基于新型填筑技術(shù)的高速公路炭質(zhì)巖路基沉降分析

彭慶航

(廣西交通投資集團(tuán)廣西平天高速公路有限公司，廣西 河池 547200)

0 引言

近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，公路交通快速發(fā)展。高速公路通過山區(qū)特殊位置時(shí)會遇到炭質(zhì)巖地層，炭質(zhì)巖因其遇水軟化后強(qiáng)度明顯降低[1-2]，會給公路施工帶來一定的影響。高速公路修建過程中會對路基進(jìn)行填筑施工，以控制路基沉降變形，而炭質(zhì)巖因其易吸水崩解，不可以直接作為填筑使用的填料，給施工帶來不便的同時(shí)，也大大增加了成本[3-4]。

基于常規(guī)的路基填筑方法[5-6]，本文提出一種適用于炭質(zhì)巖地區(qū)坡地的炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑技術(shù)：通過在路基上、下部分別設(shè)置封水層和排水層，以達(dá)到及時(shí)封堵地表水和排出內(nèi)部水的目的，保持路堤內(nèi)部干燥狀態(tài)，抑制炭質(zhì)巖的崩解軟化。該新型路基填筑技術(shù)適合于炭質(zhì)巖地區(qū)的路基填筑施工，既可達(dá)到預(yù)期的加固效果，又節(jié)約了成本，具有很好的工程實(shí)踐價(jià)值及良好的技術(shù)推廣空間。

1 工程概況

本文以廣西天峨至北海公路項(xiàng)目為例，對新型填筑技術(shù)下的高速公路炭質(zhì)巖路基沉降進(jìn)行分析。平塘至天峨高速公路(以下簡稱平天高速公路)廣西段第3標(biāo)段起訖樁號為K29+650～K51+542，路線全長21.892 km，采用雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，整體式路基寬度為33.5 m，分離式路基寬度為16.75 m。其中，K35+440～K45+460段處于炭質(zhì)泥巖區(qū)域，炭質(zhì)泥巖段挖方量約為374.7萬m3，從經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面考慮，該工程此路段內(nèi)采用炭質(zhì)泥巖進(jìn)行路基填筑。

項(xiàng)目所在地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為20.6 ℃，每年的5～8月為雨季，年均降水量為1 200～2 000 mm，冬季少雨。地形地貌主要為剝蝕低山地貌，地勢較高、地形起伏較大，地層主要為三疊系中統(tǒng)砂巖、泥巖、頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r。沿線巖層產(chǎn)狀變化較大、揉皺明顯、巖體破碎、斷裂構(gòu)造較發(fā)育，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖土層的滑坡、崩塌、泥石流等。地形被侵蝕切割強(qiáng)烈，山嶺陡峻挺拔，呈尖削的魚脊?fàn)?，地表水系呈放射狀發(fā)育。

2 新型炭質(zhì)巖路基填筑技術(shù)

2.1 炭質(zhì)巖的物理及力學(xué)特性

炭質(zhì)巖是一種含有大量分散的炭化有機(jī)質(zhì)的黑色或灰黑色、能污手的巖石，其主要成分是高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石等黏土礦物，黏土礦物含量通常>50%。炭質(zhì)巖是由大量炭化的有機(jī)質(zhì)均勻分散于泥質(zhì)巖中形成的。

炭質(zhì)巖的主要物理及力學(xué)特性是初始強(qiáng)度較高、風(fēng)化崩解性強(qiáng)、CBR值較低，不適合作為路基填料。平天高速公路路基炭質(zhì)巖的含炭量低，TOC數(shù)值也相對較低，巖石相對更堅(jiān)硬穩(wěn)固，但干濕循環(huán)條件下的耐崩解速度較快，詳見表1。大部分路基的CBR值≥3，滿足炭質(zhì)泥巖路基填料選用的條件，詳見表2。當(dāng)炭質(zhì)泥巖的CBR<3時(shí)，將其作為棄土運(yùn)至棄土場。

