粗粒徑混合填料的力學(xué)特性研究及其在高陡填方邊坡中的應(yīng)用

李曉寧 陳位洪 申琦瑜

(廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州510010）

引言

受經(jīng)濟、 自然環(huán)境因素制約， 修建機場、 垃圾場、 公路、 鐵路等大型基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常會選擇山區(qū)實施， 對山體進(jìn)行深挖高填以滿足基礎(chǔ)設(shè)施的場地和凈空條件是普遍采用的措施[1]。 在諸多外部條件限制下， 就近取材填料填筑的高陡填方邊坡失穩(wěn)以及變形不可控問題是至今仍未徹底解決的一大難題[2]。

由于粗粒徑填料就地取自開山碎石， 不同工程的填料受其中碎石的強度、 級配、 比例的影響， 其力學(xué)特性也有很大差別。 已有的研究成果表明: 在一定范圍內(nèi)， 填料的抗剪強度隨其中碎石強度、 不均勻系數(shù)的增大而增大[3，4]， 而隨著含石量的增加， 土石混合體的抗剪強度總體上有先增大后減小的趨勢， 含當(dāng)粗顆粒含量在50% ～70%左右時， 填料的抗剪強度最大[5，6]。 另外，填料粒徑過大會造成壓實困難， 影響填筑層的平整度。 根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10025 -2019）中規(guī)定[7]: 填料中最大粒徑不應(yīng)大于100mm。 在實際施工中， 開山所得石渣往往粒徑很大， 而大面積回填施工時要求將石渣仔細(xì)篩分至粒徑不大于100mm， 其難度較大， 二次破碎亦費時費力。 因此， 研究更大粒徑的填料在不同配比情況下的力學(xué)特性至關(guān)重要。 本文以廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園）的高填方邊坡為研究背景， 通過室內(nèi)試驗、 現(xiàn)場試驗并結(jié)合有限元計算， 研究最大直徑為20cm碎石與土的混合料在不同石土比條件下的力學(xué)特性。

1 項目背景

廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園）公用配套工程位于廣州市蘿崗區(qū)九龍鎮(zhèn)福山村， 征地紅線面積965.5 畝， 場區(qū)設(shè)計標(biāo)高為170m， 如圖1 所示。 由于現(xiàn)狀山體地勢起伏較大， 故場區(qū)將產(chǎn)生大量的挖方及填方邊坡， 填方邊坡主要位于場地的東側(cè)和南側(cè)， 高度約30m ～55m。

圖1 廣州東部固體資源再生中心總平圖Fig.1 The main plane arrangement diagram of Guangzhou eastern solid resource regeneration center

本項目填方邊坡位于園區(qū)南側(cè)， 坡底受用地紅線限制。 以填方邊坡的a -a 剖面為例， 邊坡采用了加筋土和樁板式擋墻的支護(hù)方式， 如圖2所示。 分三級放坡， 坡率為 1 ∶1.5， 邊坡總高37.8m， 由上至下每級邊坡高度分別為 10m、10m、 5m， 平臺寬度 2m， 樁板擋墻高12.855m，坡底采用樁板式擋墻與錨定樁共同作用的方式，構(gòu)件間采用預(yù)應(yīng)力錨索連接。 樁板式擋土墻以及錨定樁地面分別采用 2000mm × 1500mm、1500mm × 1500mm 挖孔樁， 有效樁長分別為20m、 12m。 填方區(qū)每隔 0.5m 高布設(shè)一層土工格柵。

