高填方填石路基沉降機理及壓實工況方案比選研究

安子陽

（山西省公路局 忻州分局，山西忻州 034000）

0 引言

當(dāng)前，我國公路工程建設(shè)重點正逐步從東南沿海平原地區(qū)向西北、西南山區(qū)及重丘區(qū)轉(zhuǎn)移，山區(qū)及重丘區(qū)普遍地形地貌條件復(fù)雜，路基施工過程中面臨更多的“高填深挖”問題，工程填挖方量增長驚人。為滿足棄方再利用的綠色低碳施工理念[1]，以大粒徑碎石作為路基填筑料的公路路基結(jié)構(gòu)形式已逐漸成為山區(qū)及重丘區(qū)公路建設(shè)項目中的首選。

為了進一步闡明填石路基的沉降機理及影響因素，進而更好地實現(xiàn)對填石路基的壓實施工質(zhì)量控制，本文以山區(qū)公路路基施工過程中常見的高填方填石路基為研究對象，先從內(nèi)外因兩方面系統(tǒng)闡述了填石路基的沉降形成機理，進而明確了壓實效果對填石路基施工質(zhì)量的重要意義，再通過DEA 方法，比選出了高填方填石路基最佳的壓實工況方案，為填石路基的施工質(zhì)量控制提供了重要參考。

1 高填方填石路基沉降機理及影響因素分析

1.1 高填方填石路基概述

填石路基指采用施工標段內(nèi)因路塹開挖或山體隧道爆破產(chǎn)生的具有一定強度且滿足相應(yīng)粒徑規(guī)格要求的石料填筑而成的路堤結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)的填土路基相比，填石路基的填料粒徑更大，部分特大粒徑填料直徑甚至超過500 mm，且顆粒間的黏結(jié)力幾乎可忽略；因石料多選用質(zhì)地堅硬的花崗巖，這使其具有更高的抗壓及抗剪強度和良好的滲水性[2]。土石混合料的路用性能研究表明，土石混合料中粒徑不低于40 mm 的石料占比超過70%時，方可用于填石路堤施工，此時土石混合料中的石料與土體形成強度更高的“骨架-孔隙”支撐結(jié)構(gòu)，強度主要由石料本身的抗壓強度和石料間相互摩擦形成的抗剪強度提供。填石路基的“骨架-孔隙”支撐結(jié)構(gòu)示意見圖1 所示。

圖1 填石路基“骨架-孔隙”支撐結(jié)構(gòu)示意

在高等級公路施工實踐中，考慮到承重、穩(wěn)定性、耐久性等諸多因素，填石路基邊坡一般采用分層式，尤其在高填方路基中，該形式的應(yīng)用則更加普遍。對于邊坡較低且設(shè)計等級較低的路基施工項目，為了施工方便，通常采用整體拋填法施工技術(shù)，但由于一次填筑量過大，導(dǎo)致碎石間孔隙較大，路基壓實及穩(wěn)定性等指標較低，故無法應(yīng)用于高等級公路施工項目。高填方填石路基分層填筑工藝應(yīng)結(jié)合邊坡標高、邊坡坡率、施工條件等因素合理劃定分層數(shù)，按照分層填筑、分層壓實的流程進行施工，采用分層式邊坡的高填方填石路基橫斷面示意見圖2 所示。

