土石混填路基的壓實(shí)質(zhì)量及邊坡穩(wěn)定性研究

0 引言

土石混合填料具有料源廣、便于取材及節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于路基填筑中[1]，但由于土石混合填料的物理力學(xué)特性復(fù)雜，導(dǎo)致其壓實(shí)質(zhì)量難以控制。姜宏[2]以建元高速公路工程為實(shí)際依托，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段對(duì)陡坡路段土石混填路基的沉降特性進(jìn)行研究。張海歐[3]對(duì)土石混合填料的工程性質(zhì)及壓實(shí)工藝展開了分析。本文以動(dòng)態(tài)變形模量及振動(dòng)壓實(shí)值為控制指標(biāo)，分析了不同碾壓遍數(shù)、松鋪厚度下土石混填路基的壓實(shí)過程。同時(shí)，利用PLAXIS2D軟件分析了不同邊坡坡度及填筑高度下土石混填路基的邊坡穩(wěn)定性。

1連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)及 E_vd 測(cè)試原理

考慮到土石混合填料的材料特性，以動(dòng)態(tài)變形模量（E_vd ）作為控制指標(biāo)，僅能反映一定范圍內(nèi)土石混填路基的壓實(shí)質(zhì)量。為更加全面的評(píng)價(jià)土石混填路基壓實(shí)過程中的路基質(zhì)量，可采用以振動(dòng)壓實(shí)值（VCV）為控制指標(biāo)的連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)對(duì)土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行控制。

1.1連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)

連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)基本原理是連續(xù)測(cè)量振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過后續(xù)信號(hào)處理，形成對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。但連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)需先與常規(guī)指標(biāo)建立聯(lián)系后，方可應(yīng)用于實(shí)際工程。

將振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)過程視為單自由度振動(dòng)體系，振動(dòng)壓路機(jī)向路基施加循環(huán)振動(dòng)荷載。根據(jù)相關(guān)研究表明，此時(shí)路基的結(jié)構(gòu)抗力 F 和振動(dòng)輪加速度 X 的關(guān)系計(jì)

算公式為：

式中： F 為結(jié)構(gòu)抗力，單位為 kN . X 為振動(dòng)輪加速度，單位為 m/s² . f 為振動(dòng)頻率，單位為 Hz . K 為路基剛度系數(shù)； C 為路基阻尼系數(shù)。

在振動(dòng)參數(shù)系統(tǒng) （f，K，C） 已知的情況下，振動(dòng)輪加速度X和路基的結(jié)構(gòu)抗力 F 存在線性關(guān)系。將經(jīng)過信號(hào)處理后的振動(dòng)輪加速度 X 定義為振動(dòng)壓實(shí)值（VCV），將其作為衡量路基填料壓實(shí)質(zhì)量的控制指標(biāo)。

1.2動(dòng)態(tài)變形模量計(jì)算方法

動(dòng)態(tài)彈性模量反映的是在一定沖擊荷載及沖擊時(shí)間下，路基抵抗彈、塑性變形的能力，其計(jì)算公式為：

E_vd=1.5γσ/s

式中： γ 為荷載板的半徑，單位為 mn . σ 為荷載板受到的最大沖擊應(yīng)力，單位為 MPa . s 為沉陷值，單位為mm。一般情況下， γ 取 150mm ， σ 取 0.1MPa 。

2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

填筑過程中，使用的振動(dòng)壓路機(jī)為26t，選取 30m 長(zhǎng)的振動(dòng)壓路機(jī)碾壓輪跡作為試驗(yàn)段。在不同松鋪厚度及碾壓遍數(shù)下，先進(jìn)行VCV測(cè)試，然后進(jìn)行 E_vd 測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案如表1所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1動(dòng)態(tài)變形模量分析

由圖1可知，當(dāng)松鋪厚度為 60cm 時(shí)，隨著碾壓遍數(shù)的增加， E_vd 平均值的變化較小，具體表現(xiàn)為先減小，然后基本持平。當(dāng)松鋪厚度為 40cm 和 50cm 時(shí)，隨著碾壓遍數(shù)的增加， E_vd 平均值表現(xiàn)為“先增加-后減小-再增加”的趨勢(shì)。

