炭質(zhì)巖路基填筑新技術(shù)及沉降計算分析

馬慧君 駱俊暉

摘要：基于廣西區(qū)內(nèi)存在大量被棄用的炭質(zhì)巖的現(xiàn)狀，文章提出了一種對針對炭質(zhì)巖填筑路基的填筑新技術(shù)方法，結(jié)合便捷、經(jīng)濟與保證質(zhì)量的原則進行炭質(zhì)巖填筑路基試驗段研究，同時提出采用四參數(shù)ExpGro2經(jīng)驗法對現(xiàn)場監(jiān)測到的沉降數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析，并系統(tǒng)研究了曲線擬合法在炭質(zhì)巖路基沉降預(yù)測中的適用性。分析研究表明：（1）由現(xiàn)場監(jiān)測情況揭示了所提出的炭質(zhì)巖路基填筑新技術(shù)效果良好，可推廣使用;（2）四參數(shù)ExpGro2經(jīng)驗法可較好地預(yù)測炭質(zhì)巖路基沉降變形規(guī)律及變形速率發(fā)展情況，在實際工程中可適用;（3）研究結(jié)果可為炭質(zhì)巖路基填筑工程提供參考依據(jù)，具有一定的社會、理論和實踐意義。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)巖;路基填筑;沉降計算;經(jīng)驗計算法

中圖分類號：U416.04 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.003

文章編號：1673-4874（2019）10-0007-03

0引言

炭質(zhì)巖具有易崩解、遇水軟化、風(fēng)化后強度大幅度降低等工程特性，邊坡穩(wěn)定性較差，不能直接作為路基填枓，工程處治費用較高，在工程中往往棄之不用。因此，若采用炭質(zhì)巖作為高速公路路基填料，不僅需要提出科學(xué)合理的路基結(jié)構(gòu)及其施工方法，還需對填筑路基沉降進行準(zhǔn)確預(yù)測，以確保工后可正常使用。

目前，炭質(zhì)巖路基填筑方法有路基分層法、包邊法、包芯法等，但是實施方案較為復(fù)雜，不利于路基填筑施工，迫切需要提出一種針對炭質(zhì)巖工程特性的路基填筑技術(shù)，不僅能充分利用炭質(zhì)巖作為路基填枓以節(jié)約資源，而且能保證炭質(zhì)巖路基工程的質(zhì)量。在路基沉降預(yù)測方面大致可分為兩類，一類是基于本構(gòu)模型得到沉降數(shù)值解;另一類是根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)代入經(jīng)驗公式進行計算分析。在實際工程中，基于土體本構(gòu)模型得到的沉降計算數(shù)值解存在一定誤差，并且過程復(fù)雜，不利于推廣使用，因此，工程中常根據(jù)現(xiàn)場實測監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)運用經(jīng)驗公式法預(yù)測沉降。常用到的曲線擬合法有雙曲線法、Asaoka法、三點法等。雙曲線法在一定程度上可反映次固結(jié)沉降，在軟土地基沉降預(yù)測中應(yīng)用較廣，但是只適合分析施工階段沉降，無法分析工后沉降;Asaoka法是Asooko（1978）基于一維固結(jié)方程提出的實用性方法，該法時間間隔的選擇對預(yù)測結(jié)果有一定的影響，而且Asooko法沒有考慮蠕變作用的影響;三點法作為我國規(guī)范常用方法，所選的三個點的沉降量需要滿足一定的要求。

基于上述存在問題，本文針對廣西炭質(zhì)巖的工程特性，提出一種炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑新技術(shù)，同時建立了一種四參數(shù)經(jīng)驗計算法對炭質(zhì)巖路基進行沉降計算及預(yù)測分析，為炭質(zhì)巖填筑路基的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1工程概況

河池至百色高速公路起自金城江區(qū)拔貢鎮(zhèn)北香村，與六寨至河池高速公路連接，止于百色市右江區(qū)那務(wù)村，與百色至隆林高速公路連接，主線全長179.2km。該公路穿越大量的炭質(zhì)巖，其形成于泥盆系中統(tǒng)（D2），巖性主要為深灰色薄一中層狀泥頁巖、灰黑色薄厚層狀炭質(zhì)泥頁巖、泥灰?guī)r，灰色中厚層狀灰?guī)r、砂巖、硅質(zhì)巖等，巖性變化較大，炭質(zhì)泥頁巖、泥灰?guī)r具崩解性。

