強(qiáng)風(fēng)化花崗巖路用性質(zhì)及高路堤穩(wěn)定性分析研究

梅 敏

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

0 引言

長韶婁高速公路是新編《湖南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中重要高速公路網(wǎng)組成部分，對(duì)加速長株潭“兩型社會(huì)“建設(shè)、整合旅游資源與促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長具有重要意義。該高速起點(diǎn)為赤江樞紐型互通，并與長潭西線高速公路相接，向西經(jīng)蓮花、花明樓、韶山等地，止于漣源龍?zhí)伶?zhèn)井邊互通，與二廣高速公路相連。全長共139.651 km，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，雙向4 車道，路基寬度26 m，車道寬度3.75 m，項(xiàng)目投資約91 億元。全線丘壑叢生、山巒起伏，修建時(shí)挖填方工程量較大，為減少造價(jià)，采用棄方填筑路堤的方案。受南方地區(qū)溫潤多雨氣候的影響，沿線廣泛分布的花崗巖大多呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，巖體節(jié)理分布密集，砂粒與粉粒含量高，且粘性較小，碾壓成型困難，其壓實(shí)度、強(qiáng)度指標(biāo)等達(dá)不到規(guī)范要求，對(duì)路基穩(wěn)定性及安全性不利。

風(fēng)化花崗巖在南方地區(qū)十分常見，將其直接做路基填料時(shí)容易遇水劣化、易風(fēng)化，本身粘結(jié)力也不高［1］，對(duì)公路工程修建與養(yǎng)護(hù)影響較大，因此對(duì)風(fēng)化花崗巖具有一定數(shù)量的研究。廖浩成［2］針對(duì)瀏澧高速公路風(fēng)化花崗巖的室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場碾壓實(shí)驗(yàn)而進(jìn)行風(fēng)化花崗巖的路用性質(zhì)研究，從而提出改良及路基施作方案。李杰林［3］等人以測(cè)試風(fēng)化花崗巖進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中單軸抗壓強(qiáng)度值而探究風(fēng)化巖的劣化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明在30 次凍融循環(huán)作用下風(fēng)化程度變化較大。周援衡［4］等人采用PMS—500 型循環(huán)加載設(shè)備研究風(fēng)化花崗巖改良土路基的動(dòng)力響應(yīng)問題，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)改良后全風(fēng)化花崗巖路基可承受500 萬次列車動(dòng)載及雨水長期浸泡。范子中［5］等人對(duì)通平高速風(fēng)化紅砂巖路基工程進(jìn)行現(xiàn)場碾壓實(shí)驗(yàn)，以碾壓次數(shù)、強(qiáng)振頻率及含水量對(duì)風(fēng)化花崗巖壓實(shí)度的影響論述路基碾壓工藝的功效，研究結(jié)果表明選擇合適的碾壓工藝可較大幅度地增大風(fēng)化花崗巖的路用性能。本文以湖南長韶婁高速為工程實(shí)例，基于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖路用性質(zhì)并進(jìn)行改良優(yōu)化及用于路基填料時(shí)對(duì)高路堤穩(wěn)定性的影響，為路基設(shè)計(jì)施工及穩(wěn)定性控制提供理論支撐。

1 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖工程性質(zhì)

1.1 花崗巖的風(fēng)化作用

巖體風(fēng)化作用一般分為物理分化、化學(xué)風(fēng)化及生物分化?；◢弾r經(jīng)物理風(fēng)化后的產(chǎn)物具有顆粒感，常為砂、礫石及粗粒土等，礦物成分與母巖相同?；瘜W(xué)風(fēng)化為花崗巖與O2、CO2及水等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生新的產(chǎn)物如粘土礦物、氧化物及次生SiO2等，在工程實(shí)踐中所遇到的風(fēng)化花崗巖大多為化學(xué)風(fēng)化作用所致。生物(主要指微生物)對(duì)巖石具有腐蝕作用，產(chǎn)生腐殖質(zhì)而加速形成巖體的松散結(jié)構(gòu)而稱為生物風(fēng)化作用。

1.2 風(fēng)化花崗巖礦物成分

花崗巖主要成分有石英、長石、云母及角閃石等，其中前兩者含量之和為80%～95%。原巖屬全晶質(zhì)等粒結(jié)構(gòu)，質(zhì)地堅(jiān)硬，性質(zhì)單一，巖塊抗壓強(qiáng)度約為120 ～200 MPa［6］。因長石和云母的節(jié)理特性，使花崗巖在一定條件下裂縫生成并擴(kuò)展，在接觸到氧氣、水等物質(zhì)時(shí)則發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用生成新的礦物成分［7］。受溫潤濕熱及干濕頻繁更替的相互影響，為花崗巖的風(fēng)化提供了有利條件，生成的風(fēng)化物以粘土礦物為主，且厚度較大。

