風化巖填筑路基沉降特性研究

方秀能 趙 升

風化巖填筑路基沉降特性研究

方秀能 趙 升

以江西彭湖高速公路路基工程為例,對風化巖填料的沉降特性進行了深入研究,通過現場沉降監測,分析了軟巖路基沉降規律,并對風化巖填料沉降機理進行了探討,得出了一些有益的結論,以期指導實踐。

風化巖填料,軟巖路基,沉降機理

0 引言

近年來,我國高速公路建設快速發展,新建道路沿線地形也日趨復雜,越來越多的高速公路穿越山嶺重丘,橋隧比達到 50%甚至更高的道路已屢見不鮮。在道路建設中,為了盡量做到“填挖平衡”,降低建設成本,越來越多的路堤填筑采用風化巖。同其他填料一樣,在路堤填筑中我們最關心的就是路基沉降的問題,而現行《公路路基施工技術規范》中涉及填石路基相關條目較少,對于風化類石料如何用于山區高速公路路基填筑,更是缺乏相應的技術標準及要求。為此,本文以江西彭湖高速公路為依托,對風化巖填料的沉降特性進行深入的研究。

1 工程背景

彭澤、湖口兩縣位于我國長江南岸,屬江西西北東部,地形為江南平原微丘。彭澤—湖口高速公路是國家規劃建設的長江南岸高速公路通道在江西境內的重要組成部分,全長 52.1 km。路線走向大致為NE～SW向,與“銅九線”基本平行。路線區地貌類型為江河沖洪積平原和江南低丘崗地,路線走廊南部為起伏較大的丘陵區,北部則為長江沖積地貌。

2 風化巖填料工程特性

彭湖高速公路沿線風化巖填料的野外特征：新鮮面為紅褐色,風化面為赤紅色,手感較粗糙,具有致密塊狀構造。選擇 K49+500以及K 49+300兩處沉降監測點的風化巖填料進行室內試驗得到其物理力學指標見表 1,表 2。

表1 不同壓實度下風化巖填料抗剪強度試驗數據

表2 軟巖填料壓縮試驗結果

3 現場沉降監測

為了分析風化巖填筑路基的沉降規律,特在彭湖高速公路K 49+300以及 K49+500兩處觀測點進行沉降監測。現場沉降監測采用目前沉降監測最常用的沉降板進行監測,其安裝示意圖見圖 1,圖 2。

4 基于實測數據的軟巖路基沉降規律分析

通過圖 3,圖 4可以看出風化巖填料沉降規律如下：

在風化巖填筑初期,沉降量呈直線增加。在圖 3中,1月11日 ～1月 25日這段時間內,路基沉降量呈直線增加,路基沉降速率明顯增快,在圖上反映就是沉降曲線斜率較大,此時的路基沉降主要是因為風化巖填料顆粒之間的位移減小引起的,這與土體瞬時沉降的產生原因一致。當填筑高度保持 1.7m不變時,隨著填筑時間的推移,風化巖填筑路基沉降量緩慢增加,沉降速率明顯放緩,在圖上的反映就是曲線變得較為平緩。在3月 22日～4月 5日這段時間內,路基填筑高度再次增加,與此同時,路基沉降再次快速增加。在 5月 17日以后這段時間內,填筑高度保持不變,可是路基沉降卻依然以較快的速度增加。這主要是因為在 5月 17日 ～8月 18日這段時間內,彭湖高速公路沿線降雨較多。隨著雨水的侵入,風化巖逐漸風化,巖石強度在雨水的浸潤下,強度持續降低,一方面風化巖顆粒之間變得脆弱,在外荷載的擠壓作用下,相鄰之間的距離變小,顆粒與顆粒之間變得更加密實,這在圖上反映就是沉降監測曲線緩慢增加;另一方面雨水的侵入也會改變風化巖顆粒的有效自重應力和附加應力。風化巖顆粒的沉降與顆粒所承受的有效自重應力和附加應力密切相關。雨水的侵入會導致水位增加,這就將導致有效應力減小,從而會抵消一部分風化巖顆粒的沉降,這在沉降監測曲線上反映出來就是風化巖路基沉降將持續增加,但是增加速率小于路基填筑前期。

