高速公路大粒徑泥石路基的穩定性設計及應用研究

高劍峰，郭濤

（1.茂名市交通設計院有限公司，廣東 茂名525000；2.廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣州510507）

1 引言

隨著我國經濟的持續快速增長，高速公路的建設不斷加速，使得交通運輸逐漸向快捷化、便利化發展。 然而，公路路基材料短缺問題在眾多地區成為制約高速公路建設的重要因素，尤其是在貧石區、高山地區，公路建設中常用的細粒徑土材料難以獲取，從而大粒徑泥石作為路基材料應用越來越廣泛[1]。

然而，大粒徑泥石路基由于大粒徑泥石的物理性質及其構成的復雜性，對其穩定性的研究無法像對黏土和砂礫等材料那樣通過簡單的實驗獲得相對精準的參數。 同時，其在受力過程中的變形機理及其穩定性受多因素影響， 使大粒徑泥石對施工質量影響顯著。 近年來，各國研究團隊在大粒徑泥石的穩定性設計及應用研究方面取得了一些進步[2]。 一定程度上提高了大粒徑泥石路基的穩定性， 但實際應用中需花費較大的成本，工程效益并不顯著。 因此，尋找并優化大粒徑泥石路基穩定性的設計方法，結合理論與實踐分析路基穩定性，提升路基工程質量關鍵性并提高經濟效益，成為這一領域亟待解決的問題。

2 大粒徑泥石路基的穩定性設計

2.1 大粒徑泥石路基的特性研究

大粒徑泥石通常具有高的空隙率、良好的排水性和熱穩定性， 這些性質使得大粒徑泥石路基在潮濕環境和極端溫度條件下仍能保持良好性能。

同時，由于其較大的顆粒尺寸，大粒徑泥石路基對負載的分布具有較強的承載能力，從而提高路基的服務壽命。 并且大粒徑泥石具有較高的抗壓強度和抗剪強度， 大粒徑的顆粒既可以提供良好的穩定性， 也可以提供對沖擊載荷的高抵抗能力。 此外，它的剪切強度與其水分含量和密度之間的相關性也是大粒徑泥石在不同環境條件下表現出優異性能的一個重要特性。 另外，大粒徑泥石路基的環境適應性強，由于大粒徑泥石的較高空隙率和良好的排水性， 能有效防止水分對路基穩定性的影響，提高道路在雨季的交通安全性[3]。

2.2 大粒徑泥石路基穩定性設計實例

本研究選擇了在重大地震破壞下， 有著典型大粒徑泥石流動特征的四川山區為實驗測試路段， 路段選擇分別為成宜高速段與通廣A2 標段施工路段。在2008 年的汶川地震中，這一地區發生了大規模的泥石流災害，導致公路交通嚴重中斷。根據大粒徑泥石的力學性質和預期的承載能力， 確定穩定性設計準則。 在設計過程中，需考慮泥石流的動態變化和穩定性要求，研究采用響應面法進行穩定性分析，根據可能的最壞情況確立穩定性設計標準。 借助數值模擬和實驗測量，深入研究大粒徑泥石路基的物理性質和力學性質， 并針對大粒徑泥石路基，采用響應面法進行穩定性設計，旨在建立一套科學有效的評價方法及設計標準。