由于炭質(zhì)巖具有易崩解軟化、環(huán)境敏感等不良工程特性，不宜直接作為填方路基的填料，若棄之不用不僅造成資源浪費，而且對環(huán)境帶來一定的危害。因此，需要對炭質(zhì)巖填料采用合理處治措施以滿足CBR填筑指標(biāo)要求，并且設(shè)置良好的排水系統(tǒng)以防止炭質(zhì)巖在于濕循環(huán)下發(fā)生崩解軟化，影響路基的長期穩(wěn)定性?，F(xiàn)選取河百高速公路K16+800段炭質(zhì)巖填筑路基作為試驗路段進行系統(tǒng)研究，對炭質(zhì)巖填筑路基進行監(jiān)測，檢驗填筑效果。

2 新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑技術(shù)

2.1新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)

在河百高速公路段存在大量炭質(zhì)巖，故提出了一種因地制宜的炭質(zhì)巖路基填筑方法，在保證路基穩(wěn)定的情況下充分利用了炭質(zhì)巖。新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先，進行初步的篩選，根據(jù)經(jīng)驗將強度較低的炭質(zhì)泥巖排除，只選取炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r或者強度較高的炭質(zhì)泥巖。在填筑時，控制分層厚度，并且進行強夯加固。該新型炭質(zhì)巖路基充分利用炭質(zhì)巖，考慮炭質(zhì)巖遇水軟化特性，同時考慮了排水問題，在炭質(zhì)巖路基下部設(shè)置的片石層及碎石層均具有良好的排水性能，路堤側(cè)面有一定坡度難以積水，路堤兩端設(shè)置排水溝。通過以上措施，使得該路基結(jié)構(gòu)排水性能十分顯著，保證了路堤自身始終處于干燥的環(huán)境，抑制炭質(zhì)巖的崩解軟化，從而保證了路堤的穩(wěn)定。同時在炭質(zhì)巖填筑路基的路堤上部采用了土質(zhì)較好的黏土層。

2.2 新型炭質(zhì)巖路基填筑技術(shù)要點

由于炭質(zhì)巖具有不良工程特性，以炭質(zhì)巖作為填料應(yīng)當(dāng)提升施工技術(shù)，確保填筑路基可正常使用。針對該路基結(jié)構(gòu)提出以下幾點主要步驟：

（1）地表清理、整平，測量放樣，進行全線中線貫通，控制填土厚度。

（2）填筑試驗段。通過試驗段確定炭質(zhì)巖填筑路基壓實有關(guān)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)施工。

（3）地基處理。清除軟弱土，換填合格填料，并在適宜排水的層位采用片石層、碎石層換填;不存在軟弱土?xí)r，直接填筑片石層、碎石層。片石層底面設(shè)置在排水方向向下3%的橫坡。

（4）炭質(zhì)巖填方整平。當(dāng)填方區(qū)一層炭質(zhì)巖填料上料完成后，按0.5m的松鋪厚度攤平和碾壓，碾壓時壓路機行駛速度控制在2km/h之內(nèi)。

（5）在經(jīng)過步驟4后的炭質(zhì)巖填筑層上采用20t以上振動式壓路機碾壓，進行路床填筑。

（6）施工排水溝。在填筑路堤的同時，在路堤的兩側(cè)按排水設(shè)計的要求施工排水溝，要求排水溝與路堤邊坡坡面的急流槽、滲溝等接順。當(dāng)排水溝底面高于片石層底面時，應(yīng)在排水溝下設(shè)置排水滲溝或加深排水溝至片石層底面;當(dāng)排水溝底面低于片石層底面時，應(yīng)設(shè)置泄水孔引排片石層的水至排水溝。

