河都高速公路填石路堤修筑技術(shù)研究

王萬展，魏作標，潘隆武

(1.廣西桂山高速公路有限公司，廣西 都安 530700；2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

河都高速公路填石路堤修筑技術(shù)研究

王萬展1，魏作標1，潘隆武2

(1.廣西桂山高速公路有限公司，廣西 都安 530700；2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

為合理地利用資源并保護喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，通常選擇填石路堤作為該地區(qū)高速公路的路堤修筑方法。文章以廣西河都高速公路為工程依托，對喀斯特地區(qū)填石路堤填石料技術(shù)要求、填石路堤施工工藝及質(zhì)量控制方法、填石路堤穩(wěn)定性評價方法等方面進行了研究，主要研究成果有四點：(1)提出填石料的級配范圍和合適的碾壓機械及方法，分析了影響填石路堤穩(wěn)定性的重要因素；(2)通過現(xiàn)場試驗和相關(guān)規(guī)定，提出喀斯特地區(qū)填石路基K30地基系數(shù)控制標準；(3)提出壓實控制標準和穩(wěn)定性時邊坡碼砌的厚度和施工要求；(4)得出河都高速公路部分路段填石路堤施工后沉降規(guī)律。

喀斯特地區(qū)；高速公路；填石路基；修筑技術(shù)；施工工藝

0 引言

喀斯特自然風光具有其獨特的魅力，這給喀斯特地區(qū)創(chuàng)造了豐富的旅游資源，同時喀斯特地區(qū)還蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源和地下水資源。然而，特殊的地質(zhì)地形卻導致喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，不易建立發(fā)達的交通系統(tǒng)。為了促進喀斯特地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，加快研究適用于該地區(qū)公路修筑的成套技術(shù)以及建立示范性公路勢在必行。

在喀斯特地區(qū)修筑公路，由于深挖路塹及隧道施工必然出現(xiàn)大量石料，為合理利用資源，填石路堤成為該地區(qū)修建高速公路的首選方法。近年來公路填石路基開始在我國山嶺地區(qū)使用，但尚無較為系統(tǒng)可行的規(guī)范性文件。本文對填石路基修筑技術(shù)的各項研究，可以有效解決喀斯特地區(qū)路基填筑的技術(shù)問題、后期建設中出現(xiàn)的不同程度的工程病害，以及沿線生態(tài)環(huán)境破壞等，對縮短工期，降低工程成本，提高路基長期穩(wěn)定性等方面有著重要的影響。

河池至都安高速公路(以下簡稱“河都高速公路”)借土困難，部分路堤需要充填碎石，因而有較多的填石路堤出現(xiàn)。為保障填石路堤的工程質(zhì)量，針對填石路堤的特殊性，要對喀斯特地區(qū)公路填石路堤施工技術(shù)進行研究。研究主要內(nèi)容包括三個方面：填石料的工程特性研究、填石路堤施工工藝及質(zhì)量控制的研究以及填石路堤穩(wěn)定性評價方法。

1 填石料的工程特性研究

1.1 石料的分類

根據(jù)母巖的物理力學性質(zhì)(飽水抗壓強度)，巖石填料可以劃分為硬質(zhì)巖石和軟質(zhì)巖石兩大類。河都高速路基填料以石灰?guī)r為主，對河都高速各料場及隧道棄渣進行飽水(飽水48 h)單軸抗壓試驗，由測試結(jié)果可知河都高速公路沿線石灰?guī)r體強度較高，以硬質(zhì)巖為主。

1.2 填石料的尺寸特征

根據(jù)填石料的顆粒特征[1]、級配要求以及巖石的尺度效應，以下為結(jié)合現(xiàn)有成果提出的河都高速公路填石路堤最大粒徑等參數(shù)的相關(guān)要求(見表1)。

表1 河都填石路堤施工要求參數(shù)表

1.3 填石料的可壓實特性

課題組在河都高速公路選取了幾個試驗路干密度試驗(水袋法)，現(xiàn)場實際含水率只有1%左右，若進行灑水施工可能進入第一個峰谷反而不利于壓實。從項目組在第三合同段K67+390段路基處進行的現(xiàn)場灑水試驗結(jié)果來看，灑水的20 m段路基壓實密度與未灑水部分進行相同工藝的壓產(chǎn)后壓實密度并無明顯差別。因此對于喀斯特地區(qū)這種堅硬類巖石的填石路基，其填料強度較高、透水性較強，一般情況下無需進行灑水施工。

