土石混填路基的壓實質量及邊坡穩定性研究

0 引言

土石混合填料具有料源廣、便于取材及節約成本等優點，被廣泛應用于路基填筑中[1]，但由于土石混合填料的物理力學特性復雜，導致其壓實質量難以控制。姜宏[2]以建元高速公路工程為實際依托，通過現場試驗段對陡坡路段土石混填路基的沉降特性進行研究。張海歐[3]對土石混合填料的工程性質及壓實工藝展開了分析。本文以動態變形模量及振動壓實值為控制指標，分析了不同碾壓遍數、松鋪厚度下土石混填路基的壓實過程。同時，利用PLAXIS2D軟件分析了不同邊坡坡度及填筑高度下土石混填路基的邊坡穩定性。

1連續壓實控制技術及 E_vd 測試原理

考慮到土石混合填料的材料特性，以動態變形模量（E_vd ）作為控制指標，僅能反映一定范圍內土石混填路基的壓實質量。為更加全面的評價土石混填路基壓實過程中的路基質量，可采用以振動壓實值（VCV）為控制指標的連續壓實控制技術對土石混填路基壓實質量進行控制。

1.1連續壓實控制技術

連續壓實控制技術基本原理是連續測量振動壓路機振動輪的動態響應信號，經過后續信號處理，形成對路基壓實質量的評價指標。但連續壓實控制指標需先與常規指標建立聯系后，方可應用于實際工程。

將振動壓路機的壓實過程視為單自由度振動體系，振動壓路機向路基施加循環振動荷載。根據相關研究表明，此時路基的結構抗力 F 和振動輪加速度 X 的關系計

算公式為：

式中： F 為結構抗力，單位為 kN . X 為振動輪加速度，單位為 m/s² . f 為振動頻率，單位為 Hz . K 為路基剛度系數； C 為路基阻尼系數。

在振動參數系統 （f，K，C） 已知的情況下，振動輪加速度X和路基的結構抗力 F 存在線性關系。將經過信號處理后的振動輪加速度 X 定義為振動壓實值（VCV），將其作為衡量路基填料壓實質量的控制指標。

1.2動態變形模量計算方法

動態彈性模量反映的是在一定沖擊荷載及沖擊時間下，路基抵抗彈、塑性變形的能力，其計算公式為：

E_vd=1.5γσ/s

式中： γ 為荷載板的半徑，單位為 mn . σ 為荷載板受到的最大沖擊應力，單位為 MPa . s 為沉陷值，單位為mm。一般情況下， γ 取 150mm ， σ 取 0.1MPa 。

2現場試驗

2.1 試驗方案

填筑過程中，使用的振動壓路機為26t，選取 30m 長的振動壓路機碾壓輪跡作為試驗段。在不同松鋪厚度及碾壓遍數下，先進行VCV測試，然后進行 E_vd 測試。現場試驗方案如表1所示。

2.2試驗結果分析

2.2.1動態變形模量分析

由圖1可知，當松鋪厚度為 60cm 時，隨著碾壓遍數的增加， E_vd 平均值的變化較小，具體表現為先減小，然后基本持平。當松鋪厚度為 40cm 和 50cm 時，隨著碾壓遍數的增加， E_vd 平均值表現為“先增加-后減小-再增加”的趨勢。

表1現場試驗方案

圖1各碾壓遍數下平均 |E_vd 值

圖2各碾壓遍數下VCV平均值

分析認為，當松鋪厚度較大時，碾壓前期壓路機的碾壓效果不明顯。由于土石混合料的破碎率較低，導致路基表面的密實度減小， E_vd 平均值隨之減小。隨著碾壓遍數的增加，填料顆粒不斷重新排列，密實度的變化趨于平緩， E_vd 平均值基本保持穩定。當松鋪厚度較小時，壓路機的碾壓效果明顯，由于路基填料表面的塊石破碎后填充到骨架空隙中，使顆粒排列更加密實，路基表面的密實度隨之增加， E_vd 平均值也相應增加。

隨著壓路機影響深度的變大，路基底部的塊石開始發生破碎，導致路基底部骨架結構發生改變，進而使路基表面的密實度減小， E_vd 平均值出現下降。隨著碾壓遍數增加，路基底部的骨架結構基本趨于穩定，路基表面的密實度再次增加， E_vd 平均值也隨之回升。

綜上所述，在振動壓實作用下，土石混合填料的壓實過程大致呈現“密實-破碎重新排列-再次密實”的循環特征。

2.2.2振動壓實值分析

各碾壓遍數下VCV平均值如圖2所示。由圖2可知，隨著碾壓遍數的增加，土石混填路基VCV平均值的增幅先變大后變小。這是因為，土石混填路基的VCV平均值主要反映路基整體的結構抗力，與路基表面填料的密實度關聯性不大。碾壓初期，在壓路機作用下，土石混填路基以塑性變形為主，路基整體結構抗力顯著提升，因此VCV平均值的增幅較大。隨著土石混填路基結構抗力的不斷增加，路基變形開始以彈性變形為主。此時若要進一步提高路基的結構抗力，需要施加更大的振動能量，故而路基的VCV平均值提升趨于緩慢。