同時，為確保填筑路基質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)注意以下事項：（1）雨季施工應(yīng)做好臨時排水設(shè)施及預(yù)備擋雨措施;（2）用于填料的炭質(zhì)巖不能為崩解后成泥的炭質(zhì)巖;（3）嚴(yán)格按每層0.5m的松鋪厚度計算卸料密度，由遠(yuǎn)及近進行卸料;（4）嚴(yán)格控制炭質(zhì)巖填層厚度和填筑寬度;（5）嚴(yán)格進行炭質(zhì)巖路基壓實度的試驗檢測;（6）結(jié)合永久排水做好施工期間的臨時排水工作;（7）每層填筑時，在炭質(zhì)巖填層面做成2%-4%的橫向排水坡，并在路基兩側(cè)邊坡處每隔10-20m交錯設(shè)置臨時排水溝;（8）路堤坡腳處及時做好臨時或永久性排水溝;（9）控制路堤滲水部分的填筑材料，選取水穩(wěn)性高及滲水性好的填料進行填筑，防止?jié)B透動水壓破壞路堤邊坡的穩(wěn)定。7F586183-5F75-4EE6-BBB1-B668EEBBF221

3 炭質(zhì)巖路基沉降計算分析

3.1炭質(zhì)巖路基現(xiàn)場監(jiān)測

為驗證炭質(zhì)巖路基填筑效果，在河百高速公路2標(biāo)段長老鄉(xiāng)路基k16+800段設(shè)置沉降盤、測斜管、溫濕度計、滲壓計、土壓力盒等傳感器，以監(jiān)測炭質(zhì)巖填筑路基的穩(wěn)定性。沉降盤的布置及編號如圖2所示。

圖3為炭質(zhì)巖路基監(jiān)測點累計填筑-沉降時程曲線，填筑時間為178d。填土高度近似線性增長，而累計沉降量前期增長快，后期逐漸達到穩(wěn)定。

由圖3可以觀察到，大致在111d后，炭質(zhì)巖路基沉降逐漸趨向穩(wěn)定。實測的炭質(zhì)巖路基沉降時程曲線屬于有界曲線，隨著時間的增長，沉降的增量逐漸減小。

3.2 炭質(zhì)巖沉降計算及預(yù)測分析

傳統(tǒng)沉降計算方法都過于依賴試驗，但是由于炭質(zhì)巖性質(zhì)的復(fù)雜性以及其他條件的影響，通過試驗得到的參數(shù)往往是不精確的，而根據(jù)實測資料的沉降預(yù)測是在取得較為充分的沉降資料的基礎(chǔ)上進行的，能綜合考慮各種復(fù)雜因素對巖土體性質(zhì)的影響。鑒于此，本文提出一種四參數(shù)ExpGro2經(jīng)驗法，同時與常用經(jīng)典方法進行比較研究，比選出適合炭質(zhì)巖路基沉降的計算方法。

式中：S_t——t時刻的沉降量預(yù)測值;

S₀——初始沉降;

A₁，A₂，t₁，t₂——待定參數(shù)。

擬合曲線方程的參數(shù)如表1所示。

將已知參數(shù)模型對t求導(dǎo)，得出ExpGro2法沉降速率曲線，如圖4所示。由圖4可知，隨著時間增加，在加載期間中期以后，沉降速率逐漸為0，滿足規(guī)范要求。

采用ExpGro2法對河百高速公路K16+800監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)進行擬合。擬合結(jié)果如圖5所示，擬合效果較好。

將擬合結(jié)果與其他多種方法進行對比，如后頁表2所示。可知ExpGro2法具有較高的相關(guān)系數(shù)，擬合效果較其他方法更有優(yōu)勢，R²相關(guān)系數(shù)為0.986，擬合效果最佳。

4 結(jié)語

本文基于廣西區(qū)內(nèi)有大量廢棄的炭質(zhì)巖的現(xiàn)狀，提出了一種充分利用炭質(zhì)巖的路基結(jié)構(gòu)及其填筑技術(shù)方法，并對已應(yīng)用路基進行監(jiān)測，進而依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行炭質(zhì)巖路基沉降預(yù)測方法適用性分析，得出以下結(jié)論：

（1）提出的炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑方法便于施工，可提高炭質(zhì)巖挖方的利用率，而且通車后穩(wěn)定性良好。

（2）通過比選經(jīng)典的曲線擬合法在炭質(zhì)巖路基沉降計算的效果，得到ExpGro2法對炭質(zhì)巖路基沉降預(yù)測效果良好，適合推廣使用。7F586183-5F75-4EE6-BBB1-B668EEBBF221