1.3 風(fēng)化花崗巖物理性質(zhì)

經(jīng)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，風(fēng)化花崗巖含水量W 平均值為23.2%，液限WL、塑性指數(shù)IP及小于0.075 mm 的顆粒含量均較大，屬高液限粉土。CBR實(shí)測(cè)值在93%壓實(shí)度時(shí)75%土樣大于3，在94%壓實(shí)度時(shí)50%土樣大于4，在96%壓實(shí)度時(shí)37.5%土樣大于5，在96%壓實(shí)度時(shí)12.5%土樣大于6，并伴有一定的膨脹性。依照顆粒分析可知不均勻系數(shù)大于6，曲率系數(shù)小于0.5，級(jí)配不良。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖殘積土由于含云母，其CBR 隨云母含量的增大而明顯減小。

1.4 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖改良技術(shù)

強(qiáng)風(fēng)化花崗巖不能滿足路基填料要求，需經(jīng)改良后方可使用。路基填料常見改良添加劑有石灰、水泥及高分子材料等，考慮到經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)化巖工程應(yīng)用實(shí)際情況，可選用穩(wěn)定性較好、成本較低的石灰及水泥作為改良劑。依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行試驗(yàn)，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖改良效果評(píng)價(jià)主要有最佳含水量、最大干密度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得不同石灰及水泥摻量下的最佳含水量、最大干密度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1 ～圖3 所示，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為采用YYW－2 應(yīng)變控制儀測(cè)得改良土在養(yǎng)護(hù)7 d 及28 d 后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 最佳含水量與石灰摻量、水泥摻量關(guān)系

圖2 最大干密度與石灰摻量、水泥摻量關(guān)系

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻量、水泥摻量關(guān)系

由圖1、圖2 可知:風(fēng)化花崗巖在采用石灰或水泥改良下其最佳含水量均變化不大(增幅最大值約為0.45%)，表明可采用改良前強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的最佳含水量。石灰改良風(fēng)化花崗巖其最大干密度隨石灰摻量增加呈遞減趨勢(shì)，而水泥改良土最大干密度隨水泥摻量增加而遞增。由圖3 可知:采用石灰及水泥均能顯著提高強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。摻加9%的石灰改良后經(jīng)7 d 養(yǎng)護(hù)其強(qiáng)度可提高70%左右，而28 d 齡期下?lián)郊?%到9%時(shí)其強(qiáng)度可提高100%左右，摻加水泥比摻加石灰其改良效果更顯著，摻加5%的水泥在7 d 齡期下強(qiáng)度可提高170%左右，而摻加5%的水泥28 d 齡期的改良土其強(qiáng)度平均值約為120 kPa，是摻加3%水泥下強(qiáng)度的200%左右。綜合對(duì)比可知:在石灰摻量為7%時(shí)可達(dá)到水泥摻量為3%時(shí)的改良效果且都能滿足工程要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性及施工工藝特點(diǎn)，因此在工程實(shí)踐中可采用7%的石灰摻量進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的改良。

2 高路堤穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算分析

長韶婁高速公路某段采用棄方經(jīng)改良后用于填筑路堤，該高路堤長23 m，其中最大填筑高度為24 m，分層鋪筑，填方斷面分2 個(gè)臺(tái)階，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范上臺(tái)階為8 m、下臺(tái)階16 m，坡率分別為1 ∶1.5和1 ∶1.75，采用分層鋪筑與強(qiáng)夯加固的方法，每層填筑高度為4 m。路堤穩(wěn)定性采用數(shù)值仿真可快捷地得出穩(wěn)定性狀況及變化趨勢(shì)［8］，在工程研究及實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。該路堤對(duì)稱取半采用有限差分法軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算模型如圖4 所示。風(fēng)化花崗巖填料經(jīng)改良后粘聚力為65 kPa，內(nèi)摩擦角為32°，彈性模量為17.9 MPa，泊松比為0.3?；趶?qiáng)度折減理論求得路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖5，計(jì)算所得豎向位移場如圖6。

圖4 高填路堤計(jì)算模型

圖5 路堤邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖6 路堤豎向位移場云圖

由圖5 與圖6 可知:風(fēng)化花崗巖改良土高路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.54，最大沉降量位于路肩處，且路基填方底部隆起，其路基最大沉降量為190 mm，表明路堤邊坡及路基均滿足高速公路高路堤穩(wěn)定性要求。

2.2 高路堤監(jiān)測(cè)分析

在斷面設(shè)置壓力盒及沉降板進(jìn)行路基填料的土壓力與沉降量監(jiān)測(cè)，以得到高填路堤在施工期間及工后路基沉降數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測(cè)分析從而達(dá)到施工控制的目的［9，10］。其中沉降板為500 mm ×500 mm×30 mm，測(cè)桿為φ60 mm 的鍍鋅鋼管，在沉降管外加套PVC 套管，沉降板設(shè)置3 組。土壓力盒按豎向進(jìn)行埋設(shè)于基底處，埋設(shè)坑直徑為2 倍土壓力盒直徑，深度約300 ～500 mm 沉降及土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7與圖8。

