基于新型填筑技術的高速公路炭質巖路基沉降分析

彭慶航

(廣西交通投資集團廣西平天高速公路有限公司，廣西 河池 547200)

0 引言

近些年來，隨著我國經濟水平的不斷提高，公路交通快速發展。高速公路通過山區特殊位置時會遇到炭質巖地層，炭質巖因其遇水軟化后強度明顯降低[1-2]，會給公路施工帶來一定的影響。高速公路修建過程中會對路基進行填筑施工，以控制路基沉降變形，而炭質巖因其易吸水崩解，不可以直接作為填筑使用的填料，給施工帶來不便的同時，也大大增加了成本[3-4]。

基于常規的路基填筑方法[5-6]，本文提出一種適用于炭質巖地區坡地的炭質巖路基結構及填筑技術：通過在路基上、下部分別設置封水層和排水層，以達到及時封堵地表水和排出內部水的目的，保持路堤內部干燥狀態，抑制炭質巖的崩解軟化。該新型路基填筑技術適合于炭質巖地區的路基填筑施工，既可達到預期的加固效果，又節約了成本，具有很好的工程實踐價值及良好的技術推廣空間。

1 工程概況

本文以廣西天峨至北海公路項目為例，對新型填筑技術下的高速公路炭質巖路基沉降進行分析。平塘至天峨高速公路(以下簡稱平天高速公路)廣西段第3標段起訖樁號為K29+650～K51+542，路線全長21.892 km，采用雙向六車道設計，設計時速為100 km/h，整體式路基寬度為33.5 m，分離式路基寬度為16.75 m。其中，K35+440～K45+460段處于炭質泥巖區域，炭質泥巖段挖方量約為374.7萬m3，從經濟與環保方面考慮，該工程此路段內采用炭質泥巖進行路基填筑。

項目所在地區屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫為20.6 ℃，每年的5～8月為雨季，年均降水量為1 200～2 000 mm，冬季少雨。地形地貌主要為剝蝕低山地貌，地勢較高、地形起伏較大，地層主要為三疊系中統砂巖、泥巖、頁巖、泥質灰巖。沿線巖層產狀變化較大、揉皺明顯、巖體破碎、斷裂構造較發育，不良地質現象主要為巖土層的滑坡、崩塌、泥石流等。地形被侵蝕切割強烈，山嶺陡峻挺拔，呈尖削的魚脊狀，地表水系呈放射狀發育。

2 新型炭質巖路基填筑技術

2.1 炭質巖的物理及力學特性

炭質巖是一種含有大量分散的炭化有機質的黑色或灰黑色、能污手的巖石，其主要成分是高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石等黏土礦物，黏土礦物含量通常>50%。炭質巖是由大量炭化的有機質均勻分散于泥質巖中形成的。

炭質巖的主要物理及力學特性是初始強度較高、風化崩解性強、CBR值較低，不適合作為路基填料。平天高速公路路基炭質巖的含炭量低，TOC數值也相對較低，巖石相對更堅硬穩固，但干濕循環條件下的耐崩解速度較快，詳見表1。大部分路基的CBR值≥3，滿足炭質泥巖路基填料選用的條件，詳見表2。當炭質泥巖的CBR<3時，將其作為棄土運至棄土場。

表1 耐崩解性試驗結果表

表2 土工試驗檢測結果表

2.2 新型炭質巖路基結構

由于炭質泥巖具有易風化性、遇水易崩解性，無法使用常規的路基結構與填筑方法，因此本文提出一種適用于炭質巖地區的炭質巖路基結構及填筑技術：通過在路基上、下部分別設置封水層和排水層，以達到及時封堵地表水和排出內部水的目的，保持路堤內部干燥狀態，抑制炭質巖的崩解軟化。具體結構見圖1。

圖1 炭質巖路基結構示意圖

底層填筑一層厚0.5 m的片石層，其上鋪筑一層厚0.3 m的碎石層，再上為炭質巖填筑層，最上面為路床和路面結構層。路床采用黏土類路床合格填料填筑，路基兩側采用2 m寬的黏土包邊同層填筑，將炭質巖層包裹起來，減少其與雨水的接觸。此種路基結構能極大地減少炭質巖因遇水易崩解而造成的損失，最大限度地對現場的炭質巖進行利用，在提高施工效率的同時，節約成本。

