高填路基土石混合料的工程性质分析.pdf

总658期2023年第28期（10月 上）1 工程概况某公路工程中一路段全长78.354 km，沿线地形呈现北低南高走势，以低山微丘和重丘区域为主。在该公路中，路基填料有路堑位置处挖出的土石方、隧道弃渣以及河滩料等。土石方中含有残积土、坡积土等，石质填料中大粒径块石的含量较多。该路段内高填方路堤工点的数量比较多，为104处，其中最高的路堤边坡为52.5 m，中心最大填方高度为33 m。本工程中大量使用土石混合料，但由于土石混合料比较复杂，对其工程性质研究落后于其在工程中的应用，并且现行规范对于含巨粒土的土石混合料并不完全施用，若直接作为填料用于高填方路基施工，则可能导致路基出现失稳的情况，因此对高填路基土石混合料的工程性质加以研究具有重要的工程意义。2 高填路基土石混合料的工程性质2.1 工程性质2.1.1 主要特点本工程中，用于路基填筑施工的土石混合料的质量比在3773，其特点体现在如下方面：1）组分与性质具有一定的复杂性和变异性。本工程中使用的土石混合料来源为路堑位置处挖出的土石方及附近隧道工程产生的弃渣。该公路地处山区丘陵地带，受到地形的影响，使高填方路堤与深挖路堑处于同一个方向，从路堑处挖出的土石方在同一点位从上到下土体性质存在差异，会出现多种性质不同的岩土体。不仅如此，除不同路段内的填料性质变化较大外，同一路段内的填料性质也很难保证均匀。2）当性状较为松散的土石混合料经过碾压达到一定密实度后，混合料的物理力学性质会发生改变，使路基结构更加稳定。土石混合料填筑的路基与常规的土质路基相比，其抗剪强度比较高，密实度大、承载能力强、沉降变形相对较小。换言之，土石混合料的工程性质更加稳定，更适合作为路基填筑材料。3）与土料或是石料相比，土石混合料在压实特性方面有属于自己的特点，填料的颗粒组成决定了物理力学性质。对于土质路基而言，施工过程中需要对土体的含水率、松铺厚度、碾压遍数等加以控制。而土石混填路基施工中，部分石料可能会被压路机压碎，会出现颗粒重新排列的情况，致使碾压密实复杂化，所以要从多个方面对土石混填路基的压实质量加以控制，如填料中最大粒径块石的含量、级配、碾压设备等1。2.1.2 结构形式土石混合料是一种较为特殊的工程材料，由固、液、气三相体系构成。其中粒径较大的石料起着骨架的作用，细粒的土料与气体和液体一并填充粗粒料的空隙。土石混合料的颗粒粒径分布范围广，由此导致土石混合料压实时，颗粒间的接触状况较为复杂，不同的粗颗粒含量，会使填料形成不同的结构形式。不同含石量的土石混合料压实后的结构有以下几种：悬浮密实型、骨架密实型和骨架空隙型。土石混合料的结构形式与含石量有着密切关联，其中悬浮密实型结构中的含石量小于30%；骨架密实型结构中的含石量在30%70%；而骨架空隙型结构的含石量在70%以上。以上三种结构形式中，骨架密实型结构的强度较高且稳定性好，具有较强的抗变形能力，是比较理想的路基填料结构形式。2.1.3 抗剪强度在分析土石混合料抗剪强度的过程中，采用直剪试验的方法，利用不同粒径的石英石对填料进行配比，要求试验用砂的粒径小于 20 mm。纸样制成高 40 cm、收稿日期：2023-03-02作者简介：王春晓（1992），女，工程师，从事路基路面工程相关工作。高填路基土石混合料的工程性质分析王春晓（河北盛通公路建设有限公司，河北 承德 068150）摘要：以某公路工程实例为依托，分析了高填路基土石混合料的工程性质。研究结果表明，在高填路基施工中，将土石混合料作为填筑材料时，应对其工程性质加以分析，同时，要明确土石混合料对路基沉降的影响，为压实工艺的选择和调整提供依据，以确保高填路基达到预期的压实效果，避免工后沉降超限。关键词：高填路基；土石混合料；填筑材料中图分类号：U416.1文献标识码：B124交通世界TRANSPOWORLD直径50 cm的圆柱形，试验时，试样的水平荷载出现峰值后，剪切位移达到5075 mm这一区间范围，便可停止试验。本次共进行4组试验，竖向荷载为200、400、600和800 kPa2。由试验结果可知，试样的剪切曲线中出现较为明显的峰值，可将之作为试样的破坏值，随法向应力的增大，剪切破坏位移随之增大，经过拟合后得到试样的强度参数，即c=63 kPa，=33.8，此时的试样获得比较大的内聚力，之所以出现此情况，可能是因为试样的颗粒级配不均匀，大小颗粒存在摩擦和咬合效应，虽然试样制作时并未使用黏性土，但具有较大的内聚力。