棄渣填方路基沉降變形特性及優(yōu)化施工技術研究

關鍵詞：棄渣；填方路基；沉降變形；力學性能；數(shù)值模擬；施工工藝中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.03.014文章編號：1673-4874（2025）03-0050-04

0 引言

隨著城市化和交通基礎設施建設的快速發(fā)展，填方路基在公路和城市道路建設中的應用日益廣泛[1-2]。爆破石方邊坡施工過程中產生的大量棄渣，因具備一定的力學性能，被廣泛用于填方路基的施工，不僅能夠降低施工成本，還能有效實現(xiàn)資源的循環(huán)利用[3]。然而，由于棄渣材料成分復雜、壓實性和抗壓性能不均勻等特點，將其作為填方材料可能引發(fā)路基沉降變形等工程問題，嚴重影響道路的安全性和使用壽命。

目前，針對爆破石方邊坡棄渣作為路基填料的研究多集中于力學特性試驗和質量控制，但對于棄渣填方路基沉降變形的影響因素及控制措施的系統(tǒng)性研究仍顯不足[4-6]。為進一步提高棄渣路基的施工質量和長期穩(wěn)定性，有必要從材料特性、施工技術、數(shù)值模擬等多個方面進行深入研究，為工程設計和施工提供理論依據(jù)和技術支持。

本文結合實際工程，通過試驗研究、現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，對爆破石方邊坡棄渣填方路基的沉降變形特性及其影響因素進行全面分析，并提出合理的控制措施。研究成果不僅為填方路基的施工提供參考，還具有一定的推廣和應用價值。

工程概況

本研究以某爆破石方邊坡棄渣填方路基工程為背景，研究范圍為該工程 K4+700～K6+660 路段，累計長度為 1960m 道路等級為城市主干道，設計速度為60km/h ，采用四幅路雙向八車道布置。研究區(qū)域某路基斷面如圖1所示。爆破石方邊坡施工過程中因爆破作業(yè)產生了大量棄渣廢料，這些廢料具有一定的物理力學性能，能夠作為填方路基的填料使用。通過合理利用爆破棄渣，不僅降低了填料采購和運輸成本，同時也實現(xiàn)了邊坡爆破廢料的資源化處理，充分體現(xiàn)了綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展的理念。

爆破石方邊坡棄渣的主要成分為破碎巖石顆粒，粒徑分布范圍較大，包含大塊巖石與細顆粒巖屑，其級配特性和壓實性能對路基的沉降控制具有重要影響。在該工程中，爆破石方邊坡棄渣被分層填筑至路基中，形成了多個壓實層次，每層填筑厚度經過試驗確定，以確保路基的整體穩(wěn)定性和均勻性。斷面研究表明，路基下伏地層以碎石土為主，頂部為多層棄渣填筑材料，其填筑高度和壓實工藝直接影響路基的沉降變形行為。

2棄渣力學特性試驗研究

爆破石方邊坡棄渣作為一種非均勻的填料，其力學特性對路基穩(wěn)定性至關重要。為研究其是否適合作為路基填料，本節(jié)結合實際工程背景，對爆破石方邊坡棄渣開展了篩分試驗、單軸抗壓強度試驗和毛體積率試驗，系統(tǒng)分析其物理力學性能。

2.1 篩分試驗

篩分試驗旨在分析棄渣的粒度組成和級配特性，并評估其是否滿足作為填石路基填料的要求。試驗嚴格按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG3430一2020）中的相關標準進行，選取代表性棄渣樣本，進行干燥后篩分。采用篩孔直徑分別為 160cm.40mm.20mm.10mm.5mm.2mmH5 標準篩對棄渣樣品進行逐級篩分，記錄各級粒徑的質量分布。篩分試驗結果如圖2所示。

圖2試驗結果表明，棄渣的最大粒徑 lt;150mm ，細顆粒含量約占 20%～30% 。通過計算級配曲線的不均勻系數(shù) Cu 和曲率系數(shù) α ，所有試樣均滿足《公路路基施工技術規(guī)范》JTGD30一2015）（以下簡稱技術規(guī)范）中對填石路基填料的要求。棄渣的良好級配特性表明其適合作為填石路基的填料。

2.2棄渣無側限壓縮試驗

無側限壓縮試驗旨在評估棄渣在受壓狀態(tài)下的力學性能。試驗選取了6組代表性棄渣樣本，分為自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種條件。自然狀態(tài)試樣直接進行抗壓試驗；飽和狀態(tài)試樣浸泡72h后進行抗壓試驗。試驗采用電液式恒加載壓力試驗機，加載速率為O.5MPa/s，記錄最大破壞荷載。試驗結果如圖3所示。

