非洲熱帶雨林地區(qū)軟土路基填筑及沉降預(yù)測(cè)

豆懷兵，劉 鋒，汪仁生，吉軍鵬，劉德功，熊 銳，李仁強(qiáng)，李 杰

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

雅杜高速公路是連接喀麥隆政治首都雅溫得和經(jīng)濟(jì)首都杜阿拉最便捷的快速通道，路線全長(zhǎng)195 km，是由中國(guó)進(jìn)出口銀行貸款、中國(guó)企業(yè)建設(shè)的中非地區(qū)第一條高速公路。項(xiàng)目所在地屬于典型的熱帶雨林氣候，常年高溫多雨，地下水位高，土壤含水率大，沿線廣泛分布著淤泥質(zhì)軟黏土，地形起伏較大，造成全線高填方軟土路基較多，且屬地筑路材料嚴(yán)重匱乏，對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。合理選用性能優(yōu)越且經(jīng)濟(jì)的路基填料，控制高填方軟土路基的不均勻沉降，是本項(xiàng)目最主要的技術(shù)性難題。紅土粒料作為非洲地區(qū)一種優(yōu)良的路基材料，在公路工程中得到了廣泛使用，黃小華、曹長(zhǎng)偉和張瑞菊[1-5]的研究結(jié)果表明，紅土粒料具有較高的CBR(加州承載比)和回彈模量，能夠用于路基及路面基層的填筑；然而，將紅土粒料用于處治高填方軟土路基填筑引起的路基沉降，至今鮮有研究。

基于此，本文對(duì)比分析以紅土粒料[6-12]和碎石組成的混合填料與生石灰改性紅黏土2種材料的力學(xué)性能和路基內(nèi)部溫濕度場(chǎng)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性選用適合的路基填料。測(cè)定高填方軟土路基沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，并通過(guò)數(shù)學(xué)手段建立沉降預(yù)測(cè)模型，對(duì)路基遠(yuǎn)期的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，為中國(guó)企業(yè)在非洲熱帶雨林地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 沿線自然地理概況

項(xiàng)目所在區(qū)域地處喀麥隆中部高原偏南的丘陵地區(qū)，海拔約750 m，屬熱帶濕熱氣候，常年溫度在24 ℃～28 ℃，每年3月到10月為雨季，10月到翌年3月為旱季，年平均降雨量在2 000 mm以上。具體氣候資料如表1所示。

表1 項(xiàng)目所在地氣候資料

2 軟土分布及工程特性

項(xiàng)目沿線部分溝谷低洼處分布有沼澤及積水，底部分布有軟弱土，含腐殖質(zhì)，壓縮性大，土質(zhì)指標(biāo)差。調(diào)查發(fā)現(xiàn)沿線軟土深度最大不超過(guò)5 m，由于當(dāng)?shù)厮唷⑹业冉ㄖ牧蠂?yán)重缺乏，大多采用進(jìn)口，因此對(duì)于地基承載力小于100 kPa的軟土層，采取清淤換填碎石的方案進(jìn)行處理，碎石換填深度由地勘結(jié)果確定。

項(xiàng)目沿線地形復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，PK6+260～PK7+280段最高點(diǎn)高程為778 m，最低點(diǎn)為651 m，高差達(dá)127 m ，是本項(xiàng)目路基工程最重要工段，項(xiàng)目最深挖方和最高填方都位于此處。其中PK6+960～PK7+280段高填方填高達(dá)33 m，且地基為軟弱土。本文所選PK7+097斷面處地勘試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 地勘試驗(yàn)結(jié)果

3 路基填筑方案

項(xiàng)目沿線路基填土多為紅黏土，它具有天然含水率高、液限和塑性指數(shù)高、強(qiáng)度低、壓縮性高、細(xì)顆粒含量過(guò)多和顆粒級(jí)配差等特點(diǎn)，導(dǎo)致路基難以壓實(shí)，且壓實(shí)后路基容易出現(xiàn)裂縫。因此必須對(duì)路基填料進(jìn)行處理后才能進(jìn)行路基填筑。本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目所在地的實(shí)際情況，選用2種路基填筑方案。