圖2 填方邊坡a-a 剖面Fig.2 Fill slope of a-a section

2 室內(nèi)大型直剪試驗

2.1 試樣制備

根據(jù)現(xiàn)場填方料場， 后期高邊坡填方材料主要以爆破過后的花崗巖碎石為主。 現(xiàn)場選擇試驗材料時， 最大粒徑控制在200mm 以內(nèi)， 并規(guī)定大于100mm 的填料質(zhì)量不超過試樣總質(zhì)量的20%。 所摻粘土的含水率根據(jù)現(xiàn)場取樣、 密封帶回實驗室測定的含水率結(jié)果確定。 受本次試驗所用儀器限制， 碎石填料最大粒徑需小于100mm，粒徑超過100mm 的超粒徑顆粒， 采用等量替代法對碎石土混合料超徑顆粒進(jìn)行處理， 即: 根據(jù)現(xiàn)場取樣的篩分結(jié)果， 將粒徑為5mm ～100mm的各組顆粒等重量地按級配含量替代粒徑大于100mm 的塊石， 從而確定室內(nèi)大型直剪試驗碎石土混合料制樣顆粒級配。 現(xiàn)場取樣的粗顆粒級配以及替換后的試樣級配如圖3 所示。

共制備三種試樣。 試樣一: 采用現(xiàn)場爆破后的強風(fēng)化花崗巖碎石與開挖出的粘土、 砂質(zhì)粘性土混合， 石土比為7∶3。 試樣二: 采用現(xiàn)場爆破后的強風(fēng)化花崗巖碎石開挖出的粘土、 砂質(zhì)粘性土混合， 石土比為5∶5。 試樣三: 采用現(xiàn)場爆破后的中-微風(fēng)化花崗巖碎石與開挖出的粘土、 砂質(zhì)粘性土混合， 石土比為5∶5。

2.2 試驗加載過程

為有效解決常規(guī)直剪儀中剪切面單一的問題， 本次室內(nèi)試驗采用大型疊環(huán)式剪切儀。 荷載施加采用等量分級加載的方式， 剪切試驗過程中， 通過調(diào)整試樣的上覆壓力以模擬上覆不同覆土厚度， 結(jié)合現(xiàn)場填方邊坡的實際設(shè)計高度， 上覆覆土厚度取 15m、 30m、 45m、 60m，即試驗試樣對應(yīng)的上覆壓力荷載分別為300kPa、 600kPa、 900kPa、 1200kPa。 待試樣在上覆壓力作用下變形穩(wěn)定后， 剪切速率控制在試樣直徑的0.012 倍 ～0.018 倍， 剪切變形應(yīng)達(dá)到60mm 或達(dá)到試樣直徑的1/15 ～1/10為止。

2.3 直剪試驗結(jié)果

試樣一的室內(nèi)直剪試驗結(jié)果如圖4 所示， 在壓實度為95%的條件下， 其固結(jié)快剪強度參數(shù)為: 粘聚力c=74.3kPa， 內(nèi)摩擦角φ=18.9°。試樣二的室內(nèi)直剪試驗結(jié)果如圖5 所示， 在壓實度為95%的條件下， 其固結(jié)快剪強度參數(shù)為: 粘聚力c= 92kPa， 內(nèi)摩擦角φ=20.6°。

試樣三的室內(nèi)直剪試驗結(jié)果如圖6 所示， 在壓實度為95%的條件下， 其固結(jié)快剪強度參數(shù)為: 粘聚力c=105kPa，內(nèi)摩擦角φ=22°。

室內(nèi)試驗的結(jié)果表明， 在一定的條件下， 填料的內(nèi)摩擦角和粘聚力均隨著混合料中碎石占比的增加、 強度的增大而增大。

3 現(xiàn)場壓板試驗

當(dāng)填料中粗顆粒含量增大到70% 時， 填料的力學(xué)性能主要受其中粗顆粒的影響。 若采用直剪試驗方案會有取土困難、 粗粒是否位于剪切面上對試驗成果造成很大影響的問題。 由于試驗結(jié)果會受試樣制備、 試驗條件擾動造成誤差。因此， 采用現(xiàn)場壓板試驗的方法進(jìn)行試驗。

