花崗巖殘積土路基彎沉值超標(biāo)換填方案試驗(yàn)研究及回歸分析

馬定樂(lè)

(廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司,廣東 廣州 514000)

路基彎沉值是指在荷載作用下的變形值,表明在規(guī)定的荷載下測(cè)得路基垂直方向的彈性變形量,是評(píng)價(jià)土質(zhì)路基強(qiáng)度的主要技術(shù)指標(biāo)?；◢弾r殘積土廣泛分布于東南沿海地區(qū),具有遇水軟化、易擾動(dòng)、強(qiáng)度變異性大等工程特性,在工程建設(shè)中易造成路基積水軟化、沉降變形大及強(qiáng)度急劇降低等問(wèn)題,導(dǎo)致路基局部的彎沉達(dá)不到要求,無(wú)法直接作為路基的持力層。針對(duì)這一問(wèn)題,目前主要采用開(kāi)挖換填、改良土及換土加鋪土工格柵法等方式進(jìn)行處治[1-5],其中開(kāi)挖換填法是一種較為簡(jiǎn)易,也是采用最多的方法。開(kāi)挖換填施工需要將一定深度軟弱層挖除,分層回填砂土、石渣等強(qiáng)度較大的材料,并碾壓密實(shí)。然而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,對(duì)于換填材料及換填深度都難以控制,時(shí)常造成工程浪費(fèi)或二次換填等。因此,針對(duì)花崗巖殘積土路基換填材料選擇與換填深度的相關(guān)研究對(duì)于沿海地區(qū)路基建設(shè)具有重要意義。

基于此,運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段,對(duì)不同工況下開(kāi)挖換填法的換填參數(shù),進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比研究,分析出不同工況下的換填參數(shù),該研究成果可為今后類(lèi)似地域工程建設(shè)提供一定的借鑒。

1 工程概況

依托工程沿線(xiàn)出露地層巖性較復(fù)雜,區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)沉積物較發(fā)育,殘積層主要見(jiàn)于丘陵地表,基巖層主要為沉積巖和花崗巖,厚度為幾米至數(shù)十米不等,易發(fā)生崩塌和水土流失等地質(zhì)災(zāi)害。所在區(qū)域主要為花崗巖地層,該區(qū)域挖方路基絕大部分為強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化的花崗巖與殘積土?；◢弾r殘積土在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中將長(zhǎng)石水解碳酸化變成高嶺石,高嶺石雖結(jié)構(gòu)致密,但吸水性較強(qiáng),浸水后容易膨脹軟化,會(huì)造成土體強(qiáng)度明顯下降。再加上土體顆粒級(jí)配不均,且黏性較大,可塑性和壓縮性高,吸水性和保水性也較強(qiáng),導(dǎo)致相應(yīng)花崗巖殘積土路段的路基彎沉值無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[6-10]。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到研究區(qū)域內(nèi)的花崗巖殘積土的天然含水率在24%～29%范圍內(nèi),最佳含水率一般為14%～15%,液限偏高,在46%左右。室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,大于2 mm的顆粒含量為6.3%,大于0.5 mm的顆粒含量為22.1%,根據(jù)吳能森[11]對(duì)現(xiàn)有的花崗巖殘積土顆粒級(jí)配分類(lèi)方法的總結(jié),可以確定本試驗(yàn)中土樣的類(lèi)別為殘積砂質(zhì)黏性土。

表1 土樣顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

2 換填法處治現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)段選定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選定3個(gè)典型段落作為試驗(yàn)段,試驗(yàn)段1(K14+100～K14+280)路基頂原彎沉值在250～300(0.01 mm)范圍內(nèi);試驗(yàn)段2(K12+350～K12+530)路基頂原彎沉值在300～350(0.01 mm)范圍內(nèi);試驗(yàn)段3(K11+620～K11+800)路基頂原彎沉值在350～400(0.01 mm)范圍內(nèi);各試驗(yàn)段長(zhǎng)均為180 m,試驗(yàn)段設(shè)置情況見(jiàn)表2。設(shè)計(jì)要求路基彎沉代表值不大于232.9(0.01 mm),為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程,本次試驗(yàn)段以單點(diǎn)彎沉值不大于150(0.01 mm)為換填目標(biāo)。