2.2.1 泥石路基用料分析實驗

穩定性評價是泥石路基設計的關鍵環節， 穩定性評價過程中，承載力指標選擇加州軸承比（CBR）和壓縮強度；變形性能指標選擇塑性變形和彈性模量； 耐久性能指標選擇則耐凍性、耐水解性等。 其中，承載力指標直接關系到路基的使用壽命和交通安全， 變形性能指標反映了路基在交通荷載下的穩定性，耐久性能則關乎路基在不利環境條件下的穩定性。 利用粒度測試得出移除粒徑d≥60 mm 的大型塊石后混合土壤的顆粒分布；用XRD 試驗分析大型塊石的主要礦物構成；通過重度沖擊實驗，確定去除粒徑d≥40 mm 的塊石后獲得混合土壤的最大干密度和最適含水率；采用CBR 試驗獲取排除粒徑d≥40mm 塊石后的混合土壤承載比；通過對巖石進行單軸壓試驗，確定大粒徑塊石的壓碎強度。 在所有這些試驗中，采取了固定的步驟以保證結果的準確性。 在路基用料分析試驗中，利用四分法在干燥后的土樣中進行采樣，并分批將樣本通過2 mm 篩子。 接著，將超過2 mm 的樣本通過不同等級粗篩，并稱重。 將2 mm 以下的篩子上的土樣攪動10 min，根據不同篩孔尺寸篩選用料的土壤顆粒并置入下一個級別的篩內。 最后，在度量時，應確保細篩土樣清掃干凈。

篩分結果顯示， 大粒徑泥石的篩選過程具有明顯的規律性。 當篩孔直徑為60 mm 時，篩子累積通過百分比為100%。當篩孔直徑減小到40 mm 時，累積通過百分比為97.2%，進一步減小篩孔直徑至20 mm，累積通過百分比為85.3%。 當篩孔直徑減小到0.075 mm 時，只有少部分樣品能夠通過，可以看出，大粒徑泥石樣品主要由大于0.075 mm 的粒徑組成，且粒徑越大的樣品占比越高。 在確定了用料及配比后，繪制級配曲線并計算不均勻系數與曲率系數，如表1 所示?？梢钥闯觯痪鶆蛳禂颠_到32.12，粒度分布不均勻性較高。 曲率系數為1.29，細粒土含量不足5%，級配良好。

表1 級配指標

2.2.2 土體壓實特性分析實驗

在土體壓實特性分析中， 選擇重型擊實實驗確定泥石路基最優含水率與最大干密度。 試驗的基本流程如下。

取樣和預備：首先，采集土壤樣本并將其干燥、粉碎并且通過2 mm 篩。 然后根據土壤類型和粒徑選擇適合的重型還是標準Proctor 模具。

裝土和擊實：將模具裝入3 層土樣，每一層都需要平均擊實一定次數以確保壓實度。

測量和記錄：每次壓實后，都需要用天平測量并記錄樣本的重量。 然后計算出每一層土樣的干密度。

濕化處理：將樣品進行適當的濕化處理，然后重復裝土和測量密度的步驟。

濕含水率測定：用干燥箱測定樣品的濕含水率。

繪制曲線：在干密度和濕含水率的圖紙上繪制點，然后求取曲線。 此曲線的峰值可以確定土壤的最大干密度和最佳濕含水率。

分析和解釋：分析結果曲線，確定出土樣的最佳濕含水率和對應的最大干密度。 泥石路基土壤擊實曲線如圖1 所示。

圖1 擊實曲線

從擊實曲線中可看出，相關系數為0.98，泥石路基土壤最優含水率為5%，最大干密度為2.05 g/cm3。

2.2.3 加州承載比實驗分析

加州承載比試驗可以評價泥石路基承載能力， 實驗基本步驟如下。

樣本準備：將土壤樣品取出并通過3/4 英寸（約19 mm）或更細的篩子。

濕化處理：將土壤濕化至接近其最優水含量狀態，并被放置一段時間使其充分濕化。

裝填并壓實模具： 將土壤樣品分層地裝填到一個標準CBR 模具中，并對每層進行均勻的壓實。將土壤樣品壓實至設定的壓實度。

沉浸：將樣品置于水中進行飽和，以模擬土壤在飽水狀態下的承載能力。 沉浸時間可長達96 h。

浸泡和膨脹讀數：在沉浸過程中，記錄土壤的膨脹讀數。承載負荷應用：從水中取出土壤樣本，并施加一個多階段的標準負荷，對每一個負荷階段測量土壤的滲透。 采用兩個快速卸載并立即重新裝載的步驟，以模擬輪胎通過的效果。