3.1 現(xiàn)場制備

圖4 試樣一直剪試驗結(jié)果Fig.4 Direct shear test results of sample 1

圖5 試樣二直剪試驗結(jié)果Fig.5 Direct shear test results of sample 2

圖6 試樣三直剪試驗結(jié)果Fig.6 Direct shear test results of sample 3

試驗段填方邊坡就地選用場內(nèi)碎石強風(fēng)化碎石與粘土、 砂質(zhì)粘性土混合料， 碎石與土混合比例為7∶3， 級配如圖7 所示。 混合填料分層碾壓的碎石粒徑要求小于200mm， 擬壓實后層厚50cm，壓實度大于95%。 為消除場地地基變形、 破壞的影響， 試驗前需對場地進(jìn)行整平、 壓實處理， 以保證其剛度。 試驗段測量點水平布置間距為10m×10m， 豎向間距為5m。 參考以往類似施工經(jīng)驗， 松鋪系數(shù)為1.2， 即松鋪厚度為60cm。 松鋪后， 先經(jīng)推土機粗平， 后根據(jù)標(biāo)高指示樁拉線精確整平。 平整好的填料經(jīng)振動壓路機多次碾壓，即先靜壓一遍， 后弱振壓實兩遍， 再強振壓實一至兩遍。 分次碾壓時， 均需檢測相對沉降量， 當(dāng)兩次壓實的沉降差小于2mm 且采用灌水法檢測的壓實度大于95%時壓實結(jié)束。

圖7 壓板試驗填料級配Fig.7 Packing grading diagram of plate test

在現(xiàn)場選取20m ×20m 范圍進(jìn)行3 點剛性壓板載荷試驗， 試驗區(qū)壓板位置如圖8 所示。 壓板為尺寸1m×1m 的鋼板， 壓板與試驗區(qū)邊緣凈距為6m。 碎石土邊坡填料的填筑厚度為3.5m 以保證厚度大于壓板載荷試驗影響深度范圍， 分層碾壓填筑。 每一層碾壓滿足要求后方可進(jìn)行下一層填料的碾壓。 試驗前， 在壓板所放位置鋪細(xì)沙找平， 再放壓板、 千斤頂、 橫梁、 堆載， 堆載完后放置百分表， 本次所有壓板載荷試驗均采用自動加壓、 自動沉降讀數(shù)裝置。

圖8 壓板試驗區(qū)內(nèi)壓板布置Fig.8 Layout diagram of pressing plate in test area

3.2 壓板試驗結(jié)果

壓板試驗的荷載p-沉降s曲線結(jié)果如圖9所示。

圖9 荷載p-沉降s 試驗曲線Fig.9 Load-settlement results of pressing plate test

根據(jù)魏錫克極限承載力公式， 對于非條形基礎(chǔ)有[11]:

式中:c為地基土的粘聚力；q為地基兩側(cè)土的超載；γ為地基土的容重；D為壓板的寬度或直徑；Nc、Nq、Nγ為承載力系數(shù)；Sc、Sq、Sγ為基礎(chǔ)形狀系數(shù)；b為基礎(chǔ)的寬度；l為基礎(chǔ)的長度；φ為地基土的內(nèi)摩擦角。

不同內(nèi)摩擦角條件下， 對應(yīng)的承載力系數(shù)和基礎(chǔ)形狀系數(shù)以及粘聚力的計算值見表1。

表1 不同內(nèi)摩擦角條件下粘聚力取值[8]Tab.1 Cohesion values under different internal friction angles

根據(jù)2.3 節(jié)直剪試驗的結(jié)果， 當(dāng)強風(fēng)化碎石與土的比例為 5 ∶5 時， 對應(yīng)的c= 92kPa，φ=20.6°， 由已有直剪試驗[5]、 離散元的結(jié)果[9]， 當(dāng)混合填料中粗顆粒的含量進(jìn)一步提高時， 即壓板試驗碎石與土的比例提高至7 ∶3時， 對應(yīng)的φ值將提高，c值近似不變。 因此，結(jié)合表 1 的計算結(jié)果， 可推斷出c值約為96kPa，φ值約為 22°。