表2 試驗(yàn)段設(shè)置一覽表

2.2 換填方案

本著就地取材、經(jīng)濟(jì)合理的原則,試驗(yàn)段換填材料采用碎石土、石渣及碎石;換填深度分30 cm、50 cm、80 cm三個(gè)等級(jí)。每20 m作為一個(gè)換填試驗(yàn)單元,共進(jìn)行27組對(duì)比試驗(yàn),各換填單元的換填單價(jià)見(jiàn)表3。

表3 各換填單元的單價(jià)

2.3 試驗(yàn)步驟

(1)按照換填深度對(duì)各試驗(yàn)段進(jìn)行開(kāi)挖。

(2)開(kāi)挖完成后分層填壓,30 cm段落分一層填筑,50 cm段落分兩層填筑,每層25 cm;80 cm段分四層填筑,每層20 cm。

(3)換填處理后1 d、3 d、7 d分別對(duì)路基頂彎沉進(jìn)行復(fù)測(cè),取左右輪平均值作為該點(diǎn)代表值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)段1結(jié)果分析

試驗(yàn)段1原路基頂面彎沉實(shí)測(cè)值均在250～300(0.01 mm)范圍,換填碎石土處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,換填30 cm碎石土后,路基頂彎沉值由272(0.01 mm)降低到222(0.01 mm),彎沉值降低18.4%,換填50 cm碎石土后,路基頂彎沉值由275(0.01 mm)降低到150(0.01 mm),彎沉值降低45.5%,換填80 cm碎石土后,路基頂彎沉值由277(0.01 mm)降低到108(0.01 mm),彎沉值降低61%。換填石渣處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知,換填30 cm石渣后,路基頂彎沉值由273(0.01 mm)降低到191(0.01 mm),彎沉值降低30%,換填50 cm石渣后,路基頂彎沉值由273(0.01 mm)降低到125(0.01 mm),彎沉值降低54.2%,換填80 cm石渣后,路基頂彎沉值由281(0.01 mm)降低到88(0.01 mm),彎沉值降低68.7%。換填碎石處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,換填30 cm碎石后,路基頂彎沉值由269(0.01 mm)降低到192(0.01 mm),彎沉值降低28.6%,換填50 cm碎石后,路基頂彎沉值由268(0.01 mm)降低到105(0.01 mm),彎沉值降低60.8%,換填80 cm碎石后,路基頂彎沉值由271(0.01 mm)降低到93(0.01 mm),彎沉值降低65.7%。換填處理后3 d和7 d各段彎沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,換填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以?xún)?nèi),說(shuō)明固結(jié)過(guò)程已趨于收斂,因此對(duì)于試驗(yàn)段3換填3 d后復(fù)測(cè)彎沉值能夠獲取反應(yīng)真實(shí)情況的數(shù)據(jù)。對(duì)于試驗(yàn)段1,除換填30 cm碎石土及30 cm石渣外,其它換填方案均可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗(yàn)段1選取換填50 cm碎石土的方案較為合理。

圖1 試驗(yàn)段1碎石土換填檢測(cè)結(jié)果

圖2 試驗(yàn)段1石渣換填檢測(cè)結(jié)果

圖3 試驗(yàn)段1碎石換填檢測(cè)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)段2結(jié)果分析

試驗(yàn)段2原路基頂面彎沉實(shí)測(cè)值均在300～350(0.01 mm)范圍,換填碎石土處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,換填30 cm碎石土后,路基頂彎沉值由336(0.01 mm)降低到291(0.01 mm),彎沉值降低13.4%,換填50 cm碎石土后,路基頂彎沉值由327(0.01 mm)降低到212(0.01 mm),彎沉值降低35.2%,換填80 cm碎石土后,路基頂彎沉值由340(0.01 mm)降低到190(0.01 mm),彎沉值降低44.1%。換填石渣處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,換填30 cm石渣后,路基頂彎沉值由339(0.01 mm)降低到278(0.01 mm),彎沉值降低18%,換填50 cm石渣后,路基頂彎沉值由328(0.01 mm)降低到198(0.01 mm),彎沉值降低39.6%,換填80 cm石渣后,路基頂彎沉值由337(0.01 mm)降低到108(0.01 mm),彎沉值降低68%。換填碎石處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖4 試驗(yàn)段2碎石土換填檢測(cè)結(jié)果

