填石路堤變形特性研究進展

蔡永洪 稅明洪 付建偉 徐來銀 羅旭琴

收稿日期：2024-01-26

作者簡介：蔡永洪（1984—），男，本科，副高級工程師，研究方向：路基路面工程。

摘要 公路運營中填石路堤路段經(jīng)常會出現(xiàn)不均勻變形，這不僅降低了通行質(zhì)量，還會產(chǎn)生大量病害。填石路堤變形及不均勻變形是填石路堤質(zhì)量控制的一個重要方面。影響填石路堤變形的因素較多，文章從填石材料本身的工程特性、路堤變形的室內(nèi)與現(xiàn)場試驗手段及路基變形預測方法著手進行歸納總結，為填石路堤變形的研究提供借鑒意義。

關鍵詞 填石路堤；路堤變形；變形規(guī)律；工后沉降；預測模型

中圖分類號 U416.16文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0092-03

0 引言

隨著我國高速公路建設的快速發(fā)展，高速公路的建設逐漸延伸到了山嶺地區(qū)。山嶺地區(qū)某些路段借土比較困難，爆破后隧道棄渣就成為路堤填料的不二選擇，隧道棄渣不僅能夠減少征地、減少棄方，并且可以縮短運距、節(jié)約成本以及降低工程造價。同時，還可以保護生態(tài)環(huán)境，因此用碎石料填筑路基有諸多好處。

根據(jù)路堤填筑材料的不同，路堤分為填土路堤、土石路堤及填石路堤。根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》（JTG/T 3610—2019），填土路堤是指路堤填料中石料含量小于土石總質(zhì)量30%的路堤。土石路堤是指路堤的填筑中采用石料含量占土石總質(zhì)量30%～70%的路堤。填石路堤是指路堤填筑中大于40 mm的顆粒含量超過土石料總量70%的路堤。大多數(shù)工程使用填土或土石混填材料進行路堤的填筑，而采用填石材料進行施工或研究相對較少。因此，近些年來由于對填石材料的工程特性認識不足、設計施工不完善等原因，施工過程中及工后出現(xiàn)不均勻沉降、局部塌陷及邊坡失穩(wěn)等病害，影響了交通的正常運行。

與傳統(tǒng)的填土路堤或土石路基相比，填石路堤與土質(zhì)路基及土石路堤工程性質(zhì)有較大差別，且填石路基粗料多、填料堅硬，粒徑大小不一，路基碾壓均勻性相對較差、孔隙率高，壓實過程中破碎率較大。論文從填石材料的工程特性、填石路堤的變形特性及填石路堤工后沉降的預測方法等方面進行歸納總結。

1 填石材料的工程特性

1.1 填石材料的分類

對于填石材料的分類，不同國家之間有一定的區(qū)別。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）要求，土的顆粒應進行粒組的劃分（如圖1所示），而美國對于土的粒組劃分如表1所示。

根據(jù)填筑石料的強度及其風化程度，巖石可劃分為硬質(zhì)巖石及軟質(zhì)巖石兩類，如表2所示。根據(jù)要求，一般采用堅硬類和次堅硬類巖石作為填石路堤的填筑材料，應禁止將極軟質(zhì)類石料用于填筑路堤[1]。

1.2 填石材料的級配性能

級配對填筑材料壓實后的力學性能及干密度都有著比較大的影響。由于公路路堤一般路線較長，采用的大多是隧道棄渣，無法按理論上預設的級配來進行路堤的填筑，只能按照實際棄渣材料的級配情況施工。然而，有研究表明填石料級配雖然波動范圍較大，但是往往仍會達到較好的力學性能以及預期的密實度。所以，填石料的級配情況一般對于填石路堤的施工質(zhì)量影響不大，但會影響填筑路堤的密度。

表2 巖石分類

名稱 硬質(zhì)巖石R/MPa 軟質(zhì)巖石R/MPa

堅硬 次堅硬 軟質(zhì) 極軟質(zhì)

分級標準 ＞60 30～60 15～30 ＜15

1.3 填石材料的強度及壓縮變形特性

填石材料的強度是指填石材料試件飽水后，受壓時所能承受的最大力，根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）中的規(guī)定，用于填石路堤的石料強度應大于等于15 MPa。黏土巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖、云母片、泥礫巖、泥質(zhì)頁巖及千枚巖等都是易風化類的軟巖石，這些石料通常在與水、空氣接觸或者因溫度的變化短期內(nèi)強度會逐漸下降甚至崩解，會產(chǎn)生裂隙或者次生礦物，這類填石材料不能用于路堤的填筑。有些巖石易風化、強度低，即使不屬于風化巖石也不能用于路堤填筑。