表1 耐崩解性試驗(yàn)結(jié)果表

表2 土工試驗(yàn)檢測結(jié)果表

2.2 新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)

由于炭質(zhì)泥巖具有易風(fēng)化性、遇水易崩解性，無法使用常規(guī)的路基結(jié)構(gòu)與填筑方法，因此本文提出一種適用于炭質(zhì)巖地區(qū)的炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑技術(shù)：通過在路基上、下部分別設(shè)置封水層和排水層，以達(dá)到及時(shí)封堵地表水和排出內(nèi)部水的目的，保持路堤內(nèi)部干燥狀態(tài)，抑制炭質(zhì)巖的崩解軟化。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)示意圖

底層填筑一層厚0.5 m的片石層，其上鋪筑一層厚0.3 m的碎石層，再上為炭質(zhì)巖填筑層，最上面為路床和路面結(jié)構(gòu)層。路床采用黏土類路床合格填料填筑，路基兩側(cè)采用2 m寬的黏土包邊同層填筑，將炭質(zhì)巖層包裹起來，減少其與雨水的接觸。此種路基結(jié)構(gòu)能極大地減少炭質(zhì)巖因遇水易崩解而造成的損失，最大限度地對現(xiàn)場的炭質(zhì)巖進(jìn)行利用，在提高施工效率的同時(shí)，節(jié)約成本。

2.3 炭質(zhì)巖路基填筑關(guān)鍵技術(shù)

平天高速公路炭質(zhì)巖路基與常規(guī)路基不同之處在于利用了大量不宜作為填料的炭質(zhì)巖，與常規(guī)填筑技術(shù)不同之處在于下部設(shè)置了排水結(jié)構(gòu)層，上部設(shè)置了封水層，使路堤全階段能一直保持干燥的狀態(tài)，有效杜絕了炭質(zhì)巖遇水軟化崩解的情況，極大地提高了路堤穩(wěn)定性。

為防止雨水侵害，應(yīng)盡量選擇在旱季施工，如有必要在雨季施工，必須提前做好措施遮擋雨水，比如下雨時(shí)在填筑層及填料堆場用彩條布或者塑料薄膜進(jìn)行臨時(shí)遮擋，并應(yīng)同時(shí)設(shè)置臨時(shí)排水設(shè)施。施工期間設(shè)置的臨時(shí)排水設(shè)施應(yīng)與之后的永久性排水設(shè)施相適應(yīng)，避免后期工程量增加。

平天高速公路炭質(zhì)巖路基填筑過程中會遇到一些關(guān)鍵施工技術(shù)，具體歸納如下：

(1)當(dāng)高路堤段基底存在軟弱下臥層時(shí)，需要處理加固地基，對基底進(jìn)行換填開山石渣等粗粒料或采用路堤擋土墻以及路肩擋土墻等支擋結(jié)構(gòu)物。

(2)當(dāng)?shù)鼗鶠橐话阃临|(zhì)地基時(shí)，應(yīng)先清除表土至地基天然硬土，后夯(壓)實(shí)基底。對自然地面陡于1∶2.5且填土高度>20 m的高填路堤，則沿路基縱向開挖臺階處理并設(shè)置土工格柵。

(3)為減少路基沉降，采取強(qiáng)夯、沖擊碾壓等措施增強(qiáng)補(bǔ)壓，以消減高路堤的差異變形。全線高填方路基優(yōu)先安排施工，確保不少于1個雨季的自然沉降時(shí)間。

(4)為減少高路堤的不均勻沉降，同時(shí)保證路基的穩(wěn)定性，將兩層土工格柵分別鋪設(shè)在距路床頂部以下0.3 m和0.8 m處，在增加路堤本身整體穩(wěn)定性的同時(shí)可以起到擴(kuò)散應(yīng)力的作用，使地基受力、沉降更為均勻。