圖5 試驗(yàn)段2石渣換填檢測(cè)結(jié)果

圖6 試驗(yàn)段2碎石換填檢測(cè)結(jié)果

由圖6可知,換填30 cm碎石后,路基頂彎沉值由341(0.01 mm)降低到222(0.01 mm),彎沉值降低34.9%,換填50 cm碎石后,路基頂彎沉值由341(0.01 mm)降低到161(0.01 mm),彎沉值降低52.8%,換填80 cm碎石后,路基頂彎沉值由338(0.01 mm)降低到79(0.01 mm),彎沉值降低76.6%。換填處理后3 d和7 d各段彎沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,換填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以?xún)?nèi),說(shuō)明固結(jié)過(guò)程已趨于收斂,因此對(duì)于試驗(yàn)段3換填3 d后復(fù)測(cè)彎沉值能夠獲取反應(yīng)真實(shí)情況的數(shù)據(jù)。對(duì)于試驗(yàn)段2換填80 cm石渣及80 cm碎石可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗(yàn)段2選取換填80 cm石渣的方案較為合理。

3.3 試驗(yàn)段3結(jié)果分析

試驗(yàn)段3原路基頂面彎沉實(shí)測(cè)值均在350～400(0.01 mm)范圍,換填碎石土處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知,換填30 cm碎石土后,路基頂彎沉值由368(0.01 mm)降低到299(0.01 mm),彎沉值降低18.7%,換填50 cm碎石土后,路基頂彎沉值由366(0.01 mm)降低到215(0.01 mm),彎沉值降低36%,換填80 cm碎石土后,路基頂彎沉值由371(0.01 mm)降低到225(0.01 mm),彎沉值降低39.4%。換填石渣處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知,換填30 cm石渣后,路基頂彎沉值由382(0.01 mm)降低到275(0.01 mm),彎沉值降低28%,換填50 cm石渣后,路基頂彎沉值由381(0.01 mm)降低到220(0.01 mm),彎沉值降低42.3%,換填80 cm石渣后,路基頂彎沉值由380(0.01 mm)降低到120(0.01 mm),彎沉值降低68%。換填碎石處理后彎沉值復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知,換填30 cm碎石后,路基頂彎沉值由377(0.01 mm)降低到231(0.01 mm),彎沉值降低38.7%,換填50 cm碎石后,路基頂彎沉值由379(0.01 mm)降低到165(0.01 mm),彎沉值降低56.5%,換填80 cm碎石后,路基頂彎沉值由369(0.01 mm)降低到85(0.01 mm),彎沉值降低77%。換填處理后3 d和7 d各段彎沉值都有一定程度的降低,1～3 d降低幅度在10%～30%左右,換填深度越深降低幅度越大,3～7 d降低幅度基本在5%以?xún)?nèi),說(shuō)明固結(jié)過(guò)程已趨于收斂,因此對(duì)于試驗(yàn)段3換填3 d后復(fù)測(cè)彎沉值能夠獲取反應(yīng)真實(shí)情況的數(shù)據(jù)。對(duì)于試驗(yàn)段3換填80 cm碎石可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗(yàn)段3選取換填80 cm碎石的方案較為合理。

圖7 試驗(yàn)段3碎石土換填檢測(cè)結(jié)果

圖8 試驗(yàn)段3石渣換填檢測(cè)結(jié)果

圖9 試驗(yàn)段3碎石換填檢測(cè)結(jié)果

4 彎沉值回歸分析

在試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析中,得出了換填厚度、固結(jié)時(shí)間、換填材料與彎沉改善情況的簡(jiǎn)單關(guān)系,為更加準(zhǔn)確分析出三個(gè)變量與彎沉改善情況的關(guān)系,采用逐步回歸分析法模擬出三個(gè)變量共同作用下與彎沉改善情況的關(guān)系式。

