贾智宏

填石路堤在施工完成后,随着时间的推移与汽车重复荷载的作用,常常出现整体下沉和局部下沉,引起下沉的原因主要有以下几个方面[1,2]:路堤填料方面和工程地质方面等等。本文主要结合国内外填石路堤的沉降资料从这几个方面来探讨填石路堤的沉降原因。

1 填石料的工程特性

1.1 填石料的类别划分

对于石料,从不同的角度可将其分为很多种类,例如按地质年代分类可分为第三纪砂卵石、砾石土等;按成因可分为冰积土石料、冲积土石料等;按颗粒形状可分为网砾石、角砾石等;按新鲜、软硬程度可分为风化石渣料、坚硬堆石料等,由此可见,不同的分类所侧重的工程性质是不同的。

填石路基中的填料按照粒径及颗粒特征应属于纯巨粒土,而我国现行规程中粗粒土的分类多是限于dmax不超过60 mm,粒径范围为0.075 mm～60 mm的材料,虽然将粒径大于60 mm的材料命名为巨粒土,但其分类过于笼统,没有根据其最大粒径、粒径组成、细粒含量等指标再继续细分、命名。而当前实际工程中的路基填料如碎石、石渣、土夹石等,其粒径远远大于60 mm,且颗粒含量较大。所以说,目前的分类标准不能为实际工程需要提供合理、有效的技术指导。

针对路堤施工类型作出如下的分类:1)石料中粒径大于60 mm的颗粒含量为 T≥50%且粒径小于0.074 mm的颗粒含量小于10%时,则可按填石路堤施工工艺施工。2)石料中粒径大于60 mm的颗粒含量为30%＜T＜50%且粒径小于0.074 mm的颗粒含量大于10%时,则应按土石混填路堤施工工艺施工。3)石料中粒径大于60 mm的颗粒含量 T≤30%时,则可按填土路堤施工工艺施工。

1.2 填石料的密度

试验结果表明:1)填石料在最佳级配范围时,其最大干密度可达到较大值;2)但在相当大的级配范围内,填石料的最大干密度仍能达到一个较高水平。这说明填石路堤填料的级配范围可不加以严格控制。

1.3 填石料的变形

土石混合填料和填石料在遇水时都会发生湿化变形,即使在其受到荷载不变时也是如此。一般,填石料强度越高、填石料的成型密度越大,其湿化变形越小。和普通土类填料相比,填石料有以下特点:1)填石料密度大,按90%压实度考虑,填石路堤的密实较土质填料增大10%～20%。2)填石料压缩性小,即使在同等干密度的情况下,填石路堤压缩变形仍小于填土,和普通填土料相比,其压缩模量可增大3倍～5倍。3)填石料固结速度快,在填石料的大型压缩试验中,几乎无法测出固结系数,这表明填石料的自身压缩对路面修筑基本没有影响。这对路堤修筑是有利的。4)良好的、压实的软质填料,其压缩性与普通填料相比,压缩模量可增大1倍～3倍。固结系数约大于普通填料。

1.4 填石路堤的自身变形分析

对于10 m～30 m的填石路堤,其自身压缩量在填方高度的1%以内,并且在施工期能完成绝大部分自身压缩量,在营运期其自身压缩量在填筑高度的0.03%～0.2%之间。也就是说,30 m高的填石路堤,在营运期其自身压缩量小于5 cm。因此可以认为,对于达到要求密实度的填石路堤,其自身压缩量可以忽略不计。