2.4 路基填筑施工工藝

平天高速公路炭質(zhì)巖路基填筑方法采用“水平分層填筑法”。具體施工工藝步驟如圖2所示。

圖2 炭質(zhì)巖路基填筑工藝流程圖

2.5 路基填筑質(zhì)量控制

為保證施工質(zhì)量，平天高速公路炭質(zhì)巖路基填筑施工過程中采取了以下質(zhì)量控制措施：

(1)對施工圖設(shè)計(jì)文件中所提供的坐標(biāo)、高程進(jìn)行核查，確認(rèn)無誤后方可對照實(shí)施。

(2)使用壓實(shí)機(jī)械自重≥26 t的振動壓路機(jī)。

(3)CBR<3的炭質(zhì)泥巖嚴(yán)禁用于路基填筑。

(4)保證壓實(shí)密度，降低孔隙比。

(5)在最佳含水率時(shí)壓實(shí)，防止巖塊崩解變形。

(6)填方邊坡坡率宜為1∶1.5，加大邊坡平臺寬度，保證路基坡腳穩(wěn)定，適當(dāng)加寬邊坡包邊土厚度。

(7)在填筑完成后觀測路肩與中央分隔帶沉降差和填挖交界差異沉降，防止路基不均勻沉降導(dǎo)致后期路面脫空。

(8)坡頂、平臺水溝及截水溝要做好封閉措施。

(9)填挖交界處要做好水的攔截，挖方路床要做好封閉隔水措施。

(10)加強(qiáng)對高邊坡的監(jiān)測和檢查巡視。

3 炭質(zhì)巖路基沉降分析

3.1 炭質(zhì)巖路基沉降變形機(jī)理

炭質(zhì)巖路基沉降變形的原因主要有兩個方面：(1)下覆地基土的壓縮變形；(2)炭質(zhì)巖填料自身的壓縮變形。

地基土的壓縮變形機(jī)理為：當(dāng)炭質(zhì)巖路基填筑施工剛開始時(shí)，地基土的沉降為彈性變形，隨著上部填筑重量的不斷增加，地基土進(jìn)入強(qiáng)化變形階段，路基自重會對地基土產(chǎn)生較大的破壞，促使地基土中的土顆粒在上部荷載作用下發(fā)生壓縮變形，地基土的壓縮變形由瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降三個階段組成。

炭質(zhì)巖填料自身的壓縮變形機(jī)理為：外部荷載和自重共同作用下灰質(zhì)巖填料顆粒會產(chǎn)生一定的位移和結(jié)構(gòu)變化，具體包括填料顆粒自身的壓縮變形、填料孔隙中不同形態(tài)的水和氣體的壓縮變形、填料中水和氣體被擠出后因顆粒相互靠攏使孔隙體積減小而產(chǎn)生的壓縮變形。

3.2 路基沉降監(jiān)測方案

為對平天高速公路炭質(zhì)巖路基沉降進(jìn)行有效監(jiān)測，需要設(shè)置合理的路基沉降監(jiān)測方案。經(jīng)過分析，主要進(jìn)行以下兩部分沉降內(nèi)容的監(jiān)測：穩(wěn)定性監(jiān)控(水平位移)和地表沉降監(jiān)測(路堤頂部沉降)。

(1)在合適位置設(shè)置沉降板，沉降板測桿的垂直偏差要保持在1.5%以內(nèi)，在最大填方邊坡布置監(jiān)測斷面，沿兩側(cè)縱向每50 m設(shè)一道監(jiān)測斷面，沉降板的底槽不能出現(xiàn)凹凸不平的情況，且要先在下方鋪設(shè)尺寸為60 cm×60 cm×20 cm的砂墊層。沉降板與測桿的材料使用鋼板與鋼管，并將兩者整合焊接，同時(shí)采用具有要求規(guī)定強(qiáng)度與剛度的塑料管材料作為套管。

(2)在高路堤坡腳外側(cè)20 m、坡腳位置以及平臺上設(shè)置位移墩，材料采用鋼筋混凝土，高度、底部與頂部尺寸分別為50 cm、20 cm×20 cm與10 cm×10 cm，露出埋置面的樁頂要保持在10 cm以內(nèi)。

