大粒徑土石混填料在山區(qū)道路路基填筑中的應(yīng)用分析

摘要：以大粒徑土石混填路基施工為研究對(duì)象，采用有限元軟件模擬分析該方法對(duì)路基處理效果，并對(duì)相關(guān)參數(shù)影響進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：大粒徑塊石的存在不會(huì)對(duì)路基的應(yīng)力和位移的分布造成影響，且按照一定的方法采用大粒徑塊石填筑路基時(shí)的路基抵抗變形能力要強(qiáng)于無(wú)塊石路基；隨著徑塊石間凈距的增大，路基沉降呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，最佳塊石凈距為1.5倍的塊石粒徑；隨著塊石距路基頂面垂直距離的增大，路基沉降呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，塊石距路基頂面垂直距離應(yīng)宜不小于2.5m；工程中若采用雙層或多層大粒徑土石混填料填筑路基時(shí)，應(yīng)采用塊石上下錯(cuò)位放置的方式。

關(guān)鍵詞：路基應(yīng)力和位移；路基填筑；大粒徑塊石；數(shù)值模擬

0 引言

山區(qū)高速公路修筑過(guò)程中，材料運(yùn)輸較為困難，而山體破碎過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的大粒徑塊石（粒徑集中在60～80cm之間），如何做到就地取材，將大粒徑塊石應(yīng)用到路基填筑施工當(dāng)中極為重要[1-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列研究。商浩乾等[4]以某土石混填路基施工為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)施工工藝流程進(jìn)行分析，結(jié)果表明該施工技術(shù)滿足指標(biāo)控制要求。陳思遠(yuǎn)等[5]以某陡坡段高速公路路基填筑為研究對(duì)象，采用PFC3D有限元軟件分析了土石混填路基施工效果，結(jié)果表明陡坡坡度對(duì)土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量影響最大，其次是含石量，最小的是循環(huán)加載遍數(shù)。黃先昌等[6]提出了一種新的土石混填路基沉降變形預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明該預(yù)測(cè)方法在實(shí)際工程中應(yīng)用良好，且在相同的參數(shù)條件下，得到的擬合曲線誤差越小，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度就越高。

本文以大粒徑土石混填路基施工為研究對(duì)象，采用有限元軟件模擬分析了該方法對(duì)路基處理效果，并對(duì)相關(guān)參數(shù)影響進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 研究背景

某山區(qū)高速公路高填方路基工程，路基填料需求量較大，且土方內(nèi)運(yùn)成本較為高昂。路塹開(kāi)挖產(chǎn)生了較多大粒徑塊石，而將這些大粒徑塊石合理的應(yīng)用到路基修筑當(dāng)中，則對(duì)于節(jié)省成本、加快施工進(jìn)度具有重要的意義。

當(dāng)前，現(xiàn)有的規(guī)范要求路基土石回填料塊石最大粒徑應(yīng)不超過(guò)50cm，對(duì)于超過(guò)這一規(guī)定的塊石需進(jìn)行破碎然后才能使用。由于這些塊石普遍較為堅(jiān)硬，且具備較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力，粉碎難度通常較大。

為了研究直接將大粒徑塊石進(jìn)行回填利用是否可靠，擬采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，路基斷面示意圖如圖1所示。需要指出的是大粒徑塊石粒徑集中在60～80cm之間，本文以粒徑為70cm為研究對(duì)象。

2 研究方法

如圖2所示，本節(jié)采用大型有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型。模型頂部路基寬度為20m，路基高度為6m，路基兩側(cè)邊坡坡率均為1：1.5，模型整體寬度為60m，高度為20m。塊石分為上下兩層布設(shè)，上下交錯(cuò)放置且兩層埋深分別為2.5m和3.5m，塊石的粒徑為70cm，塊石間水平間距取1.5倍的塊石粒徑。

模型建模均采用實(shí)體單位模擬，模型除上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移約束，模型均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，表1給出了相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)。

3 研究結(jié)果分析

為了對(duì)大粒徑塊石的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文共設(shè)置兩種工況，工況1為不含大粒徑塊石，工況2為含大粒徑塊石。

3.1 不同工況下路基豎向應(yīng)力與位移分析

3.1.1 ?ZBglWZAmXZKulBLo1mb0cw==;路基豎向應(yīng)力

兩種不同工況下的路基豎向應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可知，兩種不同工況下的路基受力整體表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且無(wú)大粒徑塊石工況下的路基整體應(yīng)力略高于有塊石時(shí)。工況2時(shí)的塊石周圍出現(xiàn)小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.1.2 路基最大豎向和水平位移

兩種不同工況下的路基最大豎向和水平位移模擬結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩種不同工況下的路基沉降變形規(guī)律基本一致且分布較為均勻，均在路基中心沉降值最大。對(duì)于無(wú)塊石時(shí)，路基最大沉降值為71.17mm；對(duì)于有塊石時(shí)，路基最大沉降值為70.42mm，大粒徑塊石的存在一定程度上還減小了路基最大沉降。

