公路軟巖高填方路基穩定性及其控制研究

摘要 依托某公路工程高填方路基試驗段，采用試驗研究方法，就軟巖填料的礦物組成、工程性能、壓縮性能和抗剪強度等進行了系列試驗。研究表明：軟巖填料主要由黏土礦物組成;飽水條件下的軟巖軟化系數要高于干濕循環作用下的軟化系數;壓實度為0.96時的軟巖壓縮系數隨著干濕循環作用基本保持不變;軟巖的抗剪強度在前6次干濕循環作用下減小幅度更加明顯，6次以后基本趨于穩定。研究成果為類似工程提供借鑒。

關鍵詞 高填方路基;軟巖填料;干濕循環;試驗研究

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0169-03

引言

隨著道路建設的發展，大量公路在建設過程中將易崩解的軟巖作為路基填料，伴隨長期自然條件作用使公路路基發生變形、翻漿冒泥等病害，從而影響路基的穩定性。

對此，眾多研究者采用數值分析和模型試驗等方法進行了研究。卿啟湘等[1]通過室內模型試驗對路堤填料的材料參數進行了系統的分析，通過數值方法計算了路堤在循環荷載作用下的變形特征，且結果與試驗基本吻合。袁偉[2]、鐘志彬等[3]就軟巖填料在高速鐵路作用中的變形機制和適用性進行了分析。劉新喜等[4]研究分析了軟巖在強風化作用下對路基填筑適宜性的影響。張魯新[5]采用數值模擬的研究方法，基于青藏鐵路這一工程背景，研究分析了溫度升高對凍土路基工程的影響。談云志等[6]利用三軸試驗儀器，分析了在干濕循環條件下，不同動荷載作用下泥巖的性能變化，系統分析了荷載幅值、荷載頻率和孔隙等因素對泥巖路基的穩定性影響。方燾等[7]通過試驗手段研究了某公路路基的千枚巖軟巖填料的特性，分析了該路基填料的力學特性和物理性能。研究表明千枚巖軟巖崩解性能好、強度不高。陳寶等[8]利用大三軸儀器對石灰改良路基土進行試驗研究，分析了固結比、摻灰率、動應變等影響因素對路基土彈性模量的影響。周葆春等[9]將石灰改良膨脹土制成壓實度為0.95的試件，對其進行試驗分析，獲得石灰改良膨脹土的機制，并得出本構模型。

該文基于某實際工程，對試驗段路基軟巖填料進行了系列試驗，研究分析了軟巖的礦物成分、工程特性、壓實度、抗剪強度等特性。針對軟巖引起的公路路基穩定性問題進行了分析并且提出了相應的控制措施。

1 工程概況

選用某實例公路工程項目為研究背景，選取軟巖高填方路基路段為研究對象。《公路路基設計規范》（JTGD30—2015）規定邊坡、中心填土高度大于20 m的路堤稱為高填方路堤，該公路路段共有6處高填方路堤。

2 試驗方案

基于規范（JTGD30—2015）的要求對兩處試驗路段的高填方路基軟巖填料進行了系列試驗研究，主要試驗方案如表1所示。

3 試驗結果分析

3.1 X射線衍射試驗

通過X射線衍射試驗可以完整清晰地得到試驗路段路基水敏性軟巖的礦物組成成分以及具體的含量。試驗結果表明該軟巖主要由黏土礦物組成，這是造成路基出現軟化、崩解等工程問題的主要原因。軟巖的具體礦物成分組成如表2所示。

3.2 軟巖的水敏性試驗

通過對軟巖進行崩解試驗得到崩解指數，評價軟巖的耐崩解能力，進而判斷路基的穩定性。具體試驗操作為選取三組天然的軟巖試樣，在對其表面進行清潔后放入飽水中，觀察崩解物質的脫落情況。在飽水作用結束后用恒溫烘干后冷卻，通過稱量其殘余質量可以計算得到耐崩解指數。

結果如圖1所示，由圖可知，在干濕循環的條件下，隨著循環次數的增加，耐崩解指數不斷減小，當循環次數進行到6次時三個試樣的曲線基本趨于穩定。

3.3 工程性能試驗

選取試驗段軟巖為研究對象，分別進行了界限含水率試驗、擊實試驗、CBR試驗測定該軟巖填料的工程性能。試驗結果如表3所示，表中詳細給出了軟巖填料的基本特性。由表3可知，軟巖的最優含水率為11.5%;最大干密度為1.89 g/cm3。根據其液塑性指標可以判定該軟巖表現出黏土特性，進一步印證了該填料中有較高含量的黏土礦物。并且軟巖的CBR為2.8，根據規范（JTGD30—2015）要求可知該類軟巖不宜作為路基填料，在實際工程中要采取加固措施和系列的排水措施。