4.1 回歸步驟

逐步回歸基本思想是將換填深度、固結(jié)時(shí)間、換填材料分別設(shè)定為變量A1、A2、A3,彎沉改善率則設(shè)定B,B由A1、A2、A3共同決定,先將原始解釋變量A1、A2、A3及交互作用下的變量A1A2、A1A3、A2A3、A1A2A3作簡(jiǎn)單回歸,得出A1A2、A1A3、A2A3、A1A2A3的P值均大于0.05,對(duì)B不顯著,應(yīng)舍去。然后再得出其余變量對(duì)模型結(jié)果的貢獻(xiàn)大小,以貢獻(xiàn)最大的變量回歸方程式為基礎(chǔ),把其余解釋變量依次帶入回歸模型,每引入一個(gè)解釋變量都要對(duì)其進(jìn)行F檢驗(yàn),然后對(duì)已選入的解釋變量進(jìn)行T檢驗(yàn),當(dāng)新加入的解釋變量導(dǎo)致原先引入的解釋變量不再變得顯著時(shí),則去掉新加入的解釋變量,使模型中每個(gè)解釋變量始終處于顯著狀態(tài),以此為循環(huán),直到加入所有的解釋變量且模型中沒(méi)有不顯著的變量為止,以保證回歸方程的最優(yōu)性。模型摘要見(jiàn)表4。

表4 模型摘要

4.2 回歸結(jié)果及分析

本次回歸采用SPSS軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)因子變量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表5所示。

表5 逐步線(xiàn)性回歸結(jié)果

從表5可知,模型分4次建立,由逐步分析前的簡(jiǎn)單回歸顯示換填深度對(duì)彎沉改善率的影響最大,因此在模型1中以換填深度為基礎(chǔ)進(jìn)行回歸,回歸結(jié)果中顯示換填深度的P值遠(yuǎn)<0.05,表明換填深度對(duì)彎沉改善率的影響非常顯著,但由于只帶入了換填深度一個(gè)解釋變量,無(wú)法使數(shù)據(jù)回歸結(jié)果接近試驗(yàn)值,擬合優(yōu)度沒(méi)有達(dá)到最優(yōu),此時(shí)擬合優(yōu)度指標(biāo)為0.810,模型1的回歸方程為:B=0.007×換填深度+0.123。類(lèi)比,模型2、模型3、模型4根據(jù)顯著性由高到低,分別依次再加入換填材料(碎石土)、固結(jié)時(shí)間、換填材料(石渣)、換填材料(碎石),其模型擬合優(yōu)度,逐漸提高為0.924,得到非常好的模型擬合優(yōu)度。最后的模型為:彎沉改善率=0.007×換填深度-0.175×碎石土-0.065×石渣-0.055碎石+0.016×固結(jié)時(shí)間+0.145。

5 結(jié) 論

對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層路基頂彎沉超標(biāo)問(wèn)題,采用換填處理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論和建議。

(1)對(duì)于全風(fēng)化花崗巖地層路基,采用換填碎石土、石渣、碎石都能不同程度地改善路基頂?shù)膹澇林?其中換填碎石效果最好,石渣次之,碎石土效果最差。

(2)各試驗(yàn)段換填處理后1～3 d路基頂彎沉值有相對(duì)較大的改善空間,3～7 d路基頂彎沉值變化不大,因此在換填處理3 d后對(duì)路基頂彎沉值進(jìn)行復(fù)測(cè)較為合理。

(3)試驗(yàn)段1除換填30 cm碎石土及30 cm石渣外,其它換填方案均可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,從經(jīng)濟(jì)角度考慮,試驗(yàn)段1選取換填50 cm碎石土的方案較為合理。試驗(yàn)段2選取換填80 cm石渣的方案較為合理。試驗(yàn)段3選取換填80 cm碎石的方案較為合理。

(4)采用逐步分析法建立模型,模擬擬合優(yōu)度達(dá)到0.924,與試驗(yàn)值非常接近,可將回歸方程推廣運(yùn)用于類(lèi)似工程項(xiàng)目。