1.5 填石料的长期性能

经过长期的工程实践,填石料的长期性能主要表现在:1)填石料的长期性能的稳定性与岩石的成型密度和岩石的强度有密切关系。2)填石料受到水的侵蚀是后期产生较大变形的主要原因,填石路堤在经过1个～2个雨季后再铺筑路面,会大大减少路堤的沉降变形量。3)填石料的长期变形过程与细粒填料明显不同,细粒填料的长期变形是一个较为均匀的过程,在总变形量中,其饱水前的变形量占总变形量的80%,在其后的湿化变形中,其沉降量反而不是很大,这说明细粒填料不易产生急剧变形,这对路面结构无疑是有利的;而填石料在未遭受雨水侵蚀前沉降量变形较小,占总量50%以下,在遇水侵蚀后,短时间内产生较大的变形,这种突变式的变形规律对路面结构不利。4)填石料压实到一定程度后,其综合长期性能优于土质路堤。5)对于坚硬石料不宜采用较低密度来修筑路堤,因为岩石长期接触空气容易风化。

2 工程地质对填石路堤沉降的影响

2.1 地基中存在软弱土层或岩溶

在一些地表水和地下水自然排泄困难的地方,地基土中软弱土层固结过程中的较大沉降变形是产生过大沉降和沉降差的重要原因。有些路段所处地基不属于软土地基,但处于低洼、河谷处,长期受水冲蚀,天然含水量较高,在设计时未发现或未作特殊处理,在施工时也未作等载或超载预压,也会产生不均匀沉降。在碳酸盐岩地区,路基下有时分布有岩溶洼地或漏斗,其中的沉积物松软,在行车动载的作用下,沉积物压实,侧向流动和下陷,造成路基沉陷。

2.2 地下水对路堤不均匀沉陷的影响分析

路堤不均匀沉降的发生是多种因素综合作用的结果。其中,内因在于路堤及地基本身,外因是车载、地下水及自重作用。在地下水的交替作用下,路堤填石料内含水量反复变化。

路堤及其地基中的地下水主要补给来源有三种类型,即地下水侧向补给、降雨补给、地表水侧向补给。其动态变化及侵蚀作用影响到填料中的有效应力分布、填料的结构特征和强度,从而导致路堤的不均匀沉降。此外,由于路基为条形,软土层中附加应力的分布沿水平向是不同的,会破坏软土层原有水平方向的平衡。所以,软土层在发生竖向沉降的同时,也会在水平方向上产生侧向塑流变形。

渗透固结沉降完成后,超孔隙水压力基本消散,但是粘粒之间并没有达到平衡状态,这种粘粒之间为平衡而进行的调整,称为次固结沉降。填方路堤及其地基中高于地下常水位部分,其中的地下水主要来自降雨补给,其中的含水量变化于饱和与非饱和状态,处于非饱和状态的时间一般多于处于饱和状态的时间。当然,受到气候条件(干旱、半干旱、潮湿)的影响,其中含水量变化的速率不同。在含水量变化的过程中,填料中的有效应力也会发生变化。研究表明,路堤中含水量变化,其中的有效应力相应改变,同时填石料容重也会发生变化。这样的变化是经常的、反复的,它的交替作用引起填石料的沉降变形。

3 结语

从填石料的类别、填石料的密度、填石料的变形、填石路堤的变形和填石料的长期性能五方面来研究填石料的工程特性对沉降的影响,认为填石料的最大粒径、压实度、长期性能是影响填石路堤沉降的主要因素。就工程地质条件而言,地基土中软弱土层固结过程中的较大沉降变形是产生过大沉降和沉降差的重要原因:路堤中含水量变化,其中的有效应力相应改变,同时填石料容重也会发生变化。这样的变化是经常的、反复的,它的交替作用引起填石料的沉降变形。

[1] 赵明华,吴建宁,陈昌富,等.基于龚帕斯生长曲线的高填石路堤沉降规律分析[J].中国岩溶,2005,24(2):17-18.

[2] 曹喜仁,钟守滨,淤永和,等.高填石路堤工后沉降分析及工程算法探讨[J].湖南大学学报(自然科学版),2002,29(6):71-72.

[3] 荆林立,杨彦奇.路堤沉降因素的有限元数值模拟[J].山西建筑,2008,34(8):282-283.