圖7 路堤監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量與時(shí)間的關(guān)系圖

圖8 填土過程中土壓力監(jiān)測(cè)變化圖

由圖7 與圖8 可知:高填路基同一斷面存在著不均勻沉降，其中土路肩處沉降量最大(達(dá)到190 mm)，而硬路肩及行車道處的沉降相對(duì)較小(沉降最大值分別為83 mm 與52 mm)，3 處的沉降均前期增長較快，后期增長緩慢并趨近于穩(wěn)定狀態(tài)，說明了路堤沉降主要由填料的固結(jié)作用決定。在路堤填筑過程中，土壓力呈先快速后緩慢增長的趨勢(shì)并最終趨于平衡。綜合可知經(jīng)改良后風(fēng)化花崗巖用作高填路堤是可行的，其穩(wěn)定性滿足高速公路路基要求。

3 結(jié)論

長韶婁高速公路沿線分布著大量的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，因其特殊的工程性質(zhì)對(duì)就地取材的挖填方工程影響較大，因此需對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖進(jìn)行改良并對(duì)其路用性質(zhì)及高填方路堤穩(wěn)定性進(jìn)行研究。通過本次研究可得到如下結(jié)論:

1)受南方溫潤濕熱的氣候影響，長韶婁高速公路路基花崗巖風(fēng)化程度較大，風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度指標(biāo)難以達(dá)標(biāo)，作路堤填料時(shí)需進(jìn)行改良。

2)為找到合適的改良方案，選取石灰與水泥作固化劑進(jìn)行風(fēng)化花崗巖的加固效果對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)以最佳含水量、最大干密度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作評(píng)價(jià)指標(biāo)，可知風(fēng)化花崗巖在采用石灰或水泥改良下其最佳含水量均變化不大，表明可采用改良前強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的最佳含水量。石灰摻量越高改良土的最大干密度反而降低，而水泥摻量對(duì)改良土最大干密度呈正相關(guān)影響趨勢(shì)。采用石灰及水泥均能顯著提高強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在石灰摻量為7%時(shí)可達(dá)到水泥摻量為3%時(shí)的改良效果且都能滿足工程要求，因此可采用7%的石灰摻量進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的改良處治。

3)高填路堤屬特殊路基工程，同時(shí)填料為強(qiáng)風(fēng)化改良土，因此需重視其高路堤的穩(wěn)定性。采用有限差分法FLAC3D 基于強(qiáng)度折減理論對(duì)某高路堤數(shù)值計(jì)算，得到穩(wěn)定性系數(shù)為1.54，路基沉降最大值為190 mm，為填筑高度的0.79%，滿足路堤穩(wěn)定性要求。

4)對(duì)高路堤進(jìn)行沉降及土壓力監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)表明前期沉降量及土壓力變化幅度較大，而后逐漸減緩并趨近平衡，再次佐證了高填路堤穩(wěn)定性滿足要求。

［1］杜 江，陳 熙，羅 潔.風(fēng)化花崗巖殘積土路用性能室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.公路工程，2012，37(6):105－108.

［2］廖浩成.瀏醴高速公路風(fēng)化花崗巖路用特性試驗(yàn)與鋪筑方法［J］.公路工程，2012，37(4):128－123.

［3］李杰林，周科平，張亞民，等.凍融循環(huán)條件下風(fēng)化花崗巖物理特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014(3):798－802.

［4］周援衡，王永和，卿啟湘，等.全風(fēng)化花崗巖改良土路基的長期穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32(S1):596－602.

［5］范子中，董 城，李志勇.風(fēng)化花崗巖路用碾壓工藝試驗(yàn)研究［J］.公路工程，2012，37(6):154－156.

［6］侯江波.全風(fēng)化花崗巖改良土工程特性及其在高速鐵路建設(shè)中的應(yīng)用［D］.長沙:中南大學(xué)，2010.

［7］李志勇，曹新文，謝 強(qiáng).全風(fēng)化花崗巖及其水泥改良土的路用工程性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］.公路，2005(8):67－70.

［8］陽生權(quán)，劉星曄，李 亮.高填路基力學(xué)特性數(shù)值分析與施工控制［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，23(3):50－53.

［9］劉涌江，鄧衛(wèi)東，楊 青，等.高速公路路堤穩(wěn)定性與沉降變形規(guī)律研究［J］.公路交通技術(shù)，2005(5):16－20.

［10］周 禹.高填方路基沉降預(yù)測(cè)與控制施工技術(shù)的研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2013.