所得強度較為接近實際值，因此將測得級配使用等量替代法換算級配曲線見d2。通過室內重型擊實試驗測得該土體的最大干密度為1.93 g/cm3，最優含水率為10.5%。

圖1 級配曲線

2.2 承載比特性

CBR值是路堤重要的強度評價參數，其大小反映了土體的局部抗剪強度和水穩定性。研究路段全風化軟巖填料具有強度低，抗變形能力差的特點，在降雨等不利環境下可能會發生翻泥冒漿和失穩變形等危害。

根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》[15]對高速公路路堤填料的壓實度做出規定：路床大于等于96%，上路堤大于等于94%，下路堤大于等于93%。CBR值的規定如下:上路床大于等于8，下路床大于等于5，上路堤大于等于4，下路堤大于等于3。為了對全風化軟巖填料的CBR值進行研究，對制作不同壓實度分別為96%、94%、93%的土樣，含水率為各自最優含水率，每種壓實度制備2個平行樣。將試筒放在帶調節桿的多功能板上面通過拉桿擰緊模具，將載荷板放入試筒中，整體模具放入水槽中并安裝百分表。在水槽中注水使水面高度高于頂部25 mm，通常使試樣浸泡4晝夜來模擬路堤浸水的最不利條件，并用萬能試驗儀進行貫入試驗(圖2)。

a)試樣浸水

通過測定千分表的變化量，得到全風化軟巖填料的膨脹率見圖3?？梢钥闯?種壓實度的全風化泥質軟巖的膨脹率在1.29%～1.87%。在長期飽水作用下填料有一定的膨脹量，但其不屬于膨脹土范圍。填料壓實度越大，膨脹率越小，其原因是當壓實度較大時，土樣孔隙比較小則水與土顆粒接觸面積較小，從而吸水量小，從而吸水膨脹率小。

圖3 膨脹率

通過貫入試驗得到土樣的CBR結果見圖4?？梢钥闯鲈嚇拥暮奢d-位移曲線都呈上凸狀，貫入初期曲線平緩，壓實度越大時初期斜率越平緩，隨著貫入量增大，曲線斜率越大。在貫入初始階段，土樣產生彈性變形，貫入相同的位移條件下，土體愈密實則需愈大的單位壓力。隨著貫入位移的改變，土體產生局部剪切破壞，發生相同的貫入位移只需增大較小的單位荷載，因此斜率變大。

圖4 不同壓實度土體荷載-位移曲線

全風化軟巖填料的CBR值見表1，每種壓實度取較大值為其實際CBR值。壓實度為96%時，CBR值為8.71；壓實度為94%時，CBR值為4.69；壓實度為93%時，CBR值為3.63，可以看出壓實度越大則CBR值越大。3種壓實度的全風化軟巖填料CBR值都滿足承載比要求，可以用作路堤填料，提高壓實度能提高路基強度。

表1 不同壓實度土體的CBR值

2.3 壓縮特性

全風化軟巖填料的壓縮特性是影響路基沉降的重要因素。依托工程為高填方路堤，路堤中部土體處于側限狀態，故有必要對其側限壓縮特性進行研究。采用單向壓縮儀，試樣高度為100 mm，直徑為150 mm，試驗過程見圖5。通過添加砝碼對其進行荷載施加，應力路徑為0—50 kPa—100 kPa—200 kPa—300 kPa—400 kPa—600 kPa—800 kPa。每隔一段時間對其進行讀數，當沉降量低于0.01 mm/h時，視為變形穩定，方可添加下一級荷載至結束試驗。濕化變形試驗采用單線法，待試樣在800 kPa的荷載下沉降穩定后，由底座的小孔向試樣內緩慢注水，濕化時間至少為48 h，當最后一小時沉降量低于0.01 mm/h時可結束試驗。

圖5 壓縮試驗

根據土樣沉降量得到土體壓縮模量結果見圖6，壓縮模量體現了土體在完全側限的條件下抵抗變形的能力。隨著上部荷載的增大，土體的壓縮模量也不斷增大；在相同的豎向荷載下，壓實度越大則壓縮模量越大。

圖6 不同壓實度土體壓縮模量曲線

在壓縮過程，土體克服自身黏聚力和內摩擦力排出空氣，土顆粒之間發生相對位移并進行壓實和填充，使得土體的孔隙比不斷減小，密度不斷增大，因此壓縮模量逐漸增大。壓縮初期土體內部的孔隙較大，施加較小的壓力就會產生較大的豎向變形，土體處于彈性變形階段，因此加載初期壓縮模量曲線斜率較小。隨著上部荷載的增大，土體處于彈塑性變形階段，土體受到擠壓更加密實，施加相同的壓力只能發生較小的形變，因此孔隙比的變化率越來越小，壓縮模量的增長越來越平緩。壓實度較大的土體在加載初期斜率越大，是因為其孔隙比較小，產生相同的變形則需要更大的壓力，因此斜率較大。可見壓實系數對于全風化軟巖填料的壓縮特性產生了較大的影響，提高壓實度對于降低路基沉降具有重要意義。

圖7為不同壓實度軟巖濕化變形量，可以得出軟巖填料飽水后會產生一定的沉降量。濕化變形率指的是在同級應力作用下，浸水前后試樣的變形量差值與試樣初始高度的比值，3種壓實度對應的濕化變形率為2.03%、3.24%、3.86%。可見隨著壓實度的增加，填料的濕化變形率越小。當壓實度達到93%時，浸水飽和后試樣的濕化變形率總體不高。