圖2 高填方填石路基分層式邊坡橫斷面示意

1.2 高填方填石路基沉降機理分析

從宏觀上分析，因填石路基具有容重大、空隙占比高等特點，受自重、機械壓實及車輛荷載作用后，填石顆粒在松鋪狀態(tài)下的應(yīng)力平衡狀態(tài)將被打破，填石路基經(jīng)一系列的空隙壓實填充、石料本身塑性變形及顆粒空間位置重拍后，將出現(xiàn)較明顯的施工階段及工后運營階段沉降。從微觀上分析，新填筑石料在壓實荷載和填石自重的耦合作用下，石料間相互摩擦嵌擠，原有空隙被大幅壓縮，此外，因填料接觸面增加，經(jīng)持續(xù)的橫向剪切和填料摩細后，較大粒徑的碎石被剪碎，填料平均體積下降，致使填石路基的表觀體積降低，最終表現(xiàn)為路基沉降。填石路基工后在車輛持續(xù)荷載、填料自身軟化等因素影響的基礎(chǔ)上，疊加高填方路基邊坡受沖刷、荷載作用影響而出現(xiàn)的邊坡局部失穩(wěn)等情況，致使路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于連續(xù)重分布狀態(tài)，填料在局部集中應(yīng)力作用下出現(xiàn)長期蠕變變形，蠕變過程伴隨應(yīng)力釋放，填料空隙被繼續(xù)填充，隨著時間推移最終趨于穩(wěn)定。與施工階段不同的是，工后沉降規(guī)模更小、周期更長。

1.3 高填方填石路基沉降影響因素分析

通過現(xiàn)場調(diào)研和試驗研究發(fā)現(xiàn)，按照沉降誘發(fā)機理的不同，可將高填方填石路基沉降影響因素分為內(nèi)因和外因兩部分；其中，內(nèi)因主要受填料工程特性、填料顆粒構(gòu)成等因素影響，外因則主要受填筑空隙、壓實質(zhì)量、車輛荷載及環(huán)境條件等因素影響[1，3]。沉降影響因素具體分析結(jié)果見表1。

表1 高填方填石路基沉降影響因素

2 高填方填石路基壓實工況方案比選研究

大量工程實踐表明，壓實質(zhì)量直接影響到高填方填石路基的整體施工質(zhì)量，是施工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，在高填方填石路基壓實過程中，壓實機械噸位、壓實次數(shù)、振動壓實工況、壓實推進速率等均會不同程度影響路基壓實效果。本文以高填方填石路基壓實施工為研究對象，擬通過DEA 方法，對備選的4 項壓實工況方案進行綜合比選，以優(yōu)選出最佳的路基壓實工況方案，從而提升對壓實施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制效果。

2.1 高填方填石路基常用壓實方法概述

高填方填石路基壓實采用機械壓實工藝，由于填石路基的填料粒徑均值較大，顆粒單體強度較高，且顆粒間摩阻力較大，這種結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致路基在靜荷載作用下的可壓縮空間不大；為最大限度夯實路基結(jié)構(gòu)，需通過較大功率的振動沖擊作用，使顆粒克服彼此間的摩阻力，實現(xiàn)填石顆粒的空間重布[3]。

目前，工程上針對高填方填石路基機械壓實常用的方法有振動壓實和沖擊壓實兩種。振動壓實主要通過壓實機械向路基輸入振動能，使填石顆粒產(chǎn)生受迫振動后，在無需額外壓力的情況下逐步達到穩(wěn)定的密實狀態(tài)；通過持續(xù)的振動能輸入，填石路基內(nèi)部同時產(chǎn)生豎向動荷載和橫向剪切荷載，可同時抵抗豎向地基應(yīng)力和橫向的顆粒間摩阻力，對高填方填石路基具有極佳的壓實效果。沖擊壓實與振動壓實的區(qū)別在于振動壓實的荷載工況為“低幅高頻”，而沖擊壓實的荷載工況為“高幅低頻”，將壓實機械儲備的重力勢能連續(xù)轉(zhuǎn)化為填石的機械能和內(nèi)能，通過沖擊荷載使高填方填石路基結(jié)構(gòu)更加密實；此外，沖擊壓實過程中伴隨往復(fù)滾壓，能夠提供抵抗填石間摩阻力的橫向沖擊力，以最大程度減小高填方填石路基的空隙率[2-3]。