數據分析：繪制土壤滲透與應用負荷的關系曲線，以確定樣品的CBR 值。 最終經過試驗稱量后，CBR 值達到62.9%，大粒徑泥石路基承載能力符合標準。

2.3 案例分析

基于穩定性設計分析， 采用高分子襯砌和土工布加固路基；然后，用輕型防護網進行封閉，以減輕大粒徑泥石流對路基的沖擊力；最后，安裝地質雷達，持續監測路基穩定性狀況。通過這些措施，旨在最大限度地保證穩定性設計的實施效果，提高道路安全性。 實施方案后，經過一段時間的觀察和監測，路基穩定性得到了明顯提升， 能有效抵抗大粒徑泥石流的沖擊，沒有出現嚴重的移位或變形。

3 大粒徑泥石路基現有問題及挑戰

當前， 大粒徑泥石路基設計在實踐中還面臨諸多技術挑戰。 大粒徑泥石路基的穩定性評價標準及指標體系還不完善，缺乏具有普遍適應性和高度可操作性的評價方法。 其次，面對不同地質環境、氣候條件以及交通需求，導致穩定性設計的科學性、準確性受到局限。 大粒徑泥石路基的結構問題，穩定性問題，以及斑駁龜裂問題，是目前面臨的重大挑戰。

4 大粒徑泥石路基穩定性設計優化方向

大粒徑泥石路基穩定性設計的優化方向如圖3 所示：一是加強大粒徑泥石路基的穩定性評價方法的研究， 將物理指標、 力學指標、 環境適應性等多元化指標納入穩定性評價體系。 二是提升穩定性設計的承載力與抗變形能力，使其進行更多設計情況的適應性分析與計算，不斷優化穩定性設計參數。三是加強對新技術、 新工藝在大粒徑泥石路基設計施工過程中的應用研究，如生態技術、智能化技術等，提升大粒徑泥石路基設計的科學性和經濟性。 四是含水量、顆粒級配、凍融影響等因素對于大粒徑泥石路基穩定性影響深入研究。

5 大粒徑泥石路基優化方法與實施策略

為實現優化方向， 需采取一些具體的優化方法和實施策略。 在穩定性評價方面，采用無損檢測、模擬實驗、對比實驗等方式研究大粒徑泥石路基的反應特性，制定科學、有效的評價指標。 在設計承載力與抗變形能力優化方面，可通過運用有限元分析、粒子離散方法等先進的數值模擬技術，對路基穩定性設計參數進行細致核算，并適時調整設計方案。 針對新技術、新工藝應用研究，運用生態技術，利用生物工程方法，如種植抗侵蝕植物，可提升路基耐侵蝕性。 若應用智能化技術，如物聯網、大數據等技術構建智能化路基隨時感知系統，可實現路基狀況實時監控，及時進行維護或改進，提升其穩定性。 在深入了解各影響因素的基礎上， 可針對性地制定設計與施工策略，如嚴格控制含水量、優化顆粒級配、應對凍融影響等。

6 結論

在廣大山區和平原地區， 大粒徑泥石由于具有豐富的存儲量和較好的構造性能，已經成為鋪設路基的優質原材料。 然而，大粒徑泥石路基的穩定性如何設計，仍是當前技術研究的重點和難點。 研究通過理論分析與模型試驗為方法，深入研究泥石路基的物理性質和機械性質，試驗結果表示，采用優化后的大粒徑泥石路基的路基穩定性指標相較于未優化前提高了20%左右。 此外，綜合考慮了含水量、顆粒級配、凍融影響等各種環境因素后，其路基穩定性增強，抗變形能力提高，減少了路面裂紋發生的次數， 極大地提高了道路使用的安全性與舒適性。 總體而言，優化大粒徑泥石路基可以顯著提高路基設計的質量和效果，對保持路基穩定性具有重要作用。 本文的研究仍有許多的不足和需要改進之處，例如，對更多地區的泥石路基分析不足等問題，這也是未來值得重點關注的方向。