土石混填路基壓實質量控制方法研究

關鍵詞：土石混填路基；FLAC3D模量變化法；壓實沉降；抗剪強度

中圖分類號：U415.1 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168(2025)11-0074-05

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.016

A Study on Compaction Quality Control Methods for Rock-Soil Mixed Subgrades

QU Yanfen (Xinxiang Founder Highway Engineering Supervision Consulting Co.，Ltd.， Xinxiang 453ooo， China）

Abstract: [Purposes] To address issues such as post-construction settlement induced by the difficulty in controlling compaction quality of soil-rock mixture subgrades，this study employs FLAC ^3D simulation software to establish a compaction quality model for soil-rock mixed subgrades.Through numerical simulation calculations.The control methods for enhancing the stability of soil-rock mixture subgrades are analyzed.[Methods] By incorporating a random aggregate generation program， multiple soil-rock mixed subgrade models are developed.Through simulating the compaction process，the correlation between compaction-induced settlement and compaction degree was discussed，and compaction quality control methods were proposed from both single-layer and multi-layer perspectives.[Findings] The results demonstrate that soil-rock mixture subgrades exhibit over 50% improvement in strength and stability compared to homogeneous soil subgrades.[Conclusions] Combined with practical engineering cases，the FLAC ^3D simulation software has been validated for its rationality in analyzing compaction-induced settlement and compaction degree of soil-rock mixed subgrades，aligning with quality control specifications for road engineering construction.The research results can provide guidance and reference for relevant engineering practices.

Keywords:rock-soil mixed subgrade; FLAO ^3D modulus change method; compact settlement； shear strength

0 引言

不同土石混合料因土體、石塊含量、級配等條件因素不同，其抗壓強度也存在差異，為后續(xù)路基施工帶來潛在的不均勻沉降風險，從而影響道路整體平整度，甚至產生縱向、橫向裂縫，嚴重降低道路工程建設質量。在土石混填路基壓實特性方面，陳軍等1提出骨架-密實結構、懸浮-密實結構、骨架-空隙結構等3種基本構造形式，通過進行壓實試驗發(fā)現(xiàn)，含石量越大，所需壓實功率越小。在土石混填路基沉降變形方面，王志強等通過灰色系統(tǒng)理論與數(shù)值模擬方法，對高填方路堤沉降進行分析、預測；董云等通過二維力學模型試驗得出壓實度、土石混填填筑高度對路基沉降有直接影響。李得勝[4利用有限元強度折減法對土石混填路基坡體穩(wěn)定性進行研究，認為土石混合體邊坡穩(wěn)定性要高于均質土體。在土石混填路基抗剪強度方面，羅亞瓊等5通過剪切試驗、三軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，土石混填路基抗剪強度與土石混合體干密度、含水率、含石量、級配參數(shù)、壓實度等條件有關；陶慶東等[6]利用CT試驗與數(shù)智模擬計算方法得出石塊與土體彈性不匹配和土石界面差異滑動是影響抗剪強度的主要原因。本研究采用FLAC有限差分仿真軟件，對土石混填路基壓實質量控制方法、土石混填路基抗剪強度、邊坡穩(wěn)定性等進行研究，通過壓實結果來預測土石混填路基施工后產生不均勻沉降等問題，提出通過控制土石混填路基壓實沉降來提高路基壓實度的施工建議。

1土石混填路基模型的構建

1.1土石混填路基壓實特性

土石混填路基由土體、巖石等混合而成，由于材料自身的差異性，使其在力學特性、密實度等方面更加復雜，不易控制。一般而言，土石混合填料多為施工周邊路基挖方、山體坡腳碎石料等。在對土石混合填料進行壓實作業(yè)時，因石塊粒徑、含石量、石塊形狀等相差較大，導致路基內部應力狀態(tài)在壓實時石塊會發(fā)生不同程度的位移變化，從而影響路基的壓實質量。相反，土石混合填料在保證壓實質量的前提下，其抗剪強度、承載力、穩(wěn)定性、耐久性要高于普通填土路基。因此，在壓實作業(yè)過程中，多采用分層填筑、分層壓實的方式。在壓實前，土石混合填料松鋪厚度為 20～50cm ，并利用機械設備調整路基填筑平整度；在壓實后，對壓實質量進行檢測，達標后逐層再填筑、再壓實，以滿足道路施工整體質量要求。

