公路軟巖高填方路基穩(wěn)定性及其控制研究

摘要 依托某公路工程高填方路基試驗(yàn)段，采用試驗(yàn)研究方法，就軟巖填料的礦物組成、工程性能、壓縮性能和抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行了系列試驗(yàn)。研究表明：軟巖填料主要由黏土礦物組成;飽水條件下的軟巖軟化系數(shù)要高于干濕循環(huán)作用下的軟化系數(shù);壓實(shí)度為0.96時(shí)的軟巖壓縮系數(shù)隨著干濕循環(huán)作用基本保持不變;軟巖的抗剪強(qiáng)度在前6次干濕循環(huán)作用下減小幅度更加明顯，6次以后基本趨于穩(wěn)定。研究成果為類(lèi)似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞 高填方路基;軟巖填料;干濕循環(huán);試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào) U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）09-0169-03

引言

隨著道路建設(shè)的發(fā)展，大量公路在建設(shè)過(guò)程中將易崩解的軟巖作為路基填料，伴隨長(zhǎng)期自然條件作用使公路路基發(fā)生變形、翻漿冒泥等病害，從而影響路基的穩(wěn)定性。

對(duì)此，眾多研究者采用數(shù)值分析和模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行了研究。卿啟湘等[1]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)路堤填料的材料參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算了路堤在循環(huán)荷載作用下的變形特征，且結(jié)果與試驗(yàn)基本吻合。袁偉[2]、鐘志彬等[3]就軟巖填料在高速鐵路作用中的變形機(jī)制和適用性進(jìn)行了分析。劉新喜等[4]研究分析了軟巖在強(qiáng)風(fēng)化作用下對(duì)路基填筑適宜性的影響。張魯新[5]采用數(shù)值模擬的研究方法，基于青藏鐵路這一工程背景，研究分析了溫度升高對(duì)凍土路基工程的影響。談云志等[6]利用三軸試驗(yàn)儀器，分析了在干濕循環(huán)條件下，不同動(dòng)荷載作用下泥巖的性能變化，系統(tǒng)分析了荷載幅值、荷載頻率和孔隙等因素對(duì)泥巖路基的穩(wěn)定性影響。方燾等[7]通過(guò)試驗(yàn)手段研究了某公路路基的千枚巖軟巖填料的特性，分析了該路基填料的力學(xué)特性和物理性能。研究表明千枚巖軟巖崩解性能好、強(qiáng)度不高。陳寶等[8]利用大三軸儀器對(duì)石灰改良路基土進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了固結(jié)比、摻灰率、動(dòng)應(yīng)變等影響因素對(duì)路基土彈性模量的影響。周葆春等[9]將石灰改良膨脹土制成壓實(shí)度為0.95的試件，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析，獲得石灰改良膨脹土的機(jī)制，并得出本構(gòu)模型。

該文基于某實(shí)際工程，對(duì)試驗(yàn)段路基軟巖填料進(jìn)行了系列試驗(yàn)，研究分析了軟巖的礦物成分、工程特性、壓實(shí)度、抗剪強(qiáng)度等特性。針對(duì)軟巖引起的公路路基穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了分析并且提出了相應(yīng)的控制措施。

1 工程概況

選用某實(shí)例公路工程項(xiàng)目為研究背景，選取軟巖高填方路基路段為研究對(duì)象?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015）規(guī)定邊坡、中心填土高度大于20 m的路堤稱為高填方路堤，該公路路段共有6處高填方路堤。

2 試驗(yàn)方案

基于規(guī)范（JTGD30—2015）的要求對(duì)兩處試驗(yàn)路段的高填方路基軟巖填料進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，主要試驗(yàn)方案如表1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 X射線衍射試驗(yàn)

通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)可以完整清晰地得到試驗(yàn)路段路基水敏性軟巖的礦物組成成分以及具體的含量。試驗(yàn)結(jié)果表明該軟巖主要由黏土礦物組成，這是造成路基出現(xiàn)軟化、崩解等工程問(wèn)題的主要原因。軟巖的具體礦物成分組成如表2所示。

3.2 軟巖的水敏性試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)軟巖進(jìn)行崩解試驗(yàn)得到崩解指數(shù)，評(píng)價(jià)軟巖的耐崩解能力，進(jìn)而判斷路基的穩(wěn)定性。具體試驗(yàn)操作為選取三組天然的軟巖試樣，在對(duì)其表面進(jìn)行清潔后放入飽水中，觀察崩解物質(zhì)的脫落情況。在飽水作用結(jié)束后用恒溫烘干后冷卻，通過(guò)稱量其殘余質(zhì)量可以計(jì)算得到耐崩解指數(shù)。

結(jié)果如圖1所示，由圖可知，在干濕循環(huán)的條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耐崩解指數(shù)不斷減小，當(dāng)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行到6次時(shí)三個(gè)試樣的曲線基本趨于穩(wěn)定。

