黃土填料高填方路堤壓實(shí)效果分析

劉 兵

(山西交通控股集團(tuán)有限公司呂梁南高速公路分公司 汾陽(yáng)市 032200)

0 引言

采用黃土作為路基填料，必須保證路基的穩(wěn)定性和變形滿足要求，而路基壓實(shí)效果是影響沉降變形的最主要因素之一[1]。路基壓實(shí)質(zhì)量不合格，會(huì)直接導(dǎo)致路基路面工后沉降變形超過(guò)容許范圍，進(jìn)而出現(xiàn)開(kāi)裂、沉陷、橋頭跳車等病害[2]，影響行車舒適性和行車安全。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)黃土填料高填方路堤的沉降監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)路基壓實(shí)效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行處理。結(jié)合太原市太行路黃土填料高填方路堤施工案例，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定施工方案，并在施工過(guò)程中開(kāi)展監(jiān)測(cè)，分析路堤橫向和縱向變形規(guī)律，確定路基壓實(shí)效果。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

山西省太行路公路工程K6+100～K7+360段設(shè)計(jì)采用高填方路基，該施工區(qū)域地表高低起伏大。太行路公路工程為城市快速路，路堤最大填方高度約13m，路基填料采用太原東山黃土。該路段原地基為濕陷性黃土，最大濕陷深度達(dá)到11.2 m。為提高地基承載力，采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處治。路基填筑采用分層壓實(shí)和重夯相結(jié)合的方式，以保證路基的壓實(shí)質(zhì)量。

1.2 黃土填料高填方路堤施工方案

高填方路堤填料選用太原東山地區(qū)的黃土，施工過(guò)程中嚴(yán)禁混入生活垃圾等雜物。嚴(yán)格控制路基填料含水率，略高于最佳含水量1%左右，以保證壓實(shí)后達(dá)到最大干密度，進(jìn)而達(dá)到最大壓實(shí)度[3]。如填料含水率過(guò)大，應(yīng)進(jìn)行翻曬，填料含水率不足時(shí)應(yīng)灑水悶料。

為了進(jìn)一步提高路基壓實(shí)質(zhì)量，在采用壓路機(jī)壓實(shí)的同時(shí)，進(jìn)行重夯處治進(jìn)一步提高路基壓實(shí)度。重夯機(jī)械選用QU20型起重機(jī)，采用質(zhì)量為5 t的圓形夯錘，錘底直徑1.4 m。施工配備推土機(jī)2 臺(tái)、平地機(jī)2 臺(tái)、50t振動(dòng)壓路機(jī)2 臺(tái)。施工前使用推土機(jī)對(duì)原地面進(jìn)行清表，超挖2m后采用重夯進(jìn)行處理，加固深度不得低于1 m，然后在路基基底通鋪1 m厚6%灰土。黃土填料分層填筑、采用振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)，然后再進(jìn)行重夯處治。重夯夯點(diǎn)采用正方形布置，布置間距為2.5 m，單點(diǎn)夯擊能為500kN·m。重夯一共為三遍，第一遍夯擊1號(hào)主夯點(diǎn)，第二篇夯擊2號(hào)副夯點(diǎn)，第三遍夯擊全部夯點(diǎn)。

2 黃土填料高填方路堤沉降計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

黃土填料高填方路堤的沉降包括路基自身壓縮變形沉降、地基土沉降、施工期間沉降和完工后沉降。本文主要研究路堤在自重作用下產(chǎn)生的沉降，常用的研究方法有分層總和法、數(shù)值計(jì)算法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)等方法。分層總和法是對(duì)路堤各個(gè)分層中心位置應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合室內(nèi)壓縮曲線，進(jìn)一步計(jì)算得出路堤總體沉降量。

(1)路堤內(nèi)部應(yīng)力計(jì)算公式

高填方路堤采用分層填筑，是一個(gè)逐級(jí)加載的過(guò)程，在土體自重應(yīng)力的作用下各層土體產(chǎn)生壓縮變形。分析各土層所承受的應(yīng)力，分別對(duì)各土層沉降變形進(jìn)行計(jì)算，累加起來(lái)得到路堤的總變形。

為簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，不考慮車輛荷載的作用，各土層自重應(yīng)力σi按式(1)計(jì)算。

σi=γiHi

(1)

每填筑一層，對(duì)下方各層土體的附加應(yīng)力按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Hj、Bj為第j層填土厚度、上頂寬；Lj為第j層填土邊坡寬度；Δσij為第j層填土對(duì)第i層土體的附加應(yīng)力；y為第i層和第j層土層中心高差(m)。

上方土體對(duì)第i層土體附加應(yīng)力總和按式(3)計(jì)算：

(3)

(2)分層總和法計(jì)算公式

(4)

式中：Hi為第i層填土厚度；Pi為第i層填土受到的所有應(yīng)力之和，Pi=σi+Δσi；ESi為第i層填土在受到所有應(yīng)力作用時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓縮模量。

路堤總變形量為每層填土壓縮變形的和，按式(5)計(jì)算：

(5)

2.2 路堤沉降量計(jì)算

結(jié)合本施工案例，選取K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100五個(gè)典型斷面，計(jì)算路堤沉降量。為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，分層厚度為1m，分別對(duì)每層壓縮變形量進(jìn)行計(jì)算。五個(gè)典型斷面填層厚度分別為28 m、23 m、19 m、17m、16 m，邊坡坡度均為1∶1.5，路堤頂部寬度為32m。每隔一定厚度確定一次填土壓縮模量ES，分別按3n、3n+1、3n+2(n取值范圍為0～9)三個(gè)代表深度，Es-P冪函數(shù)擬合公式如表1所示，各典型斷面沉降計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 不同代表深度Es-P冪函數(shù)擬合公式表

表2 典型斷面沉降量計(jì)算結(jié)果

3 路基變形監(jiān)測(cè)方案

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

路基沉降變形包括自身壓縮變形產(chǎn)生的沉降和地基壓縮變形產(chǎn)生的沉降變形兩部分，為降低地基沉降變形，采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固，路堤分層填筑、分層壓實(shí)，逐層檢測(cè)壓實(shí)度，并開(kāi)展沉降監(jiān)測(cè)，確定路基壓實(shí)效果。在K6+100～K7+360段高填方路堤施工過(guò)程中，布置監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)填方路基內(nèi)部變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地基變形和路面沉降變形采用高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，填方路基內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)通過(guò)沉降儀、PVC沉降管和沉降磁環(huán)開(kāi)展監(jiān)測(cè)。

在填方路段，每隔200m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別在路基中線和兩側(cè)路肩布置3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)孔。沿線布置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100，共布設(shè)15個(gè)孔，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。每個(gè)沉降監(jiān)測(cè)孔沿深度方向布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降磁環(huán)布置深度分別為0、3m、7m、地基頂部(最大深度為13m)位置。

圖1 高填方路堤沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)方法

主要研究路堤的豎向沉降變形，分層埋入沉降管和沉降磁環(huán)后，使用分層沉降儀對(duì)路堤的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]，分析路堤內(nèi)部不同深度土層的壓縮變形情況。在正式開(kāi)展路堤沉降監(jiān)測(cè)前，首先選取一個(gè)校核基點(diǎn)，通常布置在路堤施工范圍以外，并做好保護(hù)，本項(xiàng)目共選取3個(gè)基點(diǎn)。沉降監(jiān)測(cè)采用XBHV-10型鋼尺分層沉降儀，通過(guò)測(cè)量每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)磁環(huán)與管頂之間的距離，計(jì)算確定沉降量。測(cè)量時(shí)首先將金屬測(cè)頭放入沉降管底部，然后自下向上依次測(cè)量各個(gè)磁環(huán)與管頂之間的距離，測(cè)頭接觸到磁環(huán)上部時(shí)會(huì)發(fā)出鳴響，記錄此時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。每個(gè)磁環(huán)觀測(cè)兩次數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)偏差不超過(guò)2mm，取平均值作為當(dāng)次監(jiān)測(cè)結(jié)果[5]。根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高確定各沉降管管口標(biāo)高H0，然后根據(jù)各磁環(huán)距管口距離ΔH，計(jì)算確定磁環(huán)標(biāo)高H，如式(6)。