2.3 炭質巖路基填筑關鍵技術

平天高速公路炭質巖路基與常規路基不同之處在于利用了大量不宜作為填料的炭質巖，與常規填筑技術不同之處在于下部設置了排水結構層，上部設置了封水層，使路堤全階段能一直保持干燥的狀態，有效杜絕了炭質巖遇水軟化崩解的情況，極大地提高了路堤穩定性。

為防止雨水侵害，應盡量選擇在旱季施工，如有必要在雨季施工，必須提前做好措施遮擋雨水，比如下雨時在填筑層及填料堆場用彩條布或者塑料薄膜進行臨時遮擋，并應同時設置臨時排水設施。施工期間設置的臨時排水設施應與之后的永久性排水設施相適應，避免后期工程量增加。

平天高速公路炭質巖路基填筑過程中會遇到一些關鍵施工技術，具體歸納如下：

(1)當高路堤段基底存在軟弱下臥層時，需要處理加固地基，對基底進行換填開山石渣等粗粒料或采用路堤擋土墻以及路肩擋土墻等支擋結構物。

(2)當地基為一般土質地基時，應先清除表土至地基天然硬土，后夯(壓)實基底。對自然地面陡于1∶2.5且填土高度>20 m的高填路堤，則沿路基縱向開挖臺階處理并設置土工格柵。

(3)為減少路基沉降，采取強夯、沖擊碾壓等措施增強補壓，以消減高路堤的差異變形。全線高填方路基優先安排施工，確保不少于1個雨季的自然沉降時間。

(4)為減少高路堤的不均勻沉降，同時保證路基的穩定性，將兩層土工格柵分別鋪設在距路床頂部以下0.3 m和0.8 m處，在增加路堤本身整體穩定性的同時可以起到擴散應力的作用，使地基受力、沉降更為均勻。

2.4 路基填筑施工工藝

平天高速公路炭質巖路基填筑方法采用“水平分層填筑法”。具體施工工藝步驟如圖2所示。

圖2 炭質巖路基填筑工藝流程圖

2.5 路基填筑質量控制

為保證施工質量，平天高速公路炭質巖路基填筑施工過程中采取了以下質量控制措施：

(1)對施工圖設計文件中所提供的坐標、高程進行核查，確認無誤后方可對照實施。

(2)使用壓實機械自重≥26 t的振動壓路機。

(3)CBR<3的炭質泥巖嚴禁用于路基填筑。

(4)保證壓實密度，降低孔隙比。

(5)在最佳含水率時壓實，防止巖塊崩解變形。

(6)填方邊坡坡率宜為1∶1.5，加大邊坡平臺寬度，保證路基坡腳穩定，適當加寬邊坡包邊土厚度。

(7)在填筑完成后觀測路肩與中央分隔帶沉降差和填挖交界差異沉降，防止路基不均勻沉降導致后期路面脫空。

(8)坡頂、平臺水溝及截水溝要做好封閉措施。

(9)填挖交界處要做好水的攔截，挖方路床要做好封閉隔水措施。

(10)加強對高邊坡的監測和檢查巡視。

3 炭質巖路基沉降分析

3.1 炭質巖路基沉降變形機理

炭質巖路基沉降變形的原因主要有兩個方面：(1)下覆地基土的壓縮變形；(2)炭質巖填料自身的壓縮變形。

地基土的壓縮變形機理為：當炭質巖路基填筑施工剛開始時，地基土的沉降為彈性變形，隨著上部填筑重量的不斷增加，地基土進入強化變形階段，路基自重會對地基土產生較大的破壞，促使地基土中的土顆粒在上部荷載作用下發生壓縮變形，地基土的壓縮變形由瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降三個階段組成。

炭質巖填料自身的壓縮變形機理為：外部荷載和自重共同作用下灰質巖填料顆粒會產生一定的位移和結構變化，具體包括填料顆粒自身的壓縮變形、填料孔隙中不同形態的水和氣體的壓縮變形、填料中水和氣體被擠出后因顆粒相互靠攏使孔隙體積減小而產生的壓縮變形。

