高填方土石混填路基變形特性分析

摘要：為確定高填方土石混填路基施工方案，文章通過(guò)在試驗(yàn)段布置測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的路基變形情況，分析路基變形結(jié)果后得出：工后路堤頂面沉降最終穩(wěn)定在20.1 mm，路基邊坡水平位移最大值為18.6 mm，路基深部水平位移最大值為19.1 mm，在監(jiān)測(cè)完成后均達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，路基整體變形較小，說(shuō)明工后路基穩(wěn)定性良好，施工方案可行。

關(guān)鍵詞：高填方；土石混填路基；變形特性；沉降；水平位移

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1+1A190592

0 引言

山嶺地區(qū)地勢(shì)起伏大，建設(shè)高速公路常采用高填方路堤形式。填方工程量大、施工質(zhì)量不易控制，工后容易產(chǎn)生較大變形。為節(jié)約施工成本，路堤填料通常就地取材［1］，利用沿線(xiàn)隧道或挖方路基的棄方。為提升路基的穩(wěn)定性，通常采用強(qiáng)夯法對(duì)路堤進(jìn)行加固處理［2］。土石混合料是山區(qū)公路路基常用的填料，由于巖石巖性和產(chǎn)生原因的不同，這類(lèi)填料級(jí)配不容易控制3］，進(jìn)而造成壓實(shí)質(zhì)量控制難度大。另外，山區(qū)公路原地面坡度大，容易造成路基邊坡滑塌［4］，這也是影響路基穩(wěn)定性的重要因素。高填方土石混填路基填筑完成后，往往存在工后沉降持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，工后沉降不易控制［4-5］，出現(xiàn)不均勻沉降、邊坡滑塌等質(zhì)量問(wèn)題，直接影響道路的運(yùn)營(yíng)安全。本文以高速公路建設(shè)項(xiàng)目為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果制定路堤填筑施工方案，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法對(duì)高填方土石混填路基的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析確定路基變形規(guī)律和穩(wěn)定性，進(jìn)而確定施工方案的合理性。

1 工程概況

某山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)車(chē)速80 km/h，路基設(shè)計(jì)寬度為25.5 m，沿線(xiàn)分布多座橋梁、隧道，多處高填深挖路基。隧道開(kāi)挖和路塹開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生大量廢方，為減少對(duì)環(huán)境的影響、節(jié)約施工成本利用廢方作為路堤填料。道路沿線(xiàn)地形地貌復(fù)雜，年均降雨量為800 mm以上，冬季寒冷，夏季炎熱。沿線(xiàn)無(wú)明顯地表徑流，地下水埋深也較深，地表水和地下水對(duì)路基施工影響基本可忽略。溝谷發(fā)育，大部分呈“V”形，地表自然坡度為30°～42°，山體上部植被發(fā)育，大部分為灌木。上體上部覆蓋層主要為殘坡積物，溝谷部分覆蓋沖洪積物。地表覆蓋層為土石混雜松散堆積體，穩(wěn)定性極差，在外力作用下容易產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。施工區(qū)域出露地層主要為變質(zhì)巖系，淺部地層主要為綠泥、變粒巖和石英片巖，巖層風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重，層厚為2.5～12.0 m。

本文選擇K91+200～K91+706.5段作為試驗(yàn)段，該路段為高填方路基，路基最大填方高度為25.3 m。路基填料為附近高邊坡開(kāi)挖產(chǎn)生的廢方，主要為土石混填材料。該路段穿越?jīng)_溝和斜坡，地基土上部為粉質(zhì)黏土，下部為碎石土，下伏基巖為石英巖。該施工路段填方高度大，填方量大，為保證工程進(jìn)度，結(jié)合開(kāi)挖土石方填料工程特性，合理制定填方施工方案。路基填方所選用的土石方材料級(jí)配不容易控制，這會(huì)影響路基的壓實(shí)質(zhì)量；原地表自然坡度較大，加之路基邊坡高度大，這些因素共同影響路基的穩(wěn)定性。因此，在路基施工過(guò)程中，不僅要嚴(yán)格控制路基施工質(zhì)量，還要在施工現(xiàn)場(chǎng)做好施工監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制路基變形。