表1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

圖1各碾壓遍數(shù)下平均 |E_vd 值

圖2各碾壓遍數(shù)下VCV平均值

分析認(rèn)為，當(dāng)松鋪厚度較大時(shí)，碾壓前期壓路機(jī)的碾壓效果不明顯。由于土石混合料的破碎率較低，導(dǎo)致路基表面的密實(shí)度減小， E_vd 平均值隨之減小。隨著碾壓遍數(shù)的增加，填料顆粒不斷重新排列，密實(shí)度的變化趨于平緩， E_vd 平均值基本保持穩(wěn)定。當(dāng)松鋪厚度較小時(shí)，壓路機(jī)的碾壓效果明顯，由于路基填料表面的塊石破碎后填充到骨架空隙中，使顆粒排列更加密實(shí)，路基表面的密實(shí)度隨之增加， E_vd 平均值也相應(yīng)增加。

隨著壓路機(jī)影響深度的變大，路基底部的塊石開始發(fā)生破碎，導(dǎo)致路基底部骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而使路基表面的密實(shí)度減小， E_vd 平均值出現(xiàn)下降。隨著碾壓遍數(shù)增加，路基底部的骨架結(jié)構(gòu)基本趨于穩(wěn)定，路基表面的密實(shí)度再次增加， E_vd 平均值也隨之回升。

綜上所述，在振動(dòng)壓實(shí)作用下，土石混合填料的壓實(shí)過程大致呈現(xiàn)“密實(shí)-破碎重新排列-再次密實(shí)”的循環(huán)特征。

2.2.2振動(dòng)壓實(shí)值分析

各碾壓遍數(shù)下VCV平均值如圖2所示。由圖2可知，隨著碾壓遍數(shù)的增加，土石混填路基VCV平均值的增幅先變大后變小。這是因?yàn)椋潦焯盥坊腣CV平均值主要反映路基整體的結(jié)構(gòu)抗力，與路基表面填料的密實(shí)度關(guān)聯(lián)性不大。碾壓初期，在壓路機(jī)作用下，土石混填路基以塑性變形為主，路基整體結(jié)構(gòu)抗力顯著提升，因此VCV平均值的增幅較大。隨著土石混填路基結(jié)構(gòu)抗力的不斷增加，路基變形開始以彈性變形為主。此時(shí)若要進(jìn)一步提高路基的結(jié)構(gòu)抗力，需要施加更大的振動(dòng)能量，故而路基的VCV平均值提升趨于緩慢。

綜合考慮 E_vd 值和VCV值的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)結(jié)合實(shí)際路基填筑過程中場(chǎng)地整平前通常已進(jìn)行1～2遍的疊碾預(yù)壓的情況，為達(dá)到較好的路基壓實(shí)質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)最少進(jìn)行4遍以上強(qiáng)振疊碾。

2.2.3 相關(guān)性分析

利用origin軟件，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸方法，分析松鋪厚度 50cm 和碾壓2、3、4遍時(shí)土石混填路基不同測(cè)點(diǎn)處的 E_vd 值和VCV值的相關(guān)性。不同碾壓遍數(shù)線性相關(guān)系數(shù)與回歸方程如表2所示。

表2不同碾壓遍數(shù)線性相關(guān)系數(shù)與回歸方程

由表2可知， E_vd 值和VCV值的相關(guān)性隨著碾壓遍數(shù)的增加而降低。其原因?yàn)椋涸谀雺?～2遍時(shí)，路基表層的填料不斷破碎、擠壓并重新排列密實(shí)，使得路基表層的結(jié)構(gòu)抗力不斷增大，抵抗變形的能力也不斷增強(qiáng)。當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路基更深層次的填料施加影響，將其底部大粒徑顆粒破碎填充至骨架空隙中，使得路基結(jié)構(gòu)抗力持續(xù)增加。然而由于動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀的測(cè)試深度有限，僅能測(cè)得路基表層較淺處的 E_vd 值。隨著碾壓遍數(shù)的增加， E_vd 值趨于穩(wěn)定，而VCV值仍持續(xù)增加，導(dǎo)致二者的離散性增大，相關(guān)性降低。

3土石混填路基邊坡穩(wěn)定性分析

填筑高度及邊坡坡度是影響路基邊坡穩(wěn)定性的重要因素，也是路基填筑過程中的關(guān)鍵控制指標(biāo)。本文利用PLAXIS2D軟件，計(jì)算不同填筑高度及邊坡坡度下土石混填路基的邊坡安全系數(shù)，分析其穩(wěn)定性規(guī)律。