施工時，采用大噸位的振動壓路機壓實。在此基礎上，利用沖擊壓路機和強夯機的沖擊能量大，影響深度深等優(yōu)勢，提高路基的壓實密度。在河都高速公路的填石路基壓實中，主要采用的是強夯機，每分層壓實4 m進行一次強夯補強壓實(每次四輪，最后一輪滿夯)，從實際效果來看起到了非常大的作用。

1.4 填石料顆粒的破碎性

(1)級配對壓實性的影響

采用大型擊實儀對填石料的壓實破碎進行試驗研究，并用多項式模擬求得壓碎率(P)。從壓碎率(P)與不均勻系數(shù)(Cu)的關(guān)系可知，破碎率與級配相關(guān)性不明顯。

(2)最大粒徑對破碎的影響

由用多重回歸的方法得出粒料的破碎率多重回歸關(guān)系可知，最大粒徑對破碎的影響是有限的，顆粒的破碎受填層的厚度及碾壓機械的影響更大。

(3)填料破碎與壓實功的關(guān)系

利用壓力試驗機測定一組試驗，可以得出壓強與破碎率的關(guān)系。分析可知，填料的破碎隨著壓強的增加而增加，表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。

1.5 填石路基的物理力學性能

填石路基雖然強度較高，但用于路床部位時，會受行車荷載的振動作用，顆粒產(chǎn)生重新排列，細料下沉，從而增大路床填石料的孔隙比，降低穩(wěn)定性。提高填石路堤使用壽命的辦法有：(1)降低路堤的高度；(2)提高路堤的壓實密度，降低填料的孔隙率，阻斷細料遷移的路徑。

2 填石路堤施工工藝及質(zhì)量控制研究

2.1 填石路基壓實控制方法研究

根據(jù)現(xiàn)有的填石路基的實際情況，針對實際施工中容易采用的壓實度指標以及現(xiàn)行規(guī)范中使用的孔隙率指標[2]，提出采用沉降壓縮率法以及K30承載板荷載試驗法對路基壓實進行控制的研究。

(1)采用沉降壓縮率評價壓實度方法研究

①表面沉降量與密度的關(guān)系

推導可得由沉降壓縮率評價壓實度公式：

(1)

式中：k——壓實度；

εmax——最大壓縮率。

②按能量等效概念確定壓實遍數(shù)

按照式(2)計算現(xiàn)場壓實能量，其中標準重型擊實試驗的擊實能量為2.68J/cm3，然后對照《公路路基施工控制技術(shù)規(guī)范》[3]相關(guān)表格查找壓實遍數(shù)。

(2)

式中：E——振動碾的壓實能量；

A——振幅；

W——振動輪的軸重；

F——激振力；

f——振動頻率；

N——振動碾壓遍數(shù)；

v——振動碾壓速；

L——振動輪接地長度；

h——壓實層厚度；

D——振動輪直徑。

③沉降壓縮率的檢測方法

沉降壓縮率與密度增加率的關(guān)系見式(3)：

(3)

碾壓密度增加率為：

(4)

以沉降量與松鋪厚度的百分比為沉降率εx，由試驗路段得到最大壓縮率εmax，代入公式(1)即可得到該層的壓實度。

(2)K30平板荷載及沉降差法在河都路的現(xiàn)場試驗研究

根據(jù)河都高速現(xiàn)場情況采用K30平板荷載板，在K67+350～K67+450高填石路堤采用K30承載板試驗方法進行檢測。地基系數(shù)與沉降差的關(guān)系以及地基系數(shù)與碾壓遍數(shù)的關(guān)系如圖1～2所示。

圖1 地基系數(shù)隨碾壓遍數(shù)變化趨勢圖

圖2 地基系數(shù)與沉降差對應關(guān)系圖

試驗路段現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，碾壓六遍對應的地基系數(shù)平均值是1.39MPa/cm，碾壓6遍后地基系數(shù)隨碾壓遍數(shù)增加趨緩。參考鐵路路基驗收標準，喀斯特地區(qū)公路填石路基的路堤建議部分驗收標準選定為1.4MPa/cm的地基系數(shù)。