3.4 壓縮性試驗

當上述軟巖試樣作為路基填料時，由于降雨等自然條件作用會使得填料不斷崩解使路基發生位移以及沉降等變化，進而對路基的穩定性造成影響。因此，有必要對該類軟巖進行工程性能試驗研究。

選取上述路段的軟巖試樣對其進行了含水率和壓縮性試驗，得到該路基填料的壓縮度和干濕循環次數的關系。如圖2所示，軟巖試樣的壓縮系數在干濕循環試驗進行到6次時趨于穩定。當壓實度為0.94和0.90時，試樣的壓縮系數呈現先減小后增大的變化趨勢;當壓實度為0.96時，其壓縮系數基本保持不變;當壓實度為1時，壓縮系數緩步增長。由此可知，在實際工程應用中，應當選取壓實度為0.96的該類軟巖作為填筑材料，以確保路基的穩定性。

3.5 抗剪強度試驗

為了進一步研究軟巖高填方路基的穩定性，該節進行了干濕循環條件下的軟巖填料抗剪強度、黏聚力和內摩擦角的試驗研究。選取試驗路段的軟巖，選擇最優含水率下的0.96壓實度試樣進行制樣。通過飽和24 h，50 ℃烘干24 h再飽和24 h的干濕循環試驗流程進行15次，隨后選擇8組結果用于抗剪強度試驗分析。圖3、圖4、圖5分別為抗剪強度、內摩擦角、黏聚力和干濕循環次數關系圖。由圖可知，在前6次干濕循環作用下，軟巖抗剪強度逐漸減小，降幅為86.7%，后3次循環作用下的軟巖衰減幅度明顯降低且基本趨于穩定;在干濕循環作用下軟巖的內部顆粒骨架結構受到破壞使得內摩擦角逐漸減小，黏聚力逐漸增大，從而弱化了軟巖的抗剪強度。因此，在實際工程中應當對軟巖填料進行破碎、雨淋再晾曬處理，使其抗剪強度降低以達到維護路基長期穩定的目的。

4 結論

該研究以某公路工程為研究背景，采用試驗分析的方法對試驗段的軟巖填料進行了一系列試驗，研究分析了軟巖填料的礦物成分、工程性能以及壓縮性和抗剪強度，并就其對路基穩定性的影響進行了分析，得到以下結論：

（1）軟巖主要由黏土礦物組成，會造成路基出現軟化、崩解等工程問題，作為路基填料時要采取加固措施和系列的排水措施。

（2）飽水條件下的軟巖軟化系數要高于干濕循環作用下的軟化系數，故而在實際工程中，此類填料在降雨等自然條件反復作用下會顯著劣化破壞，喪失部分工程性能。

（3）壓實度為0.96時的軟巖壓縮系數隨著干濕循環作用基本保持不變，因此，在實際工程應用中，應當選取壓實度為0.96的軟巖作為填筑材料，以確保路基的穩定性。

（4）軟巖的抗剪強度在前6次干濕循環作用下減小幅度更加明顯，6次以后基本趨于穩定;干濕循環作用使軟巖的內摩擦角逐漸減小，黏聚力逐漸增大，從而弱化軟巖的抗剪強度;因此，在實際工程中應當對該類軟巖填料進行破碎、雨淋再晾曬處理，使其抗剪強度降低以維護路基的長期穩定。

參考文獻

[1]卿啟湘， 王永和， 李光耀， 等. 軟巖填筑高速鐵路路堤的室內試驗研究[J]. 巖土力學， 2006（7）： 101-105+110.

[2]袁偉. 軟巖填料在高速鐵路中的適用性分析與沉降研宄[D]. 長沙：中南大學， 2009.

[3]鐘志彬， 李安洪， 鄧榮貴， 等. 高速鐵路紅層軟巖路基時效上拱變形機制研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2020（2）： 327-340.

[4]劉新喜， 夏元友， 劉祖德， 等. 強風化軟巖路基填筑適宜性研究[J]. 巖土力學， 2006（6）： 903-907.

[5]張魯新. 青藏鐵路高原凍土區地溫變化規律及其對路基穩定性影響[J]. 中國鐵道科學， 2000（1）： 36-47.

[6]談云志， 胡莫珍， 周瑋韜， 等. 荷載-干濕循環共同作用下泥巖的壓縮特性[J]. 巖土力學， 2016（8）：165-171.

[7]方燾， 鄭明新， 郭建湖. 軟巖填筑路基的壓實特性研究[J]. 路基工程， 2006（1）：52-55.

[8] 陳寶， 李永剛. 石灰改良路基土動彈性模量的影響因素分析[J]. 地下空間與工程學報，2011（S1）：524-528.

[9] 周葆春， 孔令偉， 郭愛國. 石灰改良膨脹土的應力-應變-強度特征與本構描述[J]. 巖土力學， 2012（4）：999-1005.

收稿日期：2022-03-16

作者簡介：熊源（1988—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。