2.2 DEA方法概述及CCR計算模型構(gòu)建

DEA 模型是借助量化規(guī)劃理論定量分析若干輸入與輸出指標間有效性的方法，使用該方法在有效性評價前無需給定具體的函數(shù)關(guān)系，是工程上較為常用的有效性客觀評價模型之一。目前，DEA 方法體系中常用的有效性評價模型有BCC 模型和CCR 模型兩種，在建立有效性評價模型前，需明確分析對象所包含的決策單元（DMU）數(shù)量，并對單個DMU 對應(yīng)的輸入及輸出指標賦權(quán)[4-5]。本文擬選用DEA-CCR 模型對若干高填方填石路基壓實效果決策單元進行有效性評價，模型建立過程如下。

設(shè)某有效性評價項目包括n項DMU，單個DMU 分別對應(yīng)m項輸入指標和s項輸出指標，輸入及輸出指標全部變量對應(yīng)的矩陣表述形式見式（1）、式（2）：

設(shè)每一項輸入及輸出指標相應(yīng)的權(quán)重賦值分別為v、u，則有v、u滿足式（3）、式（4）：

CCR 模型對應(yīng)的n個DMU 的效率H的表達式如式（5）：

任何DMU 的效率H的上限均為100%，故存在?j（j= 1,K,n）滿足式（6）：

給定約束條件后，可基于任意一個DMU 的效率H建立相應(yīng)的CCR 模型，模型表達式如式（7）：

式中：y0表示任意一個DMU 對應(yīng)的輸出指標；x0表示任意一個DMU 對應(yīng)的輸入指標；H0表示所求全部效率指標中的最大值。

綜上，借助CCR 模型，能夠定量計算出某個DMU在不同輸入及輸出變量條件下的效率最優(yōu)解，進而得出最佳的高填方填石路基的壓實工況方案。

2.3 基于DEA方法的高填方填石路基壓實工況方案比選

本文以某新建省道項目為研究案例，選取高填方填石路基施工段進行研究，施工前，應(yīng)根據(jù)壓實機械振動輪自重、振動輪激振荷載、振動輪激振頻率及壓實機械推進速率等參數(shù)，制定不同的高填方填石路基壓實工況，并通過試驗段試壓后獲取壓實應(yīng)力、有效壓實深度、路堤沉降量等參數(shù)，經(jīng)方案比選給出最佳的壓實工況方案。

本文擬采用DEA 方法中的CCR 模型比選最佳壓實工況方案，經(jīng)現(xiàn)場綜合研判，初步給出備選的4 種滿足施工技術(shù)最低要求的壓實工況方案，方案具體內(nèi)容見表2。

表2 高填方填石路基備選壓實工況方案

為了全面精準地評估各備選壓實工況方案的壓實質(zhì)量和效率，擬選定壓實次數(shù)和最大壓實應(yīng)力為CCR模型的輸入指標，有效壓實深度和路堤沉降量為CCR模型的輸出指標，各指標數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場實測值，各指標值見表3。

表3 CCR模型輸入及輸出指標值

本文借助matlab 軟件中的線性規(guī)劃工具，求解CCR 模型下目標函數(shù)在對應(yīng)邊界條件下的最值，將表3 中所列的輸入及輸出指標作為模型計算數(shù)據(jù)，計算結(jié)果見表4。

表4 高填方填石路基備選壓實工況方案效率評價結(jié)果

評價結(jié)果表明，按照CCR 模型計算得出方案3 的輸入、輸出效率最高，在各備選方案均滿足施工最低要求的基礎(chǔ)上，方案3 的施工效率最高，能夠最大限度發(fā)揮壓實施工環(huán)節(jié)對高填方填石路基總體施工質(zhì)量的貢獻度，因此，可以判定方案3 為4 項備選方案的最優(yōu)選項。

3 結(jié)語

本文以某新建省道項目為研究背景，先從微觀和宏觀兩個層面深入研究了高填方填石路基的沉降機理和影響因素，進而明確了壓實施工環(huán)節(jié)對其施工質(zhì)量的重要影響；再以高填方填石路基壓實施工為研究對象，采用DEA 方法中的CCR 模型，對滿足路基壓實施工技術(shù)要求的4 項壓實工況方案進行了有效性程度比選，通過比較效率評價結(jié)果，最終認定方案3 為最佳壓實工況方案。