5 風化巖填料沉降機理分析

風化巖路基沉降可以劃分為前期沉降和后期沉降兩個階段。

1)前期沉降。這類沉降與土體瞬時沉降類似,風化巖填料在填筑初期在外荷載作用以及自身重力作用下發生彈塑性變形。在這個階段風化巖填料顆粒之間以脆性接觸為主,顆粒棱角受到擠壓變得破碎,顆粒與顆粒之間位移不斷調整,填筑路基變得愈發密實。此外,離地填料還會發生剪脹現象。所謂剪脹是指土體在外力的剪切作用下,顆粒在剪切面沿剪力方向滑動或滾動,體積出現膨脹變形(剪脹)或收縮變形(剪縮)的這種工程特性通稱為剪脹性。2)后期沉降。當路堤填筑完后,在自重或風化作用下風化巖進一步破碎、細化,顆粒發生進一步滑移,這在宏觀上產生蠕變變形。此外,軟巖填料在后期會出現明顯的濕化變形特征。即土體由干燥狀態遇水變為濕態時,由于顆粒礦物浸水軟化以及顆粒之間被水潤滑等原因,造成骨架中顆粒破碎、滑移和重新排列而產生土體變形。軟巖填料填筑的路堤在地下水位反復升降、雨水入滲又蒸發,甚至由于溫度降低而發生的水汽冷凝等因素所造成的干濕循環作用下,會產生明顯的后期變形。路堤在后期干濕循環過程中所產生的附加變形還將會使路堤的位移和應力重新分布,造成路堤的不穩定性。

6 結語

通過實測數據分析可以看出：風化巖填筑路基沉降規律與普通填土路基沉降有一定的相同之處,但也有異同。這主要是因為風化巖在雨水的浸潤下會逐漸風化,顆粒棱角會逐漸軟化,從而導致沉降量會持續增加。一般說來風化巖填筑路基工后沉降時間會較長,因此在填筑施工中要與普通填土進行區別對待,壓實度要求也更高,需要引起建設者的高度重視。

[1]JTJ 017-96,公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].

[2]張 序.高速公路軟土地基沉降板觀測沉降的程序和方法[J].公路,2002,46(12)：10-13.

[3]王春生,王明江.高速公路軟土地基沉降觀測的程序和方法[J].筑路機械與施工機械化,2006,23(3)：52-53.

[4]趙維炳.廣義voigt模型模擬的飽和土體一維固結理論及其應用[J].巖土工程學,2000(3)：81-82.

[5]龔曉南.高等土力學[M].杭州：浙江大學出版社,1996.

[6]錢家歡.土工原理與計算[M].北京：中國水利水電出版社,1996：178-250.

[7]梅國雄.固結有限層理論及其應用[D].南京：河海大學博士學位論文,2002.

[8]唐 嫻.路基沉降機理與超限沉降標準的研究[D].西安：長安大學,2003.

[9]劉涌江,鄧衛東.高速公路路堤穩定性與沉降變形規律研究[J].公路交通技術,2005(5)：64.

[10]鄭明新,馬國正,趙 升,等.彭湖高速公路路基施工沉降觀測與變形規律研究階段報告[R].2009.

Study on roadbed settlement characteristicsw ith weathering soft rock filling

Taking Peng-Hu express highway roadbed engineering in Jiangxi province as an example,this paper further studies the settlement characteristics ofweathering soft rock filling.Through field settlementdetection,it analyzes settlement law of soft rock roadbed,discusses settlementmechanism of weathering soft rock filling,and obtains some beneficial conclusion,so as to guide practice.

weathering soft rock filling,soft rock roadbed,settlementmechanism

U 416.1

A

1009-6825(2011)03-0152-03

2010-10-07

方秀能(1976-),男,助理工程師,江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西南昌 330013

趙 升(1984-),男,碩士,助理工程師,江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西 南昌 330013