3.3 工程性能試驗(yàn)

選取試驗(yàn)段軟巖為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)測(cè)定該軟巖填料的工程性能。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表中詳細(xì)給出了軟巖填料的基本特性。由表3可知，軟巖的最優(yōu)含水率為11.5%;最大干密度為1.89 g/cm3。根據(jù)其液塑性指標(biāo)可以判定該軟巖表現(xiàn)出黏土特性，進(jìn)一步印證了該填料中有較高含量的黏土礦物。并且軟巖的CBR為2.8，根據(jù)規(guī)范（JTGD30—2015）要求可知該類(lèi)軟巖不宜作為路基填料，在實(shí)際工程中要采取加固措施和系列的排水措施。

3.4 壓縮性試驗(yàn)

當(dāng)上述軟巖試樣作為路基填料時(shí)，由于降雨等自然條件作用會(huì)使得填料不斷崩解使路基發(fā)生位移以及沉降等變化，進(jìn)而對(duì)路基的穩(wěn)定性造成影響。因此，有必要對(duì)該類(lèi)軟巖進(jìn)行工程性能試驗(yàn)研究。

選取上述路段的軟巖試樣對(duì)其進(jìn)行了含水率和壓縮性試驗(yàn)，得到該路基填料的壓縮度和干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。如圖2所示，軟巖試樣的壓縮系數(shù)在干濕循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行到6次時(shí)趨于穩(wěn)定。當(dāng)壓實(shí)度為0.94和0.90時(shí)，試樣的壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì);當(dāng)壓實(shí)度為0.96時(shí)，其壓縮系數(shù)基本保持不變;當(dāng)壓實(shí)度為1時(shí)，壓縮系數(shù)緩步增長(zhǎng)。由此可知，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)選取壓實(shí)度為0.96的該類(lèi)軟巖作為填筑材料，以確保路基的穩(wěn)定性。

3.5 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究軟巖高填方路基的穩(wěn)定性，該節(jié)進(jìn)行了干濕循環(huán)條件下的軟巖填料抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角的試驗(yàn)研究。選取試驗(yàn)路段的軟巖，選擇最優(yōu)含水率下的0.96壓實(shí)度試樣進(jìn)行制樣。通過(guò)飽和24 h，50 ℃烘干24 h再飽和24 h的干濕循環(huán)試驗(yàn)流程進(jìn)行15次，隨后選擇8組結(jié)果用于抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分析。圖3、圖4、圖5分別為抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力和干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。由圖可知，在前6次干濕循環(huán)作用下，軟巖抗剪強(qiáng)度逐漸減小，降幅為86.7%，后3次循環(huán)作用下的軟巖衰減幅度明顯降低且基本趨于穩(wěn)定;在干濕循環(huán)作用下軟巖的內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)受到破壞使得內(nèi)摩擦角逐漸減小，黏聚力逐漸增大，從而弱化了軟巖的抗剪強(qiáng)度。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)對(duì)軟巖填料進(jìn)行破碎、雨淋再晾曬處理，使其抗剪強(qiáng)度降低以達(dá)到維護(hù)路基長(zhǎng)期穩(wěn)定的目的。

4 結(jié)論

該研究以某公路工程為研究背景，采用試驗(yàn)分析的方法對(duì)試驗(yàn)段的軟巖填料進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，研究分析了軟巖填料的礦物成分、工程性能以及壓縮性和抗剪強(qiáng)度，并就其對(duì)路基穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）軟巖主要由黏土礦物組成，會(huì)造成路基出現(xiàn)軟化、崩解等工程問(wèn)題，作為路基填料時(shí)要采取加固措施和系列的排水措施。

（2）飽水條件下的軟巖軟化系數(shù)要高于干濕循環(huán)作用下的軟化系數(shù)，故而在實(shí)際工程中，此類(lèi)填料在降雨等自然條件反復(fù)作用下會(huì)顯著劣化破壞，喪失部分工程性能。

（3）壓實(shí)度為0.96時(shí)的軟巖壓縮系數(shù)隨著干濕循環(huán)作用基本保持不變，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)選取壓實(shí)度為0.96的軟巖作為填筑材料，以確保路基的穩(wěn)定性。

（4）軟巖的抗剪強(qiáng)度在前6次干濕循環(huán)作用下減小幅度更加明顯，6次以后基本趨于穩(wěn)定;干濕循環(huán)作用使軟巖的內(nèi)摩擦角逐漸減小，黏聚力逐漸增大，從而弱化軟巖的抗剪強(qiáng)度;因此，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)對(duì)該類(lèi)軟巖填料進(jìn)行破碎、雨淋再晾曬處理，使其抗剪強(qiáng)度降低以維護(hù)路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

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收稿日期：2022-03-16

作者簡(jiǎn)介：熊源（1988—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。