2 路基現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)方案

2.1 試驗(yàn)段路堤填筑施工方案

路基單級(jí)邊坡高度設(shè)為8 m，兩級(jí)邊坡之間設(shè)置2 m寬的邊坡平臺(tái)，邊坡坡度為1∶1.5～1∶2。路堤施工前進(jìn)行清表處理，清表后采用重型壓路機(jī)壓實(shí)地基，壓實(shí)度≥90%。施工前對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，地基承載力≥200 kPa。局部地表橫坡較大路段，原地面開(kāi)挖寬度≥2 m的內(nèi)傾臺(tái)階，坡度≥2%。為保證路基壓實(shí)質(zhì)量，路堤單層填筑厚度≤40 cm，利用重型振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)度檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行下一層攤鋪。每填筑4 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯處理，強(qiáng)夯機(jī)夯擊能為1 000 kN·m，在施工現(xiàn)場(chǎng)布置4 m×4 m的灰格子，夯點(diǎn)位于格子中央，強(qiáng)夯后填平夯坑，利用振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行下一層施工，見(jiàn)圖1。

2.2 監(jiān)測(cè)目的

監(jiān)測(cè)的目的是研究高填方土石混填路基的變形特性，確定施工方案的可行性。在試驗(yàn)路段選取有代表性的斷面布置測(cè)點(diǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路基變形開(kāi)展監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析路基變形規(guī)律，對(duì)施工方案進(jìn)行修正，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，保證路基的穩(wěn)定性，防止路基滑塌產(chǎn)生安全事故。通過(guò)分析路基變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定高填方土石混填路基的變化規(guī)律，分析路基的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)路基失穩(wěn)或破壞的可能性，做好安全預(yù)警。此外，監(jiān)測(cè)還有助于分析土石路基施工方案的合理性，積累施工經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)施工提供技術(shù)參考。

2.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

該項(xiàng)目試驗(yàn)段高填方土石混填路基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括路堤頂面沉降、路基邊坡水平位移和路基深部變形。路基邊坡水平位移通過(guò)在路基邊坡上部埋設(shè)位移觀測(cè)樁，利用全站儀進(jìn)行觀測(cè)。位移觀測(cè)樁采用20 mm鋼筋制作，外露高度為5 cm，埋設(shè)深度≥1 m，并利用水泥砂漿錨固鋼筋。施工期間利用一致控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程，利用極坐標(biāo)法，對(duì)路基邊坡水平位移進(jìn)行觀測(cè)。為保證路基邊坡水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，水平位移觀測(cè)樁≥3個(gè)。

路基深部位移監(jiān)測(cè)是通過(guò)鉆孔在路堤內(nèi)部布置測(cè)斜管，利用測(cè)斜儀對(duì)路基深部土體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)測(cè)斜儀測(cè)量測(cè)斜管的偏離或傾斜量，分析確定路基深部變形。測(cè)斜儀自測(cè)斜管底部開(kāi)始監(jiān)測(cè)，每隔0.5 m取一組數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算確定深部土體的變形量。

路堤頂沉降量通過(guò)在路堤中線(xiàn)位置埋設(shè)沉降板，利用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)。沉降板底部墊10 cm厚中粗砂，底板上部連接測(cè)桿，隨路基填筑高度的增加接長(zhǎng)測(cè)桿，測(cè)桿外漏長(zhǎng)度應(yīng)＞50 cm。為了防止測(cè)桿與路基填料之間相互摩擦影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測(cè)桿外部增加保護(hù)套，保證測(cè)桿處于自由活動(dòng)狀態(tài)。

2.4 路基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

本文選擇試驗(yàn)段K91+320和K91+580兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為研究對(duì)象，分別布置測(cè)點(diǎn)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，如圖2所示。其中K91+320斷面布置沉降板和測(cè)斜管，沉降板布置在路基中線(xiàn)位置，測(cè)斜孔布置在路肩位置和二級(jí)邊坡上部，測(cè)斜孔編號(hào)為ZK1和ZK2；K91+580斷面沉降板和測(cè)斜孔位置與K91+320斷面相同，分別在一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)邊坡平臺(tái)分別布置一個(gè)水平位移觀測(cè)樁，編號(hào)分別為SP-01、SP-02、SP-03。

3 土石混填路基變形特性分析

3.1 路堤頂面沉降變化規(guī)律分析

為分析路堤頂面的變形規(guī)律，本文選取沉降量較大的K91+320斷面作為研究對(duì)象。路堤頂面沉降監(jiān)測(cè)自填筑完成后開(kāi)始，監(jiān)測(cè)總時(shí)間為239 d。整理路堤頂面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制沉降變化曲線(xiàn)如圖3所示，計(jì)算確定沉降速率如圖4所示。