4 有限元計算

4.1 模型的建立及參數(shù)取值

根據(jù)現(xiàn)場實際情況， 忽略樁板式擋墻中挖孔樁與樁間擋土板的成拱作用機制不同導(dǎo)致的差異性， 可簡化成二維模型進(jìn)行有限元模擬。 采用邁達(dá)斯GTS 軟件， 把填方邊坡視為填料為各向同性、 均值的理想彈塑性體。 采用莫爾- 庫侖模型， 土中抗滑樁、 錨固樁簡化為梁單元， 錨索簡化為桁架。 格柵按軟件自帶的1D 土工格柵單元考慮， 格柵考慮加筋與土間接觸。 模型按照圖2建立并劃分網(wǎng)格。 各巖、 土層參數(shù)及土工格柵參數(shù)的取值分別見表2、 表3。 有限元計算模型如圖10 所示。

表2 巖土技術(shù)參數(shù)建議值Tab.2 Recommended values of geotechnical technical parameters

表3 單向土工格柵參數(shù)Tab.3 Parameters of one-way geogrid

圖10 a-a 剖面有限元計算模型Fig.10 Finite element calculation model of section a-a

4.2 有限元計算結(jié)果

通過軟件計算分析， 正常使用條件下填方邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.89， 地震條件下安全系數(shù)為1.69， 計算結(jié)果滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330 -2013）[10]中最小安全系數(shù)的要求， 即正常使用工況下需滿足K正?！?.35， 地震工況下滿足K非常≥1.15。

5 現(xiàn)場監(jiān)測

為確保工程安全， 對填方邊坡進(jìn)行監(jiān)測， 確定的監(jiān)測方案具體為: 對邊坡坡頂進(jìn)行沉降監(jiān)測、 水平位移監(jiān)測和深層土體位移監(jiān)測， 對樁板擋墻墻頂進(jìn)行水平位移監(jiān)測， 監(jiān)測點的布置如圖11 所示。 施工期間監(jiān)測頻率為1 天1 次， 竣工1年內(nèi) 2 天一次， 竣工 1 ～ 2 年內(nèi) 3 天一次， 竣工2 ～ 3 年內(nèi) 5 天一次。

圖11 監(jiān)測點布置Fig.11 Layout of measuring points

整理監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 自2017 年3 月本斷面施工完成至2020 年4 月， 邊坡變形已趨于穩(wěn)定，變形的量值特征為: (1）邊坡坡頂累計最大沉降為31.14mm， 遠(yuǎn)小于設(shè)計報警值(240mm）； 最大沉降點期間最大沉降速率為0.04mm/d， 邊坡沉降速率小于設(shè)計報警值( ±3mm/d）。 (2）邊坡坡頂水平位移累計最大值為20.1mm， 遠(yuǎn)小于設(shè)計報警值(160mm）； 最大水平位移點期間最大變化速率為0.03mm/d， 沉降速率小于設(shè)計報警值( ±3mm/d）。(3） 深層土體位移累計最大值為24.42mm， 未超出設(shè)計報警值(400mm）。 (4）樁板式擋墻墻頂累計最大水平位移值為10.4mm，未超出設(shè)計報警值(160mm）。

6 結(jié)論

本文以廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園）的高填方邊坡為研究背景，進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗、 試驗段現(xiàn)場壓板試驗和有限元計算， 當(dāng)填料的壓實度為95%時， 得出以下結(jié)論:

1.通過直剪試驗得到， 對于花崗巖， 填料的內(nèi)摩擦角和粘聚力隨著填料中石方占比的增加、石方強度的增大而增大。

2.通過壓板試驗得到， 當(dāng)強風(fēng)化花崗巖與粘土的石土比為7∶3 時， 填料的粘聚力c約為96kPa， 內(nèi)摩擦角φ約為 22°。

3.有限元計算和監(jiān)測的結(jié)果均表明， 采用的最大粒徑≤20cm 的碎石土填料， 坡度為1∶1.5的高陡邊坡依然穩(wěn)定。