綜合考慮 E_vd 值和VCV值的測試結果，同時結合實際路基填筑過程中場地整平前通常已進行1～2遍的疊碾預壓的情況，為達到較好的路基壓實質量，現場施工時最少進行4遍以上強振疊碾。

2.2.3 相關性分析

利用origin軟件，采用最小二乘法進行線性回歸方法，分析松鋪厚度 50cm 和碾壓2、3、4遍時土石混填路基不同測點處的 E_vd 值和VCV值的相關性。不同碾壓遍數線性相關系數與回歸方程如表2所示。

表2不同碾壓遍數線性相關系數與回歸方程

由表2可知， E_vd 值和VCV值的相關性隨著碾壓遍數的增加而降低。其原因為：在碾壓1～2遍時，路基表層的填料不斷破碎、擠壓并重新排列密實，使得路基表層的結構抗力不斷增大，抵抗變形的能力也不斷增強。當碾壓遍數達到一定數值時，振動壓路機對路基更深層次的填料施加影響，將其底部大粒徑顆粒破碎填充至骨架空隙中，使得路基結構抗力持續增加。然而由于動態變形模量測試儀的測試深度有限，僅能測得路基表層較淺處的 E_vd 值。隨著碾壓遍數的增加， E_vd 值趨于穩定，而VCV值仍持續增加，導致二者的離散性增大，相關性降低。

3土石混填路基邊坡穩定性分析

填筑高度及邊坡坡度是影響路基邊坡穩定性的重要因素，也是路基填筑過程中的關鍵控制指標。本文利用PLAXIS2D軟件，計算不同填筑高度及邊坡坡度下土石混填路基的邊坡安全系數，分析其穩定性規律。

3.1材料參數及模型建立

路基填料的物理力學參數如表3所示。土石混填路基模型如圖3所示，其中底部地基坡度為 20^° ，坡長為100m ，土石混填路基距離地基邊坡左端15m，路面寬度為 24m 。考慮到模擬過程中土石混填路基的路基高度較高，采用兩級放坡，第二級邊坡坡率控制在1：1.75，第一級邊坡坡度根據模擬方案調整。原地基邊坡土層從上到下依次為黏性土、全風化玄武巖和強風化玄武巖。

圖3土石混填路基模型

表3路基填料的材料物理力學參數

3.2模擬方案

表4邊坡坡度及填筑高度對照

在不同邊坡坡度及填筑高度下，進行土石混填路基的模擬。邊坡坡度及填筑高度對照表如表4所示。

3.3各因素影響規律分析

3.3.1邊坡坡度對土石混填路基穩定性的影響

填筑高度35m時，分析不同邊坡坡度下土石混填路基的邊坡安全系數。邊坡坡度與邊坡安全系數曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著邊坡坡度的增加，土石混填路基的邊坡安全系數逐漸下降且下降速度變慢，邊坡安全系數分別為2.101、1.731、1.502和1.310，下降幅度分別為 17.6% 、13.2%和 12.8% 。

分析認為，當邊坡坡度較小時，路基的潛在滑動面位置較淺，路基的穩定性較好，邊坡安全系數也較高；當邊坡坡度較大時，路基的潛在滑動面范圍擴大，路基的穩定性較差，邊坡安全系數也較低；隨著邊坡坡度增加到一定數值，路基潛在滑動面范圍擴大不明顯，邊坡安全系數下降幅度也趨于穩定。

3.3.2填筑高度對土石混填路基穩定性的影響

邊坡坡度 15^° 時，分析不同填筑高度下土石混填路基的邊坡安全系數。填筑高度與邊坡安全系數曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著路基填筑高度的增加，土石混填路基的邊坡安全系數逐漸下降且下降速度先變慢后變快，邊坡安全系數分別為2.037、1.725、1.569和1.218，下降幅度分別為15. 3% 、 9.0% 和22. 4% 。

圖4邊坡坡度與邊坡安全系數曲線

圖5填筑高度與邊坡安全系數曲線

分析認為，隨著路基填筑高度的增加，路基邊坡的下滑力逐漸增加，邊坡抵抗土體下滑的能力降低，邊坡安全系數降低；當填筑高度增加到一定數值后，邊坡安全系數快速下降。

4結論

本文以動態變形模量（ ?E_vd ）和振動壓實值（VCV）為控制指標，通過現場試驗分析了不同碾壓遍數、松鋪厚度對路基壓實過程的影響。得到結論如下：

1）當松鋪厚度為 60cm 時，隨著碾壓遍數的增加，E_vd 平均值變化較小；當松鋪厚度為 40cm 及 50cm 時，E_vd 呈現“增加-減小-增加”的變化趨勢，這與土石混合填料的“密實-破碎重新排列－再次密實”的壓實循環過程密切相關。

2）土石混填路基的VCV平均值的增幅，隨著碾壓遍數的增加先變大后變小。考慮到在實際路基填筑過程中，場地整平前已進行1～2遍的疊碾預壓的情況，為達到較好的路基壓實質量，現場施工時最少進行4遍以上強振疊碾。

3）隨著碾壓遍數的增加， E_vd 值和VCV值之間的相關性逐漸降低，表明過多碾壓無法提升兩指標的關聯度；而在邊坡穩定性方面，土石混填路基的邊坡安全系數隨著邊坡坡度和填筑高度的增加而逐漸下降。

參考文獻

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