綜上，填石路基壓實度采用K30方法的評價時，與碾壓工藝控制及沉降差等指標有較好的相關(guān)性。所以認為K30法作為公路填石路基壓實質(zhì)量檢測的一種方法進行推廣應用是完全可行的。

2.2 填石路堤現(xiàn)場施工技術(shù)研究

(1)石料的開挖

河都高速公路巖石強度較高，一般采用采用先進的潛孔鉆打孔爆破開挖。應控制25cm以上的大塊率≤30%，超過最大粒徑要求的填料應在料源場地解小。

(2)石料攤鋪

在河都高速公路三標試驗路段分別采用大功率推土機就漸進式和后退式這兩種攤鋪方法進行了現(xiàn)場對比試驗，最后決定在河都高速施工現(xiàn)場，普遍采用漸進式攤鋪法和混合法鋪料。

(3)碾壓機械的選擇

應依據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTJF10-2006)，根據(jù)壓路機的線性壓力選用碾壓機械。用于碾壓填石料的振動壓路機，應選擇1.5～2.2mm之間的振幅，25～30Hz之間的頻率比較適宜，3～5km/h之間的最佳碾壓速度。

(4)壓實層厚控制研究

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTJF10-2006)的要求，針對河都高速公路填石路基的灰?guī)r硬質(zhì)填料，在河都高速三標試驗路段進行了大量壓實控制試驗，就壓實層厚問題進行了深入研究。

綜合以上靜壓時深層應力響應數(shù)據(jù)、振動碾壓時深層應力響應數(shù)據(jù)以及平均應力響應數(shù)據(jù)可知振動壓實無論是對表層還是深層都具有更加良好的應力傳遞效果，路基碾壓土層中的動應力分布越接近振動輪下動應力就越大，隨著距離路基表面的深度增加而減小。

根據(jù)Boussinesq基于彈性理論推導出的半無限體表面任一點處作用集中力對彈性體內(nèi)任意點的附加應力解方法，將壓路機計算所得線壓力值通過積分得到線壓力值中心位置沿豎直方向的附加應力值，匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 各點應力計算值曲線圖

由圖3可知，為了保證填石路基的路基質(zhì)量，結(jié)合目前現(xiàn)有研究成果及試驗總結(jié)，項目組為河都高速公路提出的最大松鋪厚度要求為：硬質(zhì)石料填層厚度應控制在60cm為宜。

3 填石路堤穩(wěn)定性研究

3.1 填石路堤施工過程沉降變形規(guī)律現(xiàn)場觀測

在河都高速公路三標高嶺三四號隧道及四五號隧道間高填路段的K65+190以及K67+290兩處進行了分層沉降觀測，總結(jié)在不同施工工藝下、施工到不同筑高度的沉降規(guī)律，并對現(xiàn)場壓實效果進行動態(tài)評價，對以后填石路基的設計、施工及質(zhì)量控制起指導作用。綜合分析數(shù)據(jù)與圖表可以得出：

(1)路堤不產(chǎn)生自密實作用，故在數(shù)據(jù)處理時未考慮沉降隨時間的關(guān)系，而僅考慮了沉降隨填高的變化情況。

(2)由數(shù)據(jù)可以看出，導致沉降主要有兩種原因：①基底沉降造成路堤整體的下沉；②路堤填料和機械碾壓造成的二次壓實。

(3)隨著路堤填高的增加，沉降量的增大呈線性；觀測點規(guī)律發(fā)展變化均勻，路基穩(wěn)定性較好。

(4)施工車輛的碾壓對路基的沉降及壓實度有著重要的影響。

3.2 填石路堤施工過程應力變化研究

為研究路堤填筑過程中路堤深層內(nèi)部土層所受壓力變化情況及沉降與受力關(guān)系，項目組在沉降觀測點位處同時埋設了JTM-2000A型土壓力盒(25cm×25cm)，對沉降點位處的土壓力變化情況進行了跟蹤觀測。