3.1 采用混合填料

本項(xiàng)目沿線紅土粒料分布廣泛，是當(dāng)?shù)乇容^常見(jiàn)的筑路材料，其富含大量的鐵元素，因此呈紅色，80 μm以上顆粒含量大于60%。與其他土相比，紅土具有強(qiáng)度高、透水性好等特點(diǎn)，因此是一種性能優(yōu)越的路基填筑材料。另外，由于PK6+960～PK7+280段填高達(dá)33 m，對(duì)路基底部承載能力要求高，且項(xiàng)目沿線地下水位較高，因此可選用路基底部10 m填筑碎石、路基頂部23 m填筑紅土粒料的混合填料方案。

對(duì)不同擊實(shí)功下的紅土粒料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，在壓實(shí)度分別為93%、94%和95%時(shí)進(jìn)行CBR試驗(yàn)和回彈模量試驗(yàn)，研究紅土粒料的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示。

從圖1可以看出：隨著擊實(shí)次數(shù)的增多，擊實(shí)曲線逐漸上升，試樣干密度逐漸增大，最佳含水量逐漸減小；當(dāng)擊實(shí)次數(shù)超過(guò)80次后，試樣的干密度和最佳含水量趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?，隨著擊實(shí)功的增大，紅土粒料顆粒的破碎程度逐漸加重。當(dāng)擊實(shí)次數(shù)大于98次后，紅土粒料顆粒破碎較充分，因此再增大擊實(shí)功對(duì)紅土粒料的擊實(shí)效果影響不明顯。

圖1 不同擊實(shí)功下紅土粒料的擊實(shí)曲線

圖2 CBR強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系

圖3 不同壓實(shí)度下紅土粒料的回彈模量

從圖2、3可以看出：隨著壓實(shí)度的增大，CBR值逐漸增大，當(dāng)壓實(shí)度大于93%時(shí)，紅土粒料的CBR值均在20%以上；隨著垂直作用應(yīng)力水平的增加，不同壓實(shí)度下紅土粒料的回彈模量逐漸增大，當(dāng)壓實(shí)度為96%時(shí)，各應(yīng)力水平下紅土粒料的回彈模量均大于100 MPa，能完全滿足規(guī)范對(duì)路床和路堤填料的力學(xué)要求。填筑時(shí)將路床頂面以下0～0.8 m范圍內(nèi)填土壓實(shí)度控制在96%以上，0.8～1.5 m范圍內(nèi)壓實(shí)度控制在94%以上，1.5 m以下壓實(shí)度控制在93%以上。

3.2 生石灰處理改性紅黏土

由于生石灰與高液限黏土之間能發(fā)生離子交換作用，加上生石灰自身的碳化作用和膠凝作用[6-12]，使高液限黏土的可塑性增大，膨脹率減小，明顯提高其承載力。在紅黏土中加入不同劑量的生石灰后得到的技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 生石灰摻量對(duì)紅黏土力學(xué)指標(biāo)的影響

從表3可以看出，隨著生石灰摻量的增多，高液限紅黏土強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)生石灰摻量達(dá)到10%再增加生石灰時(shí)，紅黏土的強(qiáng)度提升幅度不大。其原因主要為，生石灰摻入紅黏土中后，在初期發(fā)生離子交換反應(yīng)，減小了水膜厚度，促使土顆粒凝聚形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而提高了強(qiáng)度，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，生石灰的結(jié)晶和碳化作用提高了紅黏土的密實(shí)度，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。各生石灰摻量下，28 d后黏土的CBR值和回彈模量大于紅土粒料，表明將生石灰改性紅黏土用于路基填筑有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.3 路基內(nèi)部溫濕度對(duì)比分析