1.2土石混填路基分層模型尺寸及石塊粒徑組合方式

利用FLACD模擬軟件構建土石混填路基分層模型，為減少計算量，以高 1.5m 寬 2m 長 1m 的路基為例，每層壓實厚度設置為 30cm ，共計5層。采用隨機生成三維骨料的方法，以類球形石塊模型為單元，構建土、石分離模型。根據(jù)規(guī)范要求，石塊粒徑不能超過壓實厚度的2/3，即本研究所選取石塊粒徑為 4～20cm ，分為4個級配區(qū)間。在石塊粒徑組合方式上，單級配組合為4組（“√\"表示只含一種石塊粒徑級配方式，“一\"表示不含該粒徑），雙級配組合為6組(2個“√\"表示含有兩種石塊粒徑級配方式），不同石塊粒徑組合方式見表1。

1.3土石混填路基耦合模型

根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》的要求，土石混填路基含石量為 30%～70% ，本研究不同模型含石量分別設定為 30%.50%.70% 。將石塊模型導入軟件ABAQUS，與分層壓實路基土體模型相耦合。

2土石混填路基壓實質量控制方法

2.1不同含石量土石混填路基單層壓實模擬分析

對單層土石混填路基進行壓實分析時，應著重討論含石量與路基不均勻沉降、沉降率、孔隙率之間的關系。本研究選取含石量為 30%.50%.70% ，粒徑為 8～12cm.12～16cm 的兩種級配組合，模擬計算壓實處理后路基沉降、豎向應變、彈性模量等數(shù)據(jù)。結果顯示，不同含石量土石混填路基在壓實后出現(xiàn)的沉降情況是不均勻的，具體見表2。

觀察設置的監(jiān)測點發(fā)現(xiàn)，土石混填路基在壓實時，石塊多集中在路基中心，造成路基中心位置沉降值小于四邊。含石量在 30% 和 50% 時，路基表面平均沉降值相差不大。含石量 50% 的路基，有三分之一沉降差值在 10% 以上。石塊分布相對集中的地方，表面沉降差值較小。含土體較多的地方，表面沉降差值偏大。含石量 70% 的路基，表面沉降差值相差不大。通過對位移、彈性模量的相關監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行收集和分析發(fā)現(xiàn)，不同含石量路基壓實沉降率與孔隙率的關系如圖1所示。

由圖1可知，初始孔隙率為 20%～23% 時，含石量變化對不同粒徑土石混填路基影響具有相似性，孔隙率高于 8% 時，含石量越低，沉降率越小；孔隙率小于 8% ，含石量越低，沉降率越大。對于粒徑為12～16cm 的土石混填路基，孔隙率達到 10% ，沉降率需達到 6.4% ；孔隙率達到 4% ，含石量 70% 的路基沉降率需達到 8.2% ，含石量 50% 的路基沉降率需達到 11.5% ，含石量 30% 的路基沉降率需達到13% 。對于粒徑為 8～12cm 的土石混填路基，孔隙率達到 10% ，路基沉降率需達到 6% ；孔隙率達到4% ，含石量 70% 的路基沉降率需達到 8.6% ，含石量50% 的路基沉降率需達到 8.8% ，含石量 30% 的路基沉降率需達到 11% 。

2.2不同級配方式土石混填路基單層壓實模擬分析

在運用FLAC3D模量變化法對不同級配石塊粒徑路基單層壓實情況進行分析時，主要從單級配、雙級配兩種情形來討論。單級配石塊粒徑有4\\~8、

8\\~12、12\\~16和 16～20cm 等4種情況，對相關數(shù)據(jù)進行匯總，壓實后路基沉降情況見表3。

由表3可知，石塊粒徑越小，土石混填路基沉降值與平均值相差越大，不均勻沉降越嚴重。在壓實荷載作用下，土體所受豎向應變值要高于石塊，石塊粒徑越大，在土體中分布越均勻，不同位置豎向空間含石量差別越小，表面沉降值相差也越小；相反，石塊粒徑變小，石塊不均勻分布問題嚴重，導致不同位置沉降值差異變大。

在雙級配模式下，利用FLAC3軟件來模擬6組不同雙級配石塊粒徑單層壓實表面沉降情況，具體見表4。

由表4可知，針對兩種級配土石混填路基，石塊粒徑較小時，表面不均勻沉降更為明顯；石塊粒徑較大時，表面不均勻沉降則不突出。小粒徑石塊與大粒徑混合，表面不均勻沉降情況得到緩解；大粒徑石塊粒徑越大，表面不均勻沉降越不明顯；反之，表面不均勻沉降越明顯。在壓實荷載作用下，土體、石塊豎向應變情況為小粒徑石塊配合大粒徑石塊，可以促進大粒徑石塊均勻分布，從而減少發(fā)生不均勻沉降的可能性，確保路基整體沉降差值變小。

