高填方路堤變形特性研究

盧 征

(中鐵長江交通設計集團有限公司，重慶 401121)

1 概述

近年來，伴隨國家經濟的發展，我國西南部山區交通建設得到迅猛發展。鑒于我國西南部山區的特殊地形，在高速公路、機場等交通基礎設施修建過程中，往往出現高填方路堤[1]。出于環境、經濟等多方面考慮，高填方路堤填料多采用工程附近路塹開挖的土石混填料[2]。

高填方路堤的變形特性與穩定性關乎交通基礎設施的安全運營。王祿洲等[3]采用離心試驗、人工智能方法對昔格達層高填方路堤沉降進行預測。汪磊等[4]研究了不同筋材剛度對加筋土擋墻性能的影響，采用土工離心試驗檢測了土工格柵應變、面板水平位移和土壓力等變形參數。陳科平等[5]通過土工離心現場試驗方法與現場測試相結合的方法，研究了吹填陸域真空預壓后的固結沉降特性。陳蘇等[6]基于離心模型試驗對黃土路塹邊坡開挖過程中應力、應變的變化過程，分析了均質黃土邊坡數值模型的應力、應變分布特征。

針對目前土石混填料高填方變形特性研究較少，本文通過土工離心模型試驗，研究土石混填料(土石比為30∶70)高填方路堤縮尺模型的水平與垂直變形特性進行研究，研究結果可用于指導類似工程項目的建設與施工。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

本次試驗根據西南地區高填方路堤土石組成比例，選用土石混填料(土石比30∶70)材料技術指標如表1所示。通過采用土石混填料制作高填方路堤縮尺模型，研究土石混填料縮尺模型變形特性與穩定性。

表1 土石混填料技術指標

2.2 試驗儀器

本次試驗在土工離心機上進行，離心機由主機、拖動控制系統、數據采集、處理系統和影像系統四大部分組成。離心機的有效容量為25 gt，有效半徑為1.5 m。加速度取值范圍為10g～250g，模型箱尺寸為600 mm×400 mm×400 mm，電機功率30 kW，影像系統為2 ms級攝影系統。不同模型達到預先設定的轉速后，再持續加載1 h。加載結束后，記錄模型水平位移與垂直位移。

2.3 數據采集與處理

土工離心試驗的兩個重要目的是模擬原型材料特性和監測模型形態。本次試驗采用物理方法對模型的位移進行測量，即通過模型靠近有機玻璃的一側做標記，標記在離心力作用下隨土體發生位移，通過表征試驗前后位移的坐標差求得各點的位移，并且采取模型的邊坡坡面上通過安置位移傳感器的手段，對邊坡坡面上的兩個點的位移變化進行表征。離心機數據采集、處理系統如圖1所示。

2.4 模型特性與制作

離心模型試驗的基本目的是使模型能夠重現原型的應力應變特性。制作模型過程中，模型的物理量必須按照相應的模型率制備，本次模型的尺寸如圖2所示。

根據圖2模型的設計方案與成型參數，取用備好的固定比例(土石比30∶70)的土石混填料，采用體積法分六層擊實，在最佳含水量的條件下使其達到預定的壓實度，邊坡采用刮土刀削成設計坡比。其中基巖采用剛度較大的材料進行模擬，并具有一定的坡比。

3 試驗結果與分析

通過離心試驗對模型進行加載后，模型的水平位移與垂直位移如圖3,圖4所示。

分析圖3可知，模型的水平位移均經歷兩個變形階段，第一階段為10 m以下，水平位移隨著路堤高度的增加而變大，當路堤高度大于10 m時，水平位移隨著坡高不斷減小。不同坡比的土石混填料高填方路堤的水平位移變化規律相似，水平位移最大值均出現于模型中下部。因此，在實際工程中，應對水平變形位移最大處采取相應預防措施，從而提升高路堤的穩定性。

由圖4可以得出，土石混填料高填方路堤的垂直位移隨著路堤高度的增加而變大。隨著坡比的增大，高填方路堤的垂直位移也逐漸變大，說明坡比1∶1.5的土石混填高填方路堤的沉降大于坡比1∶2的土石混填高路堤，即邊坡越緩，土石混填料高填方路堤的沉降量越小。

4 結語

通過對土石比為30∶70的土石混填料高路堤離心試驗所得結果進行分析，得到以下三點結論:

1)土石混填料高路堤的最大水平位移出現在中下部。在實際工程應用中，應采取相應措施，減小中下部的水平位移。

2)土石混填料高路堤的坡度1∶2的垂直位移小于坡度1∶1.5的垂直位移，說明當填料相同時，邊坡越緩，路堤的沉降量越小。

3)土石混填料高路堤的離心模型在試驗結束后，均未發生破壞，證明土石混填料高填方路堤的穩定性與安全性能可以得到保證。