分析圖3和圖4得出，在監(jiān)測(cè)前期路堤頂面沉降量較大，而后沉降速率逐漸下降，在監(jiān)測(cè)90 d后逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從監(jiān)測(cè)開(kāi)始至60 d，路堤頂面沉降速率相對(duì)較大，平均為0.28 mm/d，而后逐漸下降，在監(jiān)測(cè)時(shí)間達(dá)到180 d后，路堤頂面沉降基本不再增加，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在30～60 d沉降速率有小幅提升，這是由于監(jiān)測(cè)30 d以后進(jìn)入雨季，降雨量增加造成的，但提升幅度較小，45 d以后停止提升，影響不大。在監(jiān)測(cè)完成后，路堤頂面沉降量最終穩(wěn)定在20.1 mm，總體沉降量較小，說(shuō)明在壓實(shí)后路堤壓實(shí)質(zhì)量較好，沒(méi)有出現(xiàn)較大的沉降變形，路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.2 路堤水平位移變化規(guī)律分析

水平位移可以反映路堤水平方向的變形情況，可為路堤滑塌預(yù)測(cè)提供參考。本文以水平位移變形量較大的K91+580斷面作為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)時(shí)間同樣為239 d，整理SP-01、SP-02、SP-03三個(gè)水平位移觀測(cè)樁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制水平位移變化曲線(xiàn)如后頁(yè)圖5所示。

分析圖5可以得出，隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加路基水平位移增加幅度不斷下降，隨測(cè)點(diǎn)高度的減小水平位移量不斷提高，三個(gè)測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相近，在監(jiān)測(cè)45 d后明顯趨緩，在監(jiān)測(cè)時(shí)間達(dá)到120 d后逐步趨穩(wěn)。在監(jiān)測(cè)前期各測(cè)點(diǎn)水平位移增幅明顯，在監(jiān)測(cè)45 d后增幅逐漸下降，SP-01、SP-02、SP-03三個(gè)測(cè)點(diǎn)前45 d水平位移增加速率分別為0.10 mm/d、0.24 mm/d、0.34 mm/d。監(jiān)測(cè)完成后三個(gè)測(cè)點(diǎn)水平位移最終監(jiān)測(cè)值分別穩(wěn)定在6.1 mm、13.1 mm、18.6 mm，最終水平位移值較小，且變形主要集中在前45 d，期間沒(méi)有突然增加的趨勢(shì)，說(shuō)明路基水平方向變形也較小，路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 路基深部位移變化規(guī)律分析

為分析路基深部變形情況，在路基內(nèi)部鉆孔布置測(cè)斜管，利用測(cè)斜儀觀測(cè)路基深部水平位移，分析路基內(nèi)部的穩(wěn)定性。觀測(cè)時(shí)間自路基填筑完成開(kāi)始，持續(xù)時(shí)間為一年，取其中6次監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。本文取變形量較大的K91+320斷面ZK2測(cè)孔作為研究對(duì)象，整理ZK2測(cè)孔監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制路基深部水平位移變化曲線(xiàn)如圖6所示。

分析圖6曲線(xiàn)得出，隨深度增加路基深部水平位移不斷下降，在監(jiān)測(cè)兩個(gè)月左右增幅明顯下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)前兩個(gè)月，路基深部水平位移監(jiān)測(cè)值較大，而后逐漸下降。150 d與120 d監(jiān)測(cè)結(jié)果相近，路基深部水平位移基本不再增加，變形量基本穩(wěn)定。路基深部水平位移最大值為19.1 mm，與上述路基邊坡水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果相近。因此，路基深部變形也較小，進(jìn)一步說(shuō)明工后路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工方案可行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以高速公路高填方土石混填路基施工作為研究背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析路基變形規(guī)律，分析施工方案的合理性，得出以下結(jié)論。

（1）在路堤完工前期路堤頂面沉降增加幅度較大，前60 d平均沉降速率為0.28 mm/d，而后逐步下降并達(dá)到穩(wěn)定，最大沉降量為20.1 mm，沉降量較小，說(shuō)明路堤壓實(shí)質(zhì)量合格，工后沒(méi)有產(chǎn)生較大的沉降變形，路基結(jié)構(gòu)合理，施工方案可行。

（2）路基邊坡水平位移測(cè)點(diǎn)在前45 d增加幅度較大，SP-03測(cè)點(diǎn)水平位移最大值僅為18.6 mm，說(shuō)明路基水平方向變形也較小，按照施工方案填筑后的路堤穩(wěn)定性良好，施工方案設(shè)計(jì)合理。

（3）在監(jiān)測(cè)兩個(gè)月后，路基深部水平位移增幅明顯下降，在監(jiān)測(cè)120 d后逐步穩(wěn)定，水平位移最大值為19.1 mm，說(shuō)明工后路基深部變形也較小，路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

綜上所述，通過(guò)分析路堤頂面沉降、邊坡水平位移、深部水平位移得出路基工后總體變形量較小，路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工方案可行。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-03-06

作者簡(jiǎn)介：劉 健（1983—），工程師，研究方向：土木工程。