填石路堤產(chǎn)生沉降的原因分析

賈智宏

填石路堤在施工完成后,隨著時(shí)間的推移與汽車(chē)重復(fù)荷載的作用,常常出現(xiàn)整體下沉和局部下沉,引起下沉的原因主要有以下幾個(gè)方面[1,2]:路堤填料方面和工程地質(zhì)方面等等。本文主要結(jié)合國(guó)內(nèi)外填石路堤的沉降資料從這幾個(gè)方面來(lái)探討填石路堤的沉降原因。

1 填石料的工程特性

1.1 填石料的類(lèi)別劃分

對(duì)于石料,從不同的角度可將其分為很多種類(lèi),例如按地質(zhì)年代分類(lèi)可分為第三紀(jì)砂卵石、礫石土等;按成因可分為冰積土石料、沖積土石料等;按顆粒形狀可分為網(wǎng)礫石、角礫石等;按新鮮、軟硬程度可分為風(fēng)化石渣料、堅(jiān)硬堆石料等,由此可見(jiàn),不同的分類(lèi)所側(cè)重的工程性質(zhì)是不同的。

填石路基中的填料按照粒徑及顆粒特征應(yīng)屬于純巨粒土,而我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程中粗粒土的分類(lèi)多是限于dmax不超過(guò)60 mm,粒徑范圍為0.075 mm～60 mm的材料,雖然將粒徑大于60 mm的材料命名為巨粒土,但其分類(lèi)過(guò)于籠統(tǒng),沒(méi)有根據(jù)其最大粒徑、粒徑組成、細(xì)粒含量等指標(biāo)再繼續(xù)細(xì)分、命名。而當(dāng)前實(shí)際工程中的路基填料如碎石、石渣、土夾石等,其粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60 mm,且顆粒含量較大。所以說(shuō),目前的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不能為實(shí)際工程需要提供合理、有效的技術(shù)指導(dǎo)。

針對(duì)路堤施工類(lèi)型作出如下的分類(lèi):1)石料中粒徑大于60 mm的顆粒含量為 T≥50%且粒徑小于0.074 mm的顆粒含量小于10%時(shí),則可按填石路堤施工工藝施工。2)石料中粒徑大于60 mm的顆粒含量為30%＜T＜50%且粒徑小于0.074 mm的顆粒含量大于10%時(shí),則應(yīng)按土石混填路堤施工工藝施工。3)石料中粒徑大于60 mm的顆粒含量 T≤30%時(shí),則可按填土路堤施工工藝施工。

1.2 填石料的密度

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)填石料在最佳級(jí)配范圍時(shí),其最大干密度可達(dá)到較大值;2)但在相當(dāng)大的級(jí)配范圍內(nèi),填石料的最大干密度仍能達(dá)到一個(gè)較高水平。這說(shuō)明填石路堤填料的級(jí)配范圍可不加以嚴(yán)格控制。

1.3 填石料的變形

土石混合填料和填石料在遇水時(shí)都會(huì)發(fā)生濕化變形,即使在其受到荷載不變時(shí)也是如此。一般,填石料強(qiáng)度越高、填石料的成型密度越大,其濕化變形越小。和普通土類(lèi)填料相比,填石料有以下特點(diǎn):1)填石料密度大,按90%壓實(shí)度考慮,填石路堤的密實(shí)較土質(zhì)填料增大10%～20%。2)填石料壓縮性小,即使在同等干密度的情況下,填石路堤壓縮變形仍小于填土,和普通填土料相比,其壓縮模量可增大3倍～5倍。3)填石料固結(jié)速度快,在填石料的大型壓縮試驗(yàn)中,幾乎無(wú)法測(cè)出固結(jié)系數(shù),這表明填石料的自身壓縮對(duì)路面修筑基本沒(méi)有影響。這對(duì)路堤修筑是有利的。4)良好的、壓實(shí)的軟質(zhì)填料,其壓縮性與普通填料相比,壓縮模量可增大1倍～3倍。固結(jié)系數(shù)約大于普通填料。

1.4 填石路堤的自身變形分析

對(duì)于10 m～30 m的填石路堤,其自身壓縮量在填方高度的1%以?xún)?nèi),并且在施工期能完成絕大部分自身壓縮量,在營(yíng)運(yùn)期其自身壓縮量在填筑高度的0.03%～0.2%之間。也就是說(shuō),30 m高的填石路堤,在營(yíng)運(yùn)期其自身壓縮量小于5 cm。因此可以認(rèn)為,對(duì)于達(dá)到要求密實(shí)度的填石路堤,其自身壓縮量可以忽略不計(jì)。