針對雙級配粒徑組合方式，采用固定一種石塊粒徑范圍，變化另一種粒徑范圍，得到不同粒徑下土石混填路基壓實沉降率與孔隙率關系，如圖2所示。

由圖2可知，在初始孔隙率為 20% 時，固定路基中大粒徑石塊，壓實前期孔隙率會隨沉降率的增大而快速減小，而到壓實后期，孔隙率會隨沉降率增大，減小速度變慢，其余石塊粒徑越大，壓實前期會隨孔隙率增大而慢速減小，壓實后期孔隙率會隨沉降率增大而快速減小；固定適中粒徑石塊，壓實時對路基沉降率與孔隙率變化關系的影響不大；固定較小粒徑石塊時，壓實前期孔隙率會隨沉降率增大而快速減小，壓實后期孔隙率隨沉降率增大，減小速度變慢，其余石塊粒徑越小，壓實前期孔隙率會隨沉降率增大而慢速減小，壓實后期孔隙率會隨沉降率增大而快速減小。同樣，對比不同粒徑范圍下路基沉降率與孔隙率的關系曲線，當兩種粒徑范圍相差較小時，曲線走勢較為平滑；反之，曲線走勢較為多變，即壓實前期孔隙率會隨沉降率的增大而快速減小，壓實后期孔隙率會隨沉降率增大而慢速減小。另外，在含石量較高的情況下，石塊粒徑接近時，壓實過程中路基受力相對均勻，沉降率與孔隙率關系較為穩(wěn)定；相反，石塊粒徑相差較大時，因分布不均勻，小石塊在土體擠壓中更容易發(fā)生位移變化，待其壓實、擠密到一定程度后，孔隙率會隨沉降率的增大而慢速減小。

2.3土石混填路基多層壓實傳遞作用分析

土石泥填路基從單層到多層壓實，下層巖土體也會受到擠壓作用。本研究對路基表面壓實荷載向下層傳遞的情況進行分析，利用FLAC3D模量變化法軟件進行模擬計算，得到路基沉降率與孔隙率的關系，為進行壓實質量控制提供參考。假定初始豎向應力值為 100% ，對每層平均豎向應力值進行模擬計算，與初始應力值之差為損失應力。以8\\~12cm 粒徑土石混填路基為例，分別以 30%.50%.70% 含石量為參數(shù)，分析豎向應力隨深度向下傳遞的損失，具體情況見表5。

由表5可知，含石量越大，豎向應力向下傳遞損失越快。同樣，深度越深，豎向應力損失的值也越大。在初次壓實時，應力損失率更高， 30% 含石量的路基， 0.3～0.6m 應力損失增加 10.83% 70% 含石量的路基，應力損失增加 11.99% 。豎向應力從頂層傳遞到底層， 30% 含石量路基應力損失增加18.48% ： 70% 含石量路基應力損失增加 22.11% 。由此可知，多層路基在壓實時，表層最容易壓實，而對于不同含石量的下層路基，也會受到壓實影響。

2.4不同壓實度土石混填路基抗剪強度分析

對于土石混填路基，影響抗剪強度的因素主要有壓實度、黏聚力、內摩擦角、粒徑大小、含石量、含水率等。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30—2015)的要求，壓實度要控制在 87%～97% 。在本研究中，壓實度在 40%～80% 時以 20% 為間隔，在87%～97% 時以 2% 為間隔，共設計9種情況。以 6～ 8cm 石塊粒徑為例，對9個試樣采用FLAC3D三軸試驗，得出土石混填抗剪強度參數(shù)，見表6。

由表6可知，壓實度低于 80% 時，增大壓實度，黏聚力也增大，但內摩擦角無變化；壓實度大于等于 87% 時，對整體黏聚力影響不大，對內摩擦角也無直接影響。但壓實度越高，抗剪強度越大。對于不同石塊粒徑的試樣，經(jīng)FLACD三軸試驗測得剪切破壞時的大小主應力。在其他因素不變情況下，較大或較小粒徑，其整體黏聚力會隨之變大或變小， 6～12cm 粒徑，整體黏聚力相對平穩(wěn)，變化不大。

3結論

本研究運用FLAC3D模量變化法分析土石混填路基壓實質量控制方法，得出以下結論： ① 該方法通過改變單元彈性模量值，模擬孔隙率減小、壓實度增大方法，誤差小，適宜多種工況； ② 通過模擬分析土石混填路基壓實特性，得出單層、多層路基沉降表現(xiàn)與應力損失情況，為實際工程提供科學指導； ③ 影響土石混填路基壓實質量的因素較多，不同含石量、不同石塊粒徑及不同級配組合，對混合體抗剪強度的影響也是復雜的，還需要進一步進行研究，以更好地提升路基壓實質量。

參考文獻：

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[4]李得勝.公路施工中土石混填路基壓實施工技術的應用研究[J].交通科技與管理，2024，5(22)：102-104.

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（欄目編輯：孫艷梅）