填石材料的強度指標通常用c，值表示。填石材料的強度指標與石料的密實程度、石料的堅硬程度、石料表面的粗糙度及填石材料的級配等有著密切的聯(lián)系。研究結果表明，填石材料摩擦角值最小為32 °，最大為53 °，而80%則集中于36 °～44 °之間。填石材料的c值已不再是表征填石材料的黏聚力，而是顆粒間咬合力的體現(xiàn)，但其大小不應被忽視，填石材料的黏聚力c值大約在0～20 kPa之間，甚至有試驗結果表明c值可達到20～70 kPa[2]。

對于填石材料的壓縮模量一般可達100 MPa，而普通土的壓縮模量大約在20 MPa左右；填石材料的固結系數(shù)約為10?1～10?2 cm/s，而普通土的固結系數(shù)一般約為 10?3 cm/s，填石材料的固結系數(shù)約為普通土的10～100倍。因此，填石路堤變形較小。

1.4 填石材料最大粒徑限制

填石材料的最大粒徑應不大于500 mm，壓實機械要與施工層厚度相適應。粒徑小容易壓實，因此盡可能使用粒徑較小的石料，并采用層鋪法薄層施工。我國的路基施工規(guī)范中對填石材料的最大粒徑有要求，其不應超過填筑厚度的2/3。由于隧道棄渣粒徑一般比較大，將大粒徑破碎不太現(xiàn)實，采用振動壓路機無法壓實到位，為了工期及壓實質(zhì)量，施工單位常采用強夯法施工。

2 填石路堤的變形分析

對于填石路堤材料的變形及路基的沉降，國內(nèi)外的研究都比較少。一般認為填石路堤的變形由以下幾部分組成[3]：①在施工期過程中，石料在機械重力或激振力作用下產(chǎn)生的瞬間沉降，沉降量為各分層的累計沉降量。②路基填筑過程中，石料在重力作用下的壓縮變形。③施工結束后，路基長時間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變變形，這部分變形在施工完成后很長一段時間內(nèi)逐漸發(fā)生，一般開始變形較大，后期逐漸減小。研究顯示[4]：路堤填筑層在壓實后，在自重荷載作用下，其壓縮沉降量一般較小。

堆石壩的研究表明：堆石壩上表面的工后沉降量只為堆石壩高度的0.2%左右，而一般土質(zhì)路堤工后沉降的大小卻可以達到整個路堤高度的5%。研究資料曾對一段坐落在基巖上、高20 m的填石路堤的頂部進行了長達1年的沉降量監(jiān)測。其結果也顯示，填石路堤的沉降量只有3 mm，此時沉降量為路堤高的0.15%，這表明，經(jīng)過完全壓實后，填石路堤的抗變形性能較好。

2.1 室內(nèi)實驗研究

2.1.1 室內(nèi)小型模型試驗

在填石材料的工程特性分析中，常用直接剪切試驗、三軸壓縮試驗或單軸壓縮試驗研究填石材料的抗剪強度、壓縮變形等性能。

（1）直接剪切試驗。直剪試驗又稱為直接剪切試驗，是巖土工程中確定土質(zhì)材料抗剪強度的一種最常用的試驗方法。剪切儀分為上盒和下盒，試驗時上盒是固定的，下盒則可以沿著水平方向自由活動。試驗時，首先將試樣放在直剪儀的剪切盒內(nèi)，其次在垂直方向施加壓力，隨后對下剪切盒逐級施加水平方向的剪切應力，直到將試樣剪壞。該試驗方法簡單易行，是測定土質(zhì)材料抗剪強度的一種常用方法。

（2）三軸壓縮試驗。三軸壓縮試驗是指有側(cè)限壓縮和剪力試驗。三軸壓縮儀的核心部分是三軸壓力室，配備有軸壓系統(tǒng)、側(cè)壓系統(tǒng)及孔隙水壓力系統(tǒng)等，如圖2所示[5]。三軸壓縮試驗的試樣為圓柱形，試樣外層包裹一層薄橡皮，使試驗室內(nèi)液體與試樣的孔隙水分離開。試驗過程中可以對試樣施加軸向壓力及周圍壓力。試驗時首先通過壓力室內(nèi)的液體，對試樣三個軸向施加周圍壓力σ3。然后通過活塞對試樣施加軸向壓力，直到試樣被剪切破壞。