在PK7+240(中心填土高度為5 m)處分別用混合填料和生石灰(摻量10%)改性紅黏土填筑路基，并在2種路基中線頂面以下80 cm處埋設(shè)溫濕度傳感器，測(cè)定不同季節(jié)路基內(nèi)部的溫度和濕度，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 不同填筑方式下路基內(nèi)部溫度曲線

圖5 不同填筑方式下路基內(nèi)部濕度曲線

從圖4、5可以看出，路基內(nèi)部溫度的變化與季節(jié)性氣溫變化規(guī)律基本相同，路基內(nèi)部溫度變化總是滯后于外界氣溫的變化。相同條件下，生石灰改性紅黏土路基內(nèi)部溫度高于混合填料路基，兩者相差2 ℃左右。這主要是因?yàn)?，一方?種材料的吸熱屬性不同，另一方面生石灰吸收紅黏土中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出一定的熱量，因此其內(nèi)部溫度較高。路基內(nèi)部濕度的變化具有明顯的季節(jié)屬性，由于當(dāng)?shù)?～11月份為大雨季，降雨量較大，造成路基內(nèi)部濕度較大。相同條件下，生石灰改性紅黏土路基內(nèi)部濕度大于混合填料路基，且兩者相差不大于1.5%，雖然生石灰能吸收紅黏土中的水分，但是紅黏土自身的吸水性大于紅土粒料，因此造成其所填路基內(nèi)部濕度較高。2種路基1年內(nèi)濕度的差值在6%之內(nèi)，表明2種路基材料均能保持路基內(nèi)部濕度的穩(wěn)定。生石灰改性紅黏土路基具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，且在溫差較大地區(qū)有更好的保溫性能，然而喀麥隆幾乎沒(méi)有石灰來(lái)源，需要全部進(jìn)口，所需工期較長(zhǎng)，造價(jià)較高，而且項(xiàng)目所在地常年高溫，溫差較小，因此本項(xiàng)目選用混合填料方式對(duì)高填方軟土路基進(jìn)行填筑。

4 路基沉降預(yù)測(cè)

4.1 路基實(shí)測(cè)沉降

以混合填料填筑高填方軟土路基，在PK7+100斷面路基中點(diǎn)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以7 d為1個(gè)周期測(cè)定360 d內(nèi)的路基沉降，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示，路基填筑2年后的情況如圖7所示。從圖6中可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，路基沉降量逐漸增大，在250 d后路基沉降速率有所減小，1年末路基的總沉降量小于180 mm，表明以碎石換填3 m軟基后，用混合填料填筑的路基沉降緩慢。主要原因是，路基底部10 m以碎石填筑，碎石的沉降瞬時(shí)就能完成，路基上部23 m用紅土粒料填筑，紅土粒料中富含石料，與其他土質(zhì)填料相比，具有難壓縮的特點(diǎn)，因此路基沉降緩慢。從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)2年后高填方軟土路基穩(wěn)定性良好，沒(méi)有出現(xiàn)較大的變形，且經(jīng)過(guò)當(dāng)?shù)卮笥昙緵_刷后路基邊坡整體性依然較好。

圖6 路基中間點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降值

圖7 施工2年后的路基照片

4.2 回旋線推算法預(yù)測(cè)沉降

4.2.1 回旋線特征

回旋線是一種緩和曲線，其特點(diǎn)是曲率半徑從無(wú)窮大開(kāi)始，隨著曲線長(zhǎng)度的增大，曲率半徑逐漸減小，曲率逐漸增大。曲率增大的程度受回旋線參數(shù)A的控制，回旋線基本公式[13-14]為

rl=A2

(1)

式中：r為回旋線上某點(diǎn)的曲率半徑；l為回旋線上某點(diǎn)到原點(diǎn)的曲線長(zhǎng)，即曲率半徑無(wú)窮大點(diǎn)的曲線長(zhǎng)；A為回旋線參數(shù)，表示曲線曲率半徑的變化率。

回旋線在直角坐標(biāo)系中(圖8)的參數(shù)方程為

(2)