(3)將水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在不受垂直向和水平向變形影響的堅(jiān)固地基上或永久建筑物上，觀測儀器應(yīng)采用S1、S3型水準(zhǔn)儀，以二級中等精度要求的幾何水準(zhǔn)測量高程，觀測精度應(yīng)<1 mm。

路堤填筑速率要求邊樁位移量每晝夜≤1 cm。坡角水平位移速率每晝夜≤0.5 cm，如超出此限應(yīng)立即停止填筑。路堤填筑完成后，每月監(jiān)測兩次，雨季或變形加劇時(shí)適當(dāng)加密監(jiān)測次數(shù)；工后延長1年監(jiān)測時(shí)間，如1年后變化仍不穩(wěn)定，應(yīng)延長監(jiān)測周期。

在需要監(jiān)測沉降的位置設(shè)置觀測樁，觀測樁分布如圖3所示，監(jiān)測頻率見表3。

(a)斷面圖

表3 觀測樁監(jiān)測頻率表

3.3 路基沉降結(jié)果分析

經(jīng)過對平天高速公路炭質(zhì)巖路基填筑段K31+500、K37+720、K40+650這3處觀測樁1年的跟蹤觀測，可得到3處觀測樁所在位置的累計(jì)沉降、累計(jì)位移、沉降速率曲線，分別見圖4～6。

由圖4可知：該監(jiān)測斷面2021年12月最大沉降速率為0.33 mm，均小于警戒值(15 mm/d)；該監(jiān)測斷面2021年12月最大位移速率為0.41 mm，均小于警戒值(5 mm/d)，說明該監(jiān)測斷面目前趨于穩(wěn)定。

(a)K31+500累計(jì)沉降

由圖5可知：該監(jiān)測斷面2021年12月最大沉降速率為2 mm，均小于警戒值(15 mm/d)；該監(jiān)測斷面2021年12月最大位移速率為0.32 mm，均小于警戒值(5 mm/d)，說明該監(jiān)測斷面目前趨于穩(wěn)定。

(a)K37+720累計(jì)沉降

由圖6可知：該監(jiān)測斷面2021年12月最大沉降速率為0.33 mm，均小于警戒值(15 mm/d)；該監(jiān)測斷面2021年12月最大位移速率為0.14 mm，均小于警戒值(5 mm/d)，說明該監(jiān)測斷面目前趨于穩(wěn)定。

(a)K40+650累計(jì)沉降

在這一年的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測斷面的各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均未超警戒值標(biāo)準(zhǔn)，各斷面基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。該工程實(shí)例證明了炭質(zhì)巖路基采用該路基結(jié)構(gòu)與填筑方式是可行的，并可達(dá)到預(yù)期的填筑效果。后續(xù)施工過程中繼續(xù)保持監(jiān)控，隨時(shí)掌握路基動態(tài)，直至達(dá)到最終沉降值。

4 結(jié)語

本文以廣西平天高速公路炭質(zhì)巖路基填筑項(xiàng)目為例，提出了一種新型炭質(zhì)巖路基填筑技術(shù)，并對填筑后的路基進(jìn)行沉降變形監(jiān)測分析，通過研究可以得出以下結(jié)論：

(1)新型炭質(zhì)巖路基填筑技術(shù)可以達(dá)到在填筑路基的上部封堵地表水，在下部排出內(nèi)部水的目的，很好地保持了路堤內(nèi)部的干燥狀態(tài)，抑制了炭質(zhì)巖的崩解軟化，達(dá)到了預(yù)期的填筑效果。

(2)新型炭質(zhì)巖路基結(jié)構(gòu)及填筑技術(shù)盡可能利用現(xiàn)場原有的炭質(zhì)巖進(jìn)行填筑，提高了資源利用率，同時(shí)起到了保護(hù)環(huán)境、節(jié)省施工成本的作用。

(3)路基沉降變形監(jiān)測過程中各監(jiān)測斷面的各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均未超警戒值標(biāo)準(zhǔn)，各斷面基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。該工程實(shí)例證明了炭質(zhì)巖路基采用該結(jié)構(gòu)與填筑方式是可行的，并具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。