圖2 電液伺服靜態(tài)三軸試驗機

（3）單軸壓縮試驗。單軸壓縮試驗方法簡單，通過對試樣施加垂直的軸向壓力，測定試樣在壓縮過程中變形與應力之間的變化規(guī)律。試驗過程中，試樣放置于一個剛性容器中，稱為壓縮儀。壓縮儀的兩端有一對平行剛性板，其中的一個平行板可以施加軸向壓力。

試驗時為了保證有較好的密封效果，將乳膠膜固定在單軸壓縮儀上，并在單軸壓縮儀里直接制作試樣。其試樣制作過程與三軸實驗試樣的制作過程完全一樣。

（4）土工離心試驗。土工離心試驗，是指采用離心機提供離心力用以模擬重力加速度，根據(jù)相似準則，將實際工程的幾何尺寸按一定比例縮小，并用現(xiàn)場的原材料制作模型，通過控制轉(zhuǎn)速模擬不同的重力加速度，以研究工程的應力應變分布及變形規(guī)律，如圖3所示[6]。目前，采用離心模型試驗研究不同路堤沉降的文獻較多，但針對填石路堤的研究較少。

圖3 土工離心試驗機

2.1.2 室內(nèi)大型模型試驗

由于路堤尺寸較大，采用室內(nèi)小型結構試件進行性能分析與實際情況有一定的差別，甚至有時差別較大，因此在一些特殊情況下，采用室內(nèi)大型模型更能表征結構的實際情況，如圖4所示。室內(nèi)大型模型試驗以現(xiàn)場高速公路為模型，并按照相似原理，按照一定的比例縮尺制作室內(nèi)試驗的模型，如表3所示[4]。

圖4 承載板試驗

表3 參數(shù)取值

參數(shù) 原型 模型 量綱 相似比

壓實能量 40 5 t.min 8∶1

路基上部寬度 24 3.0 m 8∶1

路基下部寬度 52.8 6.6 m 8∶1

路基高度 9.6 1.2 m 8∶1

坡比 1∶1.5 1∶1.5 — 1∶1

填筑料顆粒尺寸 Rmax＜68 Rmax＜68 cm 7.1∶1

室內(nèi)大型模型試驗為檢驗壓實效果，通常采用承載板試驗，試驗時采用液壓千斤頂分級加載，分析力與變形之間的關系，通過荷載-沉降P-S曲線判斷壓實質(zhì)量。

2.2 現(xiàn)場填石路堤變形檢測

路堤變形由豎向變形和水平變形組成，施工過程中通常通過智能控制元件檢測變形大小，并進行質(zhì)量控制。

2.2.1 豎向變形檢測

高填方路堤的沉降主要由以下兩個部分組成：第一部分是路堤壓實后的填筑材料在荷載作用下進一步密實；第二部分為填料在填料重力或汽車荷載作用下的壓縮變形。填石路堤豎向變形檢測方法主要包括：

（1）填石路堤分層檢測。該方法選取路堤的典型斷面，在路堤斷面上布置沉降測量孔，并在測量孔的不同深度處設置沉降磁環(huán)，利用沉降儀測量不同沉降磁環(huán)的位置，推算出填方路堤的沉降量。

（2）路基整體沉降監(jiān)測。在路堤頂面碎落臺上設置多個沉降監(jiān)測點，利用水準儀定期測量每個監(jiān)測點高程變化，確定出路基沉降情況。

2.2.2 水平變形檢測

水平變形檢測是指路堤內(nèi)部任一深度位置的水平變形狀態(tài)，一般采用鉆孔測斜儀來對其進行水平變形的檢測。檢測的原理是在所鉆孔洞中布置測斜管，然后采用測斜管確定水平變形或位移。

3 填石路堤工后沉降預測分析

在公路建設中，填石路堤的沉降問題不可忽視，對填石路堤沉降預測具有很重要的意義。在長期工程實踐中，對路堤沉降預測已經(jīng)形成較系統(tǒng)的方法。目前沉降預測方法主要劃分成三類[7]：①以經(jīng)典土力學為基礎的分層總和法。②以固結理論為計算依據(jù)，通過有限元軟件建立路堤的本構模型，設定邊界條件，計算路堤最終沉降量。③根據(jù)現(xiàn)場實測的變形測量數(shù)據(jù)或歷史經(jīng)驗資料預測路堤的最終沉降量。

4 結語

該文針對高填石路堤經(jīng)常出現(xiàn)沉陷、不均勻沉降、塌方等病害進行歸納總結，分析了目前填石材料的分類、級配、強度、壓縮變形的技術要求，分析了填石路堤變形分析的室內(nèi)小型、大型試驗方法及現(xiàn)場填石路堤的變形檢測手段，最后分析了填石路堤常用的變形預測方法。

參考文獻

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