由測試的兩個試驗段土壓力數(shù)據(jù)可知：隨著路堤填高的增加，土壓力逐漸增大，且呈現(xiàn)出較為均勻的變化趨勢?？傮w上路基填筑過程中其內(nèi)部應力變化規(guī)律比較類似于堆石壩工程，且沉降與應力分析中未考慮隨時間變化情況。

3.3 填石路堤邊坡穩(wěn)定性研究

(1)填石路堤邊坡形式探討

就河都高速公路的情況來講，現(xiàn)場石料充足，填石路基的施工基本不受天氣影響，且填筑時可采用大型機械施工、大型車輛運輸填料，優(yōu)先選用先填后碼的方式。建議河都高速公路采用：先填后碼時預留部分填土邊坡進行綠化植草的施工方案。

(2)碼砌邊坡計算方法的研究

碼砌的設計邊坡為1∶1.25，若坡角比填石內(nèi)摩擦角大，可以判定路基邊坡不穩(wěn)定。利用邊坡碼砌石塊的自重為結(jié)構(gòu)層做力學運算。如圖4所示，碼砌層填石體，α為邊坡破壞滑動面的斜傾角，路基邊坡滑動面為ABC，三角形ABF體沿碼砌層水平推動，BDEF沿邊坡BD下滑，BF有一條貫通的裂縫。

圖4 碼砌邊坡穩(wěn)定性計算圖

(3)填石路堤邊坡穩(wěn)定性影響因素研究

穩(wěn)定系數(shù)K與填石路堤壓實后真正的內(nèi)摩擦角φ對填石路堤邊坡的穩(wěn)定性起到重要作用。

路基穩(wěn)定系數(shù)K是依據(jù)荷載作用的經(jīng)常性、分析方法的近似性、強度指標的可靠性、結(jié)構(gòu)物的重要性和工程經(jīng)濟的合理性確定取值。內(nèi)摩擦角的大小和孔隙比成反比，我國規(guī)范建議碎石類填料的內(nèi)摩擦角取45°～50°之間[4]。

(4)高填石路堤施工的應力應變數(shù)值模擬分析

依托工程河都高速公路沿線的路基工程大部分為高填路堤，為了保證高填石路堤的穩(wěn)定性，利用邁達斯巖土與隧道分析系統(tǒng)軟件，進行三四號隧道之間路段中的高填石路堤平面數(shù)據(jù)模擬進行應力應變數(shù)值模擬運算和分析。

有、無碼砌邊坡X方向位移計算云圖如圖5～6所示，有、無碼砌邊坡時Z方向(豎直)位移計算云圖如圖7～8所示。

圖5 無碼砌邊坡路堤內(nèi)水平位移云圖

圖6 有碼砌邊坡路堤內(nèi)水平位移云圖

圖7 無碼砌邊坡路堤內(nèi)沉降云圖

圖8 有碼砌邊坡路堤內(nèi)沉降云圖

分析上圖可知，碼砌邊坡重力對于水平和豎直的位移都沒有大的作用，因此對于填石路堤邊坡采用0.5m薄層碼砌即可起到良好作用。故建議河都高速公路采用薄層碼砌邊坡并預留部分位置進行土質(zhì)回填，植樹種草，實現(xiàn)碼砌邊坡的綠化。

3.4 填石路基的沉降變形特性研究

(1)路基沉降分析方法

根據(jù)搜查到的資料和專家的總結(jié)，目前路基沉降分析方法主要有經(jīng)驗分析方法、理論分析方法和數(shù)值分析方法等，其中理論分析方法又可以分為分層總和法、彈性力學方法以及按應力歷史影響求解等方法。

(2)填石路堤施工后沉降規(guī)律分析

填石料沉降變形分為瞬時沉降和蠕變沉降兩部分。瞬時沉降變形發(fā)生在施工期，且為總沉降量的80%～90%，蠕變沉降則是在荷載施加完成后的時段內(nèi)逐漸發(fā)生的，填石料在整個過程中變形量逐漸減少且趨勢清晰，變化曲線如圖9所示。

圖9 典型填石路堤沉降隨時間發(fā)展曲線圖

鐘守賓[5]、曹文貴[6]等以廣西寨任二級公路為工程依托，通過對路堤填筑完成后近一年的跟蹤觀測，結(jié)合有限元反演得到填石路堤工后沉降的擬合曲線，對比線性擬合與雙曲線擬合可得到雙曲線擬合的相關(guān)性更好。研究表明，施工完成后一年左右填石路堤的工后沉降將降至1mm/月，即可認為沉降已完成。