3.2 路基沉降監測方案

為對平天高速公路炭質巖路基沉降進行有效監測，需要設置合理的路基沉降監測方案。經過分析，主要進行以下兩部分沉降內容的監測：穩定性監控(水平位移)和地表沉降監測(路堤頂部沉降)。

(1)在合適位置設置沉降板，沉降板測桿的垂直偏差要保持在1.5%以內，在最大填方邊坡布置監測斷面，沿兩側縱向每50 m設一道監測斷面，沉降板的底槽不能出現凹凸不平的情況，且要先在下方鋪設尺寸為60 cm×60 cm×20 cm的砂墊層。沉降板與測桿的材料使用鋼板與鋼管，并將兩者整合焊接，同時采用具有要求規定強度與剛度的塑料管材料作為套管。

(2)在高路堤坡腳外側20 m、坡腳位置以及平臺上設置位移墩，材料采用鋼筋混凝土，高度、底部與頂部尺寸分別為50 cm、20 cm×20 cm與10 cm×10 cm，露出埋置面的樁頂要保持在10 cm以內。

(3)將水準點設在不受垂直向和水平向變形影響的堅固地基上或永久建筑物上，觀測儀器應采用S1、S3型水準儀，以二級中等精度要求的幾何水準測量高程，觀測精度應<1 mm。

路堤填筑速率要求邊樁位移量每晝夜≤1 cm。坡角水平位移速率每晝夜≤0.5 cm，如超出此限應立即停止填筑。路堤填筑完成后，每月監測兩次，雨季或變形加劇時適當加密監測次數；工后延長1年監測時間，如1年后變化仍不穩定，應延長監測周期。

在需要監測沉降的位置設置觀測樁，觀測樁分布如圖3所示，監測頻率見表3。

(a)斷面圖

表3 觀測樁監測頻率表

3.3 路基沉降結果分析

經過對平天高速公路炭質巖路基填筑段K31+500、K37+720、K40+650這3處觀測樁1年的跟蹤觀測，可得到3處觀測樁所在位置的累計沉降、累計位移、沉降速率曲線，分別見圖4～6。

由圖4可知：該監測斷面2021年12月最大沉降速率為0.33 mm，均小于警戒值(15 mm/d)；該監測斷面2021年12月最大位移速率為0.41 mm，均小于警戒值(5 mm/d)，說明該監測斷面目前趨于穩定。

(a)K31+500累計沉降

由圖5可知：該監測斷面2021年12月最大沉降速率為2 mm，均小于警戒值(15 mm/d)；該監測斷面2021年12月最大位移速率為0.32 mm，均小于警戒值(5 mm/d)，說明該監測斷面目前趨于穩定。

(a)K37+720累計沉降

由圖6可知：該監測斷面2021年12月最大沉降速率為0.33 mm，均小于警戒值(15 mm/d)；該監測斷面2021年12月最大位移速率為0.14 mm，均小于警戒值(5 mm/d)，說明該監測斷面目前趨于穩定。

(a)K40+650累計沉降

在這一年的監測中發現，各監測斷面的各項監測指標均未超警戒值標準，各斷面基本處于穩定狀態。該工程實例證明了炭質巖路基采用該路基結構與填筑方式是可行的，并可達到預期的填筑效果。后續施工過程中繼續保持監控，隨時掌握路基動態，直至達到最終沉降值。

4 結語

本文以廣西平天高速公路炭質巖路基填筑項目為例，提出了一種新型炭質巖路基填筑技術，并對填筑后的路基進行沉降變形監測分析，通過研究可以得出以下結論：

(1)新型炭質巖路基填筑技術可以達到在填筑路基的上部封堵地表水，在下部排出內部水的目的，很好地保持了路堤內部的干燥狀態，抑制了炭質巖的崩解軟化，達到了預期的填筑效果。

(2)新型炭質巖路基結構及填筑技術盡可能利用現場原有的炭質巖進行填筑，提高了資源利用率，同時起到了保護環境、節省施工成本的作用。

(3)路基沉降變形監測過程中各監測斷面的各項監測指標均未超警戒值標準，各斷面基本處于穩定狀態。該工程實例證明了炭質巖路基采用該結構與填筑方式是可行的，并具有良好的工程應用價值。