圖8 回旋線示意

上述回旋線的特征與沉降-時(shí)間的變化特性有一定的相似性。隨著時(shí)間的推移，沉降的變化速率逐漸減小，從某一時(shí)間開(kāi)始收斂并趨于一個(gè)穩(wěn)定值，對(duì)應(yīng)的回旋線曲率逐漸減小，逐步收斂至曲率半徑為無(wú)窮大。因此，可以將沉降曲線近似為一條回旋線，利用回旋線參數(shù)方程求解路基的最終沉降量，即

S=St+yt

(3)

式中：St為最后一個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的沉降值，本文為357 d的沉降值；yt為收斂時(shí)間為t時(shí)的y坐標(biāo)。

4.2.2 沉降預(yù)測(cè)

求解路基最終沉降量，關(guān)鍵要確定回旋線參數(shù)A和沉降曲線的曲線長(zhǎng)。在時(shí)間-沉降曲線中，回旋線參數(shù)A的大小表示沉降速率趨于零的快慢。在時(shí)間-沉降曲線中，沉降速率是逐漸變化的，直至某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)沉降速率會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值，因此可以利用已觀測(cè)某一段時(shí)間的沉降曲線反推回旋參數(shù)A，進(jìn)而求得最終沉降量。

時(shí)間-沉降曲線的曲線長(zhǎng)可近似等于沉降的收斂時(shí)間，可以通過(guò)常規(guī)的雙曲線擬合方程[15-19]得到長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)間-沉降曲線，并判斷其收斂性，確定收斂時(shí)間。雙曲線擬合方程和結(jié)果如圖9所示，可以看出，雙曲線法計(jì)算的沉降隨時(shí)間的推移逐漸增大，沉降在收斂到某個(gè)值后以微小的變化持續(xù)發(fā)展，計(jì)算出來(lái)的收斂時(shí)間約為4 650 d，雙曲線法預(yù)測(cè)最終沉降為790.3 mm。

圖9 雙曲線擬合沉降變化

從表4可以看出，不同序列計(jì)算得到的回旋參數(shù)A值不同，具有一定的離散性，但計(jì)算得到的沉降值差別不大，可取各序列預(yù)測(cè)得到沉降值的平均值作為最終沉降，最終沉降量為794.0 mm，與雙曲線擬合得到的最終沉降量790.3 mm極為接近。由于紅土粒料的特殊性，路基沉降速率緩慢，1年后的沉降量?jī)H為172.5 mm，與總沉降量794.0 mm相差較大，為了保證施工進(jìn)度，應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施加速路基沉降。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)在合適的壓實(shí)度下，紅土粒料具有較高的CBR和回彈模量，能完全滿足路基填筑的需要，建議將路床頂面以下0～0.8 m范圍內(nèi)填土壓實(shí)度控制在96%以上，0.8～1.5 m范圍內(nèi)壓實(shí)度控制在94%以上，1.5 m以下壓實(shí)度控制在93%以上。

(2)生石灰能明顯改善紅黏土的力學(xué)性能，當(dāng)生石灰摻量達(dá)到10%時(shí)，再增大摻量對(duì)力學(xué)指標(biāo)的改善效果不顯著；與紅土粒料相比，生石灰改性紅黏土具有更好的力學(xué)性能；生石灰改性紅黏土路基內(nèi)部的溫度和濕度均大于混合填料路基，但總體相差不大，考慮到項(xiàng)目所在地生石灰資源極度匱乏，因此選用混合填料填筑路基。

表4 回旋線推算法的路基沉降預(yù)測(cè)結(jié)果

(3)用回旋線推算法預(yù)測(cè)高填方軟土路基的沉降具有較高的可信度；所選斷面處預(yù)測(cè)得到的最終沉降為794.0 mm，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明填土1年后路基的沉降量?jī)H為172.5 mm，表明混合填料填筑的路基沉降緩慢，因此為了加快施工進(jìn)度，需要采取相應(yīng)的工程措施加快路基沉降。