4 結(jié)語

(1)由河都高速公路沿線料場填料的抗壓試驗可知該地區(qū)巖石以硬巖為主，巖石抗壓強度隨尺寸增加而下降。建議在施工過程中減少>25cm粒徑石料，提高路基穩(wěn)定性。

(2)通過現(xiàn)場篩分，使得依托工程沿線料場自然級配Cu>5，Cc值在1～3之間，其基本滿足級配要求，壓實效果較好；分析填料破碎與壓實功之間的關(guān)系，可知應選用大功率的振動壓路機或大噸位羊足碾。

(3)通過測試壓路機碾壓時路基內(nèi)部的動應力響應可知，其沿深度方向二者比例增加。綜合現(xiàn)場沉降差、孔隙率、壓路機應力衰減規(guī)律及相關(guān)計算結(jié)果，提出喀斯特地區(qū)路堤填層厚度宜控制在60cm以內(nèi)。

(4)推導并改進了表面沉降量法壓實控制技術(shù)，在此基礎上提出沉降壓縮率法，并給出了評價沉降壓縮率的量化公式。根據(jù)試驗路段的現(xiàn)場沉降觀測可知，路基沉降隨著填高呈線性增長趨勢。因此，應控制填石路堤上下路堤孔隙率統(tǒng)一為23%以保證壓整體實質(zhì)量。

(5)結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗，采用有限元模擬與力學計算分析相結(jié)合的方法研究路堤穩(wěn)定性，最終選用50cm的高度對填石路堤邊坡進行薄層碼砌。

(6)通過對填石路堤沉降機理的分析可知，沉降變形隨著沉降時間呈現(xiàn)大致的雙曲線增長，一般一年左右趨于穩(wěn)定。

[1]日本土質(zhì)工學會.粗粒料的現(xiàn)場壓實[M].北京：中國水利水電出版，1999.

[2]李躍軍，吳亞中，李 亮.基于可靠度的路基均勻性評價標準[J].西安：交通運輸工程學報，2010(3)：17-22.

[3]JTGF10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTGD30-2004，公路路基設計規(guī)范[S].

[5]鐘守賓.高填石路堤穩(wěn)定性及沉降規(guī)律研究[D].長沙：湖南大學，2003.

[6]曹文貴，李 鵬，程 曄.高填石路堤蠕變本構(gòu)模型及其參數(shù)反演分析與應用[J].北京：巖土力學，2006(8)：1299-1304.

Study on the Paving Technology of Rock-filling Subgrade in Hedu Expressway

WANG Wan-zhan1，WEI Zuo-biao1，PAN Long-wu2

(1.Guangxi Guishan Expressway Co.，Ltd.，Du’an，Guangxi，530700；2.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

In order to make reasonable use of resources and protect the ecological environment in karst area，it is common to select the rock-filling subgrade as the expressway subgrade construction method in such region.Relying on Guangxi Hedu Expressway project，this article studied the technical requirements for the filling materials of rock-filling subgrade in karst region，construction technology and quality control method of rock-filling subgrade，and the stability evaluation method of rock-filling subgrade，and the main research results are：(1)Proposed the grading scope of rock-filling materials as well as the suitable rolling machinery and methods，and analyzed the important factors affecting the stability of rock-filling subgrade；(2)Proposed K30 foundation coefficient control standards for rock-filling subgrade in karst area based on the field test and relevant regulations；(3)Proposed the slope paving thickness and construction requirements under compaction control standard and stability；(4)Obtained the settlement rules of some rock-filling subgrade sections in Hedu Expressway.

Karst area；Expressway；Rock-filling subgrade；Paving technology；Construction process

王萬展(1976—)，高級工程師，主要從事高速公路工程技術(shù)管理

工作；

魏作標(1965—)，會計師，主要從事高速公路工程管理工作；潘隆武(1985—)，工程師，主要從事巖土隧道試驗檢測工作。

U416.1+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.11.004

1673-4874(2016)11-0018-06

2016-10-26