试样的剪切曲线在法向应力为 800kPa时出现峰值后，剪切应力开始出现下降的趋势，经一段时间后，剪切应力再次增大并超过之前的峰值。说明试样的颗粒粒径分布不均匀，被剪切后，受到法向应力的作用，颗粒重新咬合，法向应力从200 kPa增至800 kPa，剪切应力再次上升。2.1.4 压缩特性路基压缩特性对路基的整体稳定性具有直接影响，土石混合料的压缩特性与含石量有关。业内的一些专家采用压实试验的方法，研究了含石量为30%80%的土石混合料，得出含石量与孔隙比、压缩模量、回弹模量的关系。具体结果如下：土石混合料中的含石量小于70%时，随着含石量的增加，土石混合料的孔隙比会呈现逐步下降的趋势，并在70%处达到最小值3。含石量超过 70%后，土石混合料的孔隙比随之增大；压缩模量的情况与孔隙比相反。由此得出如下结论：当土石混合料中的含石量适当时，混合料能够达到稳定性高、压缩性小的压实状态。2.1.5 压实机理路基作为路面的载体，需要具备一定的刚度、强度及稳定性。通过压实能够使填料变得密实，相关研究结果表明，填料越密实，刚度和强度越高，稳定性越好4。在路基工程中，应用较为广泛的压实方式为振动压实。由于土石混合料的性质比较特殊，从而使得影响其压实过程的因素较多。可将压实过程细分为排列、填充、分离和夯实等环节。填料在压实作用下，内部颗粒会重新排列；小颗粒在压实作用下，会填充到大颗粒间的空隙内；压实作用下，土体中的水分会被分离出来；受到夯实的冲击力影响，颗粒会破碎，由此产生的小颗粒会填入空隙。实质上，压实就是通过外力作用使填料的孔隙率不断减小，以此来增加密实度。填料的种类不同，压实过程有所差别。土石混合料中的粗细颗粒会在压实中被重新排列，颗粒的密度进一步增加，最终达到压实的效果。土石混合料的性质比较复杂，从而使得影响其压实效果的因素较多，主要包括含石量、含水量、压实功、碾压遍数、松铺厚度等。其中含石量与填料结构形式关系密切，对压实效果的影响比较大，含石量为70%时，压实效果最佳；含水量对填料结构具有直接影响，在最佳含水量的情况下，压实效果最佳。2.2 对路基沉降的影响在高填方土石混填路基中，沉降是一个相对比较复杂的问题，控制不好会导致高填路基出现严重的沉降现象，从而引起结构物变形甚至破坏。沉降归属于土体力学的范畴，受以下因素的影响：工程所在地的地质条件、填料的性质、施工工艺、外部荷载以及应力路径等。在以上影响因素中，填料是关键因素，需要重点研究。2.2.1 沉降特征与监测1）路基的总沉降量可以用S表示，由以下三个部分组成：瞬时沉降（Sd）、主固结沉降（Sc）以及次固结沉降（Ss）。引起路基瞬时沉降的原因是路基受荷瞬间而发生体积形变，内部的孔隙水并未排出，由此产生的变形，可按弹性理论计算。如果初始的荷载大，则路基瞬时沉降大；导致路基主固结沉降的原因是受荷载持续作用，填筑体中的空隙水不断排出，填料颗粒的空隙体积随之减小，进而造成路基下降，主固结沉降时，路基的状态为弹塑性变形，沉降量与时间有关，即时间增加，沉降量不断增大；次固结沉降为缓慢增加的沉降量，其中除了包含剪应变外，还包含体积应变，与孔隙水的排出无关联。相关研究结果显示，土石混填路基的沉降包括以下几个部分：填料自重与施工荷载引起的沉降、投入运营后车辆等外部荷载引起的沉降、工后蠕变变形引起的沉降。此外，地震、地下水等因素也会引起沉降。2）为研究填料对高填路基沉降的影响，在本工程中选取两处工点，分别用A和B表示，将剖面管埋设在路基设计标高以下8.0 m处，以此来监测路基横断面沉降情况。在碾压好的填筑层表面，挖设深度30 cm以上的沟槽，并在槽底铺设中砂，厚度控制在5.0 cm左右；用螺丝对剖面管连接，以钢绞线贯穿剖面管内，剖面管的两端在边坡上各露出1.0m；当剖面管接好后，在其上覆盖中砂，厚度控制在5.0 cm，随后对沟槽回填5。需要注意的是，埋好剖面管后，不可以用重型压路机碾压；布设水准观测点，使用测斜仪对初始值加以测定，之后封好剖面管的端口，避免泥沙等杂物进入；观测路基沉降情况时，应对横断面和管端沉降一并观测。