圖3試驗結果表明，自然狀態(tài)下棄渣的單軸抗壓強度為 100～110MPa ，飽和狀態(tài)下為 80～100MPa ，均滿足技術規(guī)范中對填料抗壓強度的要求。飽和狀態(tài)下強度略有降低，表明棄渣在高含水率條件下的力學性能有所下降，但仍可滿足工程要求。

2.3棄渣毛體積率試驗

毛體積率試驗用于評估棄渣的密實性能和壓實性能，為填方路基壓實工藝提供依據(jù)。試驗按照《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTGE41一2005）進行，選取具有代表性的棄渣樣品，采用排水法測定其毛體積密度。試驗結果表明，棄渣的毛體積密度為2 ?2～2.5g/cm ，細顆粒含量較高的試樣密度略高。這表明棄渣在一定程度上具有良好的密實性能，且通過適當?shù)膲簩嵐に嚳梢赃M一步提高其填筑效果。

綜上所述，通過篩分試驗、單軸抗壓強度試驗和毛體積率試驗的綜合分析可知，棄渣具有良好的級配特性、較高的抗壓強度和適宜的密實性能，符合路基填料的要求。后續(xù)研究將基于該試驗結果，進一步探討棄渣填筑與壓實工藝以及沉降變形控制措施。

3棄渣路基填筑與壓實技術研究

根據(jù)棄渣的粒徑分布和力學性能，試驗設計了4種填筑厚度：15cm、20cm、25cm和30cm。為確保棄渣填料的密實度和均勻性，試驗中采用了以下3種碾壓方式：

（1）振動碾壓：利用振動壓路機，通過振動與靜壓力作用壓實填料。該方式對粒徑分布均勻的填料效果較好，適用于中、低厚度填層。

（2）沖擊碾壓：利用沖擊壓路機的高能沖擊作用，對較大粒徑的填料具有顯著的壓實效果，適用于厚層填筑。

（3）沖擊與振動組合碾壓：先采用振動碾壓進行初壓，再采用沖擊碾壓強化壓實效果，適用于厚度較大或力學性能不均的填層。

在現(xiàn)場試驗路段，分別布置4個填筑厚度和3種碾壓方式的組合試驗區(qū)，進行分層填筑與壓實，試驗結果如圖4所示。由圖4（a）可知，從振動碾壓工法的孔隙率變化趨勢來看，隨著碾壓次數(shù)的增加，孔隙率逐漸降低，表現(xiàn)出較明顯的壓實效果。在碾壓達到6次后，孔隙率趨于穩(wěn)定，但僅有填筑厚度為15cm和20cm的試驗段滿足規(guī)范。振動碾壓工法對于較薄層（15cm和20cm）的填筑效果較好，但在厚層（25cm和30cm）條件下的壓實效果相對較弱，易出現(xiàn)孔隙率不達標的情況。由圖4（b）可知，在碾壓次數(shù)較低時，沖擊碾壓工法相比振動碾壓在降低孔隙率的效率上表現(xiàn)更優(yōu)。沖擊碾壓在初始幾次（特別是前三次）作用中對孔隙率的降低效果明顯，適用于快速壓實，但在后續(xù)碾壓中，壓實效果逐漸遞減，難以在厚層填筑條件下進一步降低孔隙率至規(guī)范范圍。

基于沖擊碾壓和振動碾壓的各自特點，提出了“沖擊與振動組合碾壓”工藝：前三次碾壓采用沖擊碾壓，后三次采用振動碾壓，以充分發(fā)揮兩種碾壓方式的優(yōu)勢。在20cm的厚度條件下，各碾壓方式均能在合理的碾壓次數(shù)內達到規(guī)范要求的壓實度和孔隙率標準。因此，建議將20cm厚度作為路基填料的最佳厚度。

4棄渣路基數(shù)值模擬研究

4.1模型的建立

為了研究棄渣填方路基的沉降變形特性及其影響因素，本文基于FLAC3D有限差分軟件，構建了隧道洞渣填方路基的三維數(shù)值模型（見圖5）。模型結合實際工程地質條件與施工工況，力求真實反映路基填筑過程中材料力學特性及沉降變形規(guī)律。模型采用三維立體形式，覆蓋棄渣填筑路基的典型斷面區(qū)域。模型長度為100m，寬度為 50m ，高度為 40m ，能夠有效模擬不同填筑厚度和地層條件下的變形特性。模型中將路基填筑區(qū)域劃分為若干層填料，每層對應實際施工中的不同填筑階段。各層的厚度分別設置為15cm、20cm、25cm和30cm，以模擬不同填筑厚度的力學響應。