H=H0-ΔH

(6)

測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后首次測(cè)量確定各磁環(huán)初始標(biāo)高，以后每次測(cè)量后標(biāo)高與初始值相減確定沉降量，測(cè)量精度為1 mm。

4 路堤現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 典型斷面橫向監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

K6+100～K7+360段高填方路堤施工完成后不久就開(kāi)始運(yùn)營(yíng)通車，同時(shí)開(kāi)展沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)填方路堤內(nèi)部沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為一年。由于各斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律相近，選取五個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中填方高度最大的K6+700斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果作為研究對(duì)象，分析確定路堤橫向沉降變化規(guī)律。整理C1-3、C2-3、C3-3三個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制沉降變化曲線如圖2所示。

圖2 K6+700斷面各測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線

分析圖2所示曲線變化趨勢(shì)，路基中部沉降變形量最大，兩側(cè)路肩沉降變形量相對(duì)較小，均呈現(xiàn)前期沉降變化速率較高，后期逐步趨緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。路堤中部沉降量最大，為29 mm，兩側(cè)路肩累積沉降量分別為24.5 mm和26 mm，路堤中部沉降量最高。兩側(cè)路肩沉降量存在一定的差異，填筑厚度相同，分析原因是由于路堤上部交通荷載、兩側(cè)地形、地基地質(zhì)情況、壓實(shí)工藝等存在差異造成的。

4.2 路堤縱向監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由于路堤中部的沉降變形量最大，因此取路堤中部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)分別為C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5五個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為360d，收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制各測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 路堤中部測(cè)點(diǎn)沉降量變化曲線

分析圖3所示曲線變化趨勢(shì)，可以得出在監(jiān)測(cè)前期各測(cè)點(diǎn)沉降變形量較大，變形速率較高，在監(jiān)測(cè)28d后沉降量明顯下降，監(jiān)測(cè)300d后逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。分析原因是前期路堤沉降量較大，主要是由于路堤在自重和外界荷載的作用下不斷固結(jié)，而后期路堤壓縮變形不斷穩(wěn)定，路堤內(nèi)部逐漸固結(jié)，沉降變形逐步達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。另外，各測(cè)點(diǎn)最終沉降量存在一定的差異，其中C2-3沉降量最大，為29 mm，而C2-5沉降量最小，為24.2 mm，分析原因是由于路堤填筑厚度不同等原因造成的。

4.3 理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，填方路堤最大沉降變形量為29 mm，各監(jiān)測(cè)斷面理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如表3所示。

表3 各監(jiān)測(cè)斷面理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

通過(guò)對(duì)比分析，可以得出理論計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，分析原因主要受施工因素、取樣代表性、試驗(yàn)方法等方面的影響造成的。另外，各斷面實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明該路段黃土填料高填方路堤沉降量較小，路堤穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)語(yǔ)

在太行路高填方路堤施工過(guò)程中，采用分層壓實(shí)和重夯相結(jié)合的壓實(shí)技術(shù)，并在完工后對(duì)路基沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析路堤橫向和縱向變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)分析路堤橫向變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出路堤中部沉降變形最大，兩側(cè)路肩沉降變形相對(duì)較小，分析原因是由于交通荷載、地形、地質(zhì)和壓實(shí)工藝等因素造成的。

(2)通過(guò)分析路堤縱向變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)沉降變形規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)前期變形速度快，變形量大，而后逐步趨緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出路堤橫向和縱向沉降變形均呈現(xiàn)前期變化大，隨監(jiān)測(cè)時(shí)間逐步趨緩，并最終達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于在監(jiān)測(cè)前期路堤內(nèi)部填土還沒(méi)有完全固結(jié)，在監(jiān)測(cè)一年后逐步固結(jié)并達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明路堤壓實(shí)達(dá)到了預(yù)期效果，壓實(shí)方案可行。