2.2.2 高填路基沉降在上文的沉降监测中，选取的两处工点均为高填路基，两者区别是使用的填筑材料不同，为研究填料性质对土石混合料高填路基沉降的影响，要分析两个125总658期2023年第28期（10月 上）工点的沉降变形状况。1）由沉降监测结果可知，两处工点的边坡沉降曲线存在较为明显差异，其中A工点完工后，边坡沉降量小于B工点。路基完工后，A工点边坡的工后累计沉降量为21 mm，B工点为51 mm。通过对沉降曲线的变化趋势分析后发现，A工点初期沉降速度较快，工后3个月左右，沉降速度明显减缓，基本完成沉降。B工点工后3个月的沉降速率仍然比较快，大约到5个月时，才开始逐渐收敛，沉降时间比A工点增加45%左右6。2）路基横断面的沉降，通过剖面管配合测斜仪测量，根据测量结果，可以绘制出两处工点的横断面沉降曲线以及工后沉降曲线。对沉降曲线分析后发现，在路基中线附近出现沉降最大值，沉降值的分布情况为中间大、两端小，按时间的变化规律为先快后慢，B工点的沉降量和不均匀沉降均超过A工点。其中A工点的最大沉降量为 29.7 mm，工后为 22.4 mm；而 B 工点的最大沉降量为90.5 mm，工后为68.6 mm。由于所选的两处工点在填筑高度存在差异，所以通过沉降率评估沉降变形更为准确。其中 A 工点的总沉降率为0.25%、工后沉降率为 0.19%，B 工点的总沉降率为0.45%，工后沉降率为 0.34%。由此可见，A工点沉降低于B工点。2.2.3 填料性质对沉降的影响通过上文分析得到两个工点的沉降情况，二者在沉降规律上存在差异，出现此情况是因为填方高度和填筑材料性质不同。为进一步研究土石混合料的性质对路基沉降的影响，分别测量8个填筑层在相同压实工艺下的沉降率。由测量结果可知，A工点的填筑层沉降率比B工点小，土石混合料最大粒径为30 cm时，A工点填筑层出现最小沉降率为6.54%7。随着填料中硬岩的增多，填筑层的沉降率有所减小，而当硬岩过多时，沉降率反而会升高。原因在于土石混合料无黏性，硬岩含量少，压实后会形成悬浮密实型结构，此时的细料含量比较多，压实后的填料沉降率相对较大。2.2.4 压实工艺的选择填料不同，工程特性存在一定的差别，会影响路基的压实效果。为确保高填路基的压实度达到现行规范标准的规定要求，要对路基填筑中的压实工艺进行优化，合理确定松铺厚度、压实遍数、压实设备等。相关研究结果表明，在确保高条件路基密实度的前提下，应选用吨位较大、激振性能强的压路机，并通过试铺对碾压遍数加以确定，松铺厚度控制在 60 cm 以下，由此可以使土石混合料得到充分压实。B工点采用的填料为黏性土与硬岩块石的混合料，为提高压实效果，施工中要控制好含水率并适当降低层厚。对黏性土含量较高的土石混合料碾压时，孔隙水压力会影响松铺厚度，所以要严格控制松铺厚度及填料的含水率。碾压遍数以56遍为宜，松铺厚度不超过60 cm8。需要注意的是，碾压遍数不宜过多，否则可能会造成路基表面破坏。由于含有黏性土的填料内部气泡很难排出，从而导致填料的压实难度增加，并且压实后表面会出现微裂隙，对最终的压实效果造成影响。因此，在高填路基施工中，不推荐使用此类填料。3 结束语在高填路基施工中，以土石混合料作为填筑材料时，要对其工程性质加以分析，同时还要明确土石混合料对路基沉降的影响，据此选取适宜的压实工艺，对压实参数优化调整，确保压实效果达到规定要求，进一步提高路基的整体质量。参考文献：1 周义航.公路工程项目中的高填深挖路基施工技术研究J.中国设备工程，2021（16）：14-16.2 黄泽浪.高填路基施工在山区高速公路路基改造工程中的应用J.交通世界，2020（36）：68-69.3 厍广顺.公路高填土路基沉陷病害状况探讨及防治措施J.青海交通科技，2020（6）：65-67.4 于平湖.大型箱涵作用下高填石路基沉降控制方法的研究J.科学技术创新，2020（21）：94-96.5 孙韬.土石混合填料的力学特性及其高填路基的变形与稳定性分析D.成都：西南交通大学，2020.6 任伟.建元高速公路二标段土石混合高填路基的压实过程控制及沉降变形研究D.成都：西南交通大学，2020.7 吴彦伟.短工期、高填方、大方量路基填筑补强压实处理技术J.四川建材，2019（10）：108-109.8 李彬.强夯施工技术在高填高陡高液限路基工程中的应用J.广东公路交通，2019（4）：237-241.126