兩種不同工況下的路基水平位移規(guī)律同樣基本一致，均在路基兩側(cè)坡腳附近水平位移值最大。其中無(wú)塊石時(shí)，路基最大水平位移值為13.11mm。而有塊石時(shí)，路基最大沉降值為13.14mm，二者基本無(wú)差異。

綜上可知，大粒徑塊石的存在不會(huì)對(duì)路基的應(yīng)力和位移的分布造成影響，且采用含大粒徑塊石時(shí)路基的最大沉降一定程度上略有減小。

3.2 不同工況下的路基沉降監(jiān)測(cè)分析

相比于水平位移，路基的豎向位移對(duì)于路基的整體穩(wěn)定性和功能發(fā)揮更加重要。為了更加具體的大粒徑塊石存在對(duì)路基豎向位移的影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)得到了兩種不同工況下的路基沉降對(duì)比曲線，如圖4所示。

由圖4可知，工況2下的路基沉降整體比工況1時(shí)要小，即按照一定的方法采用大粒徑塊石填筑路基時(shí)的路基抵抗變形能力要強(qiáng)于無(wú)塊石路基。

3.3 相關(guān)參數(shù)影響分析

為了對(duì)影響大粒徑土石混填料路基變形的因素進(jìn)行分析，本節(jié)通過(guò)控制變量的方法分析了塊石間凈距、距路基頂面垂直距離以及塊石上下放置方式等因素對(duì)路基沉降的影響。

3.3.1 大粒徑塊石間凈距的影響

大粒徑塊石間凈距對(duì)路基沉降影響曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著徑塊石間凈距的增大，路基沉降呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，在凈距取1.5倍的塊石粒徑時(shí)路基沉降最小，說(shuō)明最佳塊石凈距取1.5D（D為塊石粒徑）。

3.3.2 大粒徑塊石距路基頂面垂直距離的影響

大粒徑塊石距路基頂面垂直距離對(duì)沉降影響曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著塊石距路基頂面垂直距離的增大，路基沉降呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，且減小速率逐漸放緩，在塊石距路基頂面垂直距離大于2.5m后路基沉降基本趨于穩(wěn)定。工程中塊石距路基頂面垂直距離宜不小于2.5m。

3.3.3 塊石上下放置方式的影響

為了探究雙層大粒徑塊石情況下塊石上下放置方式的影響，文中設(shè)定了上下重疊放置和上下錯(cuò)位放置兩種不同放置方式，得到塊石上下放置方式對(duì)路基沉降影響曲線，如圖7所示。由圖7可知，相比于塊石上下重疊放置，采用塊石上下錯(cuò)位放置時(shí)路基沉降整體略有減小，即在工程中若采用雙層或多層大粒徑塊石時(shí)，應(yīng)采用塊石上下錯(cuò)位放置的方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以大粒徑土石混填路基施工為研究對(duì)象，采用有限元軟件模擬分析了該方法對(duì)路基處理效果，并對(duì)相關(guān)參數(shù)影響進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

大粒徑塊石的存在不會(huì)對(duì)路基的應(yīng)力和位移的分布造成影響，且按照一定方法采用大粒徑塊石填筑路基時(shí)的路基抵抗變形能力，要強(qiáng)于無(wú)塊石路基。

隨著徑塊石間凈距的增大，路基沉降呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，最佳塊石凈距為1.5倍的塊石粒徑。

隨著塊石距路基頂面垂直距離的增大，路基沉降呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，且減小速率逐漸放緩，工程中塊石距路基頂面垂直距離宜不小于2.5m。

若采用雙層或多層大粒徑土石混填料填筑路基時(shí)，應(yīng)采用塊石上下錯(cuò)位放置的方式，具體應(yīng)用到工程中時(shí)則需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

參考文獻(xiàn)

[1] 王雄.公路施工中的土石混填路基施工技術(shù)分析[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2022（33）：53-55.

[2] 田建樑.高速公路土石混填路基施工控制技術(shù)[J].四川建材，2020，46（1）：222+224.

[3] 莊錦祥.市政道路土石混填路基施工技術(shù)研究[J].江西建材，2022（9）：228-230.

[4] 商浩乾.公路工程中土石混填路基施工技術(shù)的應(yīng)用分析[J].交通世界，2020（12）：34-35+67.

[5] 陳思遠(yuǎn)，武小菲，姜宏，等.陡坡地段土石混填路基壓實(shí)特性研究[J]. 路基工程，2022（4）：57-63.

[6] 黃先昌.土石混填路基沉降變形數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模擬研究[J].西部交通科技，2021（1）：93-97.