4.2材料模型與參數(shù)設置

填料、地基土層及基巖分別采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，能夠合理描述材料在不同應力狀態(tài)下的力學行為。填料層與地基土層之間設置滑動接觸界面，以模擬可能發(fā)生的不均勻沉降。計算過程中使用的棄渣重要參數(shù)如表1所示。

模型兩側的水平邊界施加固定約束，限制水平位移，以保證模型的穩(wěn)定性。底部邊界施加完全固定約束，限制豎向和水平位移，模擬地基土層的剛性約束條件。頂部設置自由邊界，允許路基在填筑過程中自由沉降和變形。

4.3數(shù)值計算結果

4.3.1棄渣填方路基變形分析

棄渣填方路基變形結果如圖6所示。由圖6（a）可知，路基在填筑過程中，變形集中在中部區(qū)域，向兩側逐漸減小，表現(xiàn)出“弧形”分布特征。中心區(qū)域的最大水平變形量約為8 5×10^-2m ，數(shù)值較大，表明填料在受壓過程中向兩側發(fā)生了明顯的側向擴散。由圖6（b）可知，路基變形呈現(xiàn)典型的“中心下沉”趨勢，變形量從中部區(qū)域向兩側逐漸減小。中部區(qū)域的最大豎直變形量約為-2.4×10^-1m ，數(shù)值較大，表明填料的整體沉降較為顯著。水平和豎直方向的變形共同反映了路基在填筑和加載過程中的應力傳遞和變形協(xié)調性。中部區(qū)域的側向擴散與豎向下沉表現(xiàn)出一致的趨勢，說明中部區(qū)域的應力集中是路基變形的主要來源。

4.3.2數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結果對比

為了驗證數(shù)值模擬結果的可靠性，將數(shù)值模擬得到的路基中部沉降變形數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測結果進行對比分析，重點關注填筑完成后的路基中部區(qū)域，評估模擬與實測之間的誤差及其可能的原因。將數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的路基中部沉降變形數(shù)據(jù)進行匯總和對比，結果如圖7所示。

由圖7可知，數(shù)值模擬與實測沉降的變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為初期沉降速率較大，后期逐漸趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)典型的沉降變形規(guī)律。這表明數(shù)值模擬在捕捉路基沉降的總體趨勢方面具有較高的準確性。棄渣填方路基變形表現(xiàn)為3階段特征，即快速沉降階段、減緩沉降階段和穩(wěn)定階段。在沉降初期，沉降速率較快，沉降曲線呈陡峭下降趨勢；在減緩沉降階段，沉降速率逐漸減小，實測和模擬曲線趨于平緩，表明路基變形逐漸穩(wěn)定；在穩(wěn)定階段，沉降基本穩(wěn)定，沉降速率接近于零。實測和模擬的最終沉降量分別為-7.8cm和 -7.5cm ，誤差僅為 3.8% .說明數(shù)值模擬能夠較好預測路基的最終沉降量。

5結語

本文結合實際工程背景，通過試驗研究、現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，對棄渣填方路基的沉降變形特性進行了系統(tǒng)研究，并提出了合理的優(yōu)化措施和建議，得出以下主要結論：

（1）篩分試驗、無側限壓縮試驗和毛體積率試驗表明，棄渣具有良好的級配特性、較高的抗壓強度和適宜的密實性能，能夠滿足公路路基填料的要求，為其在路基工程中的應用提供了理論依據(jù)。

（2）研究表明，在振動碾壓和沖擊碾壓兩種工法中，振動碾壓適用于較薄層（15cm和20cm）的填料，而沖擊碾壓在初期快速降低孔隙率方面更為高效?；趦煞N工法的特點，提出“沖擊與振動組合碾壓”工藝，推薦20cm作為棄渣路基的最優(yōu)填筑厚度，以兼顧施工效率和壓實質量。

（3）數(shù)值模擬與實測結果對比顯示，兩者在快速沉降階段、減緩沉降階段和穩(wěn)定階段的變化趨勢一致，最終沉降量誤差僅為 3.8% 。這驗證了數(shù)值模擬在沉降預測方面的可靠性，為后續(xù)優(yōu)化設計和施工控制提供了技術支撐。

（4）建議在實際工程中采用“分層填筑、分步碾壓\"方式，并加強施工監(jiān)測。針對中部沉降較大的區(qū)域，適當調整填料級配和碾壓參數(shù)，確保路基的長期穩(wěn)定性和使用性能。 ⑦

參考文獻

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