為了便于比較，采用壓力間隔為100～200 kPa時對應的壓縮系數來評價土的壓縮性。當壓實度為96%和94%時，壓縮系數分別為0.066、0.080，土體為低壓縮性土；當壓實度為93%時，壓縮系數為0.100，土體屬于中壓縮性土。

圖7 不同壓實度軟巖濕化變形量

3 沉降特性分析

在高填方全風化軟巖路基填筑過程中，對其土體強度和穩定性有一定要求，特別是其填料風化程度較高，強度較低，施工后容易產生變形和不均勻沉降。填料壓實度和含石量是高填路堤沉降量的重要要影響因素，采用上述試驗以及地勘報告為依據，利用MIDAS gtsnx對特殊高填路堤斷面進行沉降變形研究。

3.1 數值模型

特殊地段高填路基路基寬度為26 m，高度為20 m，采用臺階式邊坡填筑每隔約8 m設置臺階，臺階寬度為2 m。邊坡坡率為(1∶2)～(1.0∶1.5)，數值模型見圖8。地基參數見表2。

圖8 數值模型

表2 地基參數

各層土體均采用摩爾-庫倫本構模型，褥墊層和CFG樁采用彈性模型。正常工況添加重力荷載，邊界側向對進行x、y向約束，底面對其進行x、y、z向約束，施工階段定義為應力。施工過程中對軟土地基進行地應力平衡，路堤采用分層填筑的方式進行施工模擬。

3.2 壓實度對高填軟巖路堤沉降特性的影響

為研究壓實度對高填軟巖路堤沉降特性的影響，取含石量為25%，不同壓實度下高填路堤填料的材料參數見表3，其余材料參數見表2，建立數值模型對路堤沉降量受填料壓實度的影響進行研究。

表3 材料參數

不同壓實度條件下路堤沿中心線沉降特性見圖9，隨著路堤深度的增加，路堤的沉降量也增加，最大沉降出現在路堤中下部位；由于路堤底部褥墊層模彈性模量較大，因此隨著路堤深度的增加，沉降量逐漸減小。壓實度為98%、96%、94%、92%下路堤的最大沉降分別為10.24、10.45、10.87、11.12 cm，可見隨著壓實度越大，路堤工后沉降越小，但沉降量差距不大。因此壓實度對路堤沉降量的影響較小，依靠提高壓實度來減小路堤沉降的施工工藝不是很經濟，實際施工過程中要依據填料參數選擇合理經濟的壓實度。

圖9 不同壓實度的路堤沉降量

3.3 含石量對高填軟巖路堤沉降特性的影響

為研究含石量對高填軟巖路堤沉降特性的影響，模擬工況為4種不同含石量軟巖填料路堤的沉降，取壓實度為96%，含石量分別為10%、25%、55%，其參數見表4。

表4 不同含石量材料參數

不同含石量條件下路堤沿中心線沉降特性見圖10，隨著路堤深度的增加，下部路堤受到的荷載越來越大，因此沉降量越來越大，而底部地基的剛度大于上部路堤，因此沉降最大值發生在路堤高約1/3處，而并非發生在路堤底部，路堤的沉降量隨著深度的增加而呈先增大后減小的趨勢。含石量為85%、55%、25%、5%時下路堤的最大沉降分別為11.18、10.21、10.45、12.32 cm，可以看出軟巖填料含石量對路堤沉降特性有一定影響，沉降量隨含石量的增加呈先減小后增大的趨勢。隨著含石量的增加，粗顆粒發揮骨架作用越明顯，細顆粒起到填充孔隙作用，土石混合軟巖填料的結構形式由懸浮-密實結構逐漸轉變為骨架-密實結構，填料的密實度增大，抵抗變形的能力變強，工后沉降減小。隨著含石量的繼續增大，細顆粒無法完全填充粗顆粒之間的間隙，導致密實度下降，因此沉降量增大。在路基填筑時，應當選擇含石量為55%左右的軟巖填料進行填筑。

圖10 不同含石量的路堤沉降量

4 結論

a)壓實度為96%、94%、93%全風化泥質軟巖的膨脹率在1.29%～1.87%，不屬于膨脹土范疇。壓實度越大則CBR值越大，且壓實度為96%、94%、93%的全風化軟巖填料均滿足路堤承載比要求，可以用作路堤填料。

b)壓實度越大則壓縮模量越大，在壓縮初期壓縮模量曲線斜率較大，壓縮后期壓縮模量隨豎向應力的增大而緩慢增加。3種壓實度對應的濕化變形率為2.03%、3.24%、3.86%，濕化變形率較低。壓實度為96%和94%的土樣為低壓縮性土，壓實度為93%的土樣為中壓縮性土。

c)隨著路堤深度的增加，軟巖高填路堤沉降呈先增大后減小的趨勢，且最大沉降發生在路堤高1/3處。路堤填料壓實度越大則沉降量越小，但沉降量在數值上差距不大，因此依靠提高壓實度來減小沉降量不夠經濟。

d)隨著軟巖高填路堤含石量的增加，路堤的沉降量先減小后增大。含石量為55%時，路堤沉降量達到最小，因此選取含石量為55%的軟巖進行路堤填筑。