1.5 填石料的長(zhǎng)期性能

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐,填石料的長(zhǎng)期性能主要表現(xiàn)在:1)填石料的長(zhǎng)期性能的穩(wěn)定性與巖石的成型密度和巖石的強(qiáng)度有密切關(guān)系。2)填石料受到水的侵蝕是后期產(chǎn)生較大變形的主要原因,填石路堤在經(jīng)過(guò)1個(gè)～2個(gè)雨季后再鋪筑路面,會(huì)大大減少路堤的沉降變形量。3)填石料的長(zhǎng)期變形過(guò)程與細(xì)粒填料明顯不同,細(xì)粒填料的長(zhǎng)期變形是一個(gè)較為均勻的過(guò)程,在總變形量中,其飽水前的變形量占總變形量的80%,在其后的濕化變形中,其沉降量反而不是很大,這說(shuō)明細(xì)粒填料不易產(chǎn)生急劇變形,這對(duì)路面結(jié)構(gòu)無(wú)疑是有利的;而填石料在未遭受雨水侵蝕前沉降量變形較小,占總量50%以下,在遇水侵蝕后,短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的變形,這種突變式的變形規(guī)律對(duì)路面結(jié)構(gòu)不利。4)填石料壓實(shí)到一定程度后,其綜合長(zhǎng)期性能優(yōu)于土質(zhì)路堤。5)對(duì)于堅(jiān)硬石料不宜采用較低密度來(lái)修筑路堤,因?yàn)閹r石長(zhǎng)期接觸空氣容易風(fēng)化。

2 工程地質(zhì)對(duì)填石路堤沉降的影響

2.1 地基中存在軟弱土層或巖溶

在一些地表水和地下水自然排泄困難的地方,地基土中軟弱土層固結(jié)過(guò)程中的較大沉降變形是產(chǎn)生過(guò)大沉降和沉降差的重要原因。有些路段所處地基不屬于軟土地基,但處于低洼、河谷處,長(zhǎng)期受水沖蝕,天然含水量較高,在設(shè)計(jì)時(shí)未發(fā)現(xiàn)或未作特殊處理,在施工時(shí)也未作等載或超載預(yù)壓,也會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。在碳酸鹽巖地區(qū),路基下有時(shí)分布有巖溶洼地或漏斗,其中的沉積物松軟,在行車(chē)動(dòng)載的作用下,沉積物壓實(shí),側(cè)向流動(dòng)和下陷,造成路基沉陷。

2.2 地下水對(duì)路堤不均勻沉陷的影響分析

路堤不均勻沉降的發(fā)生是多種因素綜合作用的結(jié)果。其中,內(nèi)因在于路堤及地基本身,外因是車(chē)載、地下水及自重作用。在地下水的交替作用下,路堤填石料內(nèi)含水量反復(fù)變化。

路堤及其地基中的地下水主要補(bǔ)給來(lái)源有三種類(lèi)型,即地下水側(cè)向補(bǔ)給、降雨補(bǔ)給、地表水側(cè)向補(bǔ)給。其動(dòng)態(tài)變化及侵蝕作用影響到填料中的有效應(yīng)力分布、填料的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度,從而導(dǎo)致路堤的不均勻沉降。此外,由于路基為條形,軟土層中附加應(yīng)力的分布沿水平向是不同的,會(huì)破壞軟土層原有水平方向的平衡。所以,軟土層在發(fā)生豎向沉降的同時(shí),也會(huì)在水平方向上產(chǎn)生側(cè)向塑流變形。

滲透固結(jié)沉降完成后,超孔隙水壓力基本消散,但是粘粒之間并沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài),這種粘粒之間為平衡而進(jìn)行的調(diào)整,稱(chēng)為次固結(jié)沉降。填方路堤及其地基中高于地下常水位部分,其中的地下水主要來(lái)自降雨補(bǔ)給,其中的含水量變化于飽和與非飽和狀態(tài),處于非飽和狀態(tài)的時(shí)間一般多于處于飽和狀態(tài)的時(shí)間。當(dāng)然,受到氣候條件(干旱、半干旱、潮濕)的影響,其中含水量變化的速率不同。在含水量變化的過(guò)程中,填料中的有效應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化。研究表明,路堤中含水量變化,其中的有效應(yīng)力相應(yīng)改變,同時(shí)填石料容重也會(huì)發(fā)生變化。這樣的變化是經(jīng)常的、反復(fù)的,它的交替作用引起填石料的沉降變形。

3 結(jié)語(yǔ)

從填石料的類(lèi)別、填石料的密度、填石料的變形、填石路堤的變形和填石料的長(zhǎng)期性能五方面來(lái)研究填石料的工程特性對(duì)沉降的影響,認(rèn)為填石料的最大粒徑、壓實(shí)度、長(zhǎng)期性能是影響填石路堤沉降的主要因素。就工程地質(zhì)條件而言,地基土中軟弱土層固結(jié)過(guò)程中的較大沉降變形是產(chǎn)生過(guò)大沉降和沉降差的重要原因:路堤中含水量變化,其中的有效應(yīng)力相應(yīng)改變,同時(shí)填石料容重也會(huì)發(fā)生變化。這樣的變化是經(jīng)常的、反復(fù)的,它的交替作用引起填石料的沉降變形。

[1] 趙明華,吳建寧,陳昌富,等.基于龔帕斯生長(zhǎng)曲線(xiàn)的高填石路堤沉降規(guī)律分析[J].中國(guó)巖溶,2005,24(2):17-18.

[2] 曹喜仁,鐘守濱,淤永和,等.高填石路堤工后沉降分析及工程算法探討[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,29(6):71-72.

[3] 荊林立,楊彥奇.路堤沉降因素的有限元數(shù)值模擬[J].山西建筑,2008,34(8):282-283.