3.1材料參數(shù)及模型建立

路基填料的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。土石混填路基模型如圖3所示，其中底部地基坡度為 20^° ，坡長(zhǎng)為100m ，土石混填路基距離地基邊坡左端15m，路面寬度為 24m 。考慮到模擬過程中土石混填路基的路基高度較高，采用兩級(jí)放坡，第二級(jí)邊坡坡率控制在1：1.75，第一級(jí)邊坡坡度根據(jù)模擬方案調(diào)整。原地基邊坡土層從上到下依次為黏性土、全風(fēng)化玄武巖和強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。

圖3土石混填路基模型

表3路基填料的材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2模擬方案

表4邊坡坡度及填筑高度對(duì)照

在不同邊坡坡度及填筑高度下，進(jìn)行土石混填路基的模擬。邊坡坡度及填筑高度對(duì)照表如表4所示。

3.3各因素影響規(guī)律分析

3.3.1邊坡坡度對(duì)土石混填路基穩(wěn)定性的影響

填筑高度35m時(shí)，分析不同邊坡坡度下土石混填路基的邊坡安全系數(shù)。邊坡坡度與邊坡安全系數(shù)曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著邊坡坡度的增加，土石混填路基的邊坡安全系數(shù)逐漸下降且下降速度變慢，邊坡安全系數(shù)分別為2.101、1.731、1.502和1.310，下降幅度分別為 17.6% 、13.2%和 12.8% 。

分析認(rèn)為，當(dāng)邊坡坡度較小時(shí)，路基的潛在滑動(dòng)面位置較淺，路基的穩(wěn)定性較好，邊坡安全系數(shù)也較高；當(dāng)邊坡坡度較大時(shí)，路基的潛在滑動(dòng)面范圍擴(kuò)大，路基的穩(wěn)定性較差，邊坡安全系數(shù)也較低；隨著邊坡坡度增加到一定數(shù)值，路基潛在滑動(dòng)面范圍擴(kuò)大不明顯，邊坡安全系數(shù)下降幅度也趨于穩(wěn)定。

3.3.2填筑高度對(duì)土石混填路基穩(wěn)定性的影響

邊坡坡度 15^° 時(shí)，分析不同填筑高度下土石混填路基的邊坡安全系數(shù)。填筑高度與邊坡安全系數(shù)曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著路基填筑高度的增加，土石混填路基的邊坡安全系數(shù)逐漸下降且下降速度先變慢后變快，邊坡安全系數(shù)分別為2.037、1.725、1.569和1.218，下降幅度分別為15. 3% 、 9.0% 和22. 4% 。

圖4邊坡坡度與邊坡安全系數(shù)曲線

圖5填筑高度與邊坡安全系數(shù)曲線

分析認(rèn)為，隨著路基填筑高度的增加，路基邊坡的下滑力逐漸增加，邊坡抵抗土體下滑的能力降低，邊坡安全系數(shù)降低；當(dāng)填筑高度增加到一定數(shù)值后，邊坡安全系數(shù)快速下降。

4結(jié)論

本文以動(dòng)態(tài)變形模量（ ?E_vd ）和振動(dòng)壓實(shí)值（VCV）為控制指標(biāo)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了不同碾壓遍數(shù)、松鋪厚度對(duì)路基壓實(shí)過程的影響。得到結(jié)論如下：

1）當(dāng)松鋪厚度為 60cm 時(shí)，隨著碾壓遍數(shù)的增加，E_vd 平均值變化較小；當(dāng)松鋪厚度為 40cm 及 50cm 時(shí)，E_vd 呈現(xiàn)“增加-減小-增加”的變化趨勢(shì)，這與土石混合填料的“密實(shí)-破碎重新排列－再次密實(shí)”的壓實(shí)循環(huán)過程密切相關(guān)。

2）土石混填路基的VCV平均值的增幅，隨著碾壓遍數(shù)的增加先變大后變小。考慮到在實(shí)際路基填筑過程中，場(chǎng)地整平前已進(jìn)行1～2遍的疊碾預(yù)壓的情況，為達(dá)到較好的路基壓實(shí)質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)最少進(jìn)行4遍以上強(qiáng)振疊碾。

3）隨著碾壓遍數(shù)的增加， E_vd 值和VCV值之間的相關(guān)性逐漸降低，表明過多碾壓無法提升兩指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度；而在邊坡穩(wěn)定性方面，土石混填路基的邊坡安全系數(shù)隨著邊坡坡度和填筑高度的增加而逐漸下降。

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