梅 敏

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

0 引言

长韶娄高速公路是新编《湖南省高速公路网规划》中重要高速公路网组成部分，对加速长株潭“两型社会“建设、整合旅游资源与促进区域经济增长具有重要意义。该高速起点为赤江枢纽型互通，并与长潭西线高速公路相接，向西经莲花、花明楼、韶山等地，止于涟源龙塘镇井边互通，与二广高速公路相连。全长共139.651 km，设计时速为100 km/h，双向4 车道，路基宽度26 m，车道宽度3.75 m，项目投资约91 亿元。全线丘壑丛生、山峦起伏，修建时挖填方工程量较大，为减少造价，采用弃方填筑路堤的方案。受南方地区温润多雨气候的影响，沿线广泛分布的花岗岩大多呈强风化状态，岩体节理分布密集，砂粒与粉粒含量高，且粘性较小，碾压成型困难，其压实度、强度指标等达不到规范要求，对路基稳定性及安全性不利。

风化花岗岩在南方地区十分常见，将其直接做路基填料时容易遇水劣化、易风化，本身粘结力也不高［1］，对公路工程修建与养护影响较大，因此对风化花岗岩具有一定数量的研究。廖浩成［2］针对浏澧高速公路风化花岗岩的室内物理力学实验及现场碾压实验而进行风化花岗岩的路用性质研究，从而提出改良及路基施作方案。李杰林［3］等人以测试风化花岗岩进行冻融循环实验中单轴抗压强度值而探究风化岩的劣化规律，实验表明在30 次冻融循环作用下风化程度变化较大。周援衡［4］等人采用PMS—500 型循环加载设备研究风化花岗岩改良土路基的动力响应问题，试验结果表明经改良后全风化花岗岩路基可承受500 万次列车动载及雨水长期浸泡。范子中［5］等人对通平高速风化红砂岩路基工程进行现场碾压实验，以碾压次数、强振频率及含水量对风化花岗岩压实度的影响论述路基碾压工艺的功效，研究结果表明选择合适的碾压工艺可较大幅度地增大风化花岗岩的路用性能。本文以湖南长韶娄高速为工程实例，基于强风化花岗岩路用性质并进行改良优化及用于路基填料时对高路堤稳定性的影响，为路基设计施工及稳定性控制提供理论支撑。

1 强风化花岗岩工程性质

1.1 花岗岩的风化作用

岩体风化作用一般分为物理分化、化学风化及生物分化。花岗岩经物理风化后的产物具有颗粒感，常为砂、砾石及粗粒土等，矿物成分与母岩相同。化学风化为花岗岩与O2、CO2及水等物质发生反应并产生新的产物如粘土矿物、氧化物及次生SiO2等，在工程实践中所遇到的风化花岗岩大多为化学风化作用所致。生物(主要指微生物)对岩石具有腐蚀作用，产生腐殖质而加速形成岩体的松散结构而称为生物风化作用。

1.2 风化花岗岩矿物成分

花岗岩主要成分有石英、长石、云母及角闪石等，其中前两者含量之和为80%～95%。原岩属全晶质等粒结构，质地坚硬，性质单一，岩块抗压强度约为120 ～200 MPa［6］。因长石和云母的节理特性，使花岗岩在一定条件下裂缝生成并扩展，在接触到氧气、水等物质时则发生化学风化作用生成新的矿物成分［7］。受温润湿热及干湿频繁更替的相互影响，为花岗岩的风化提供了有利条件，生成的风化物以粘土矿物为主，且厚度较大。

1.3 风化花岗岩物理性质

经土工试验数据可知，风化花岗岩含水量W 平均值为23.2%，液限WL、塑性指数IP及小于0.075 mm 的颗粒含量均较大，属高液限粉土。CBR实测值在93%压实度时75%土样大于3，在94%压实度时50%土样大于4，在96%压实度时37.5%土样大于5，在96%压实度时12.5%土样大于6，并伴有一定的膨胀性。依照颗粒分析可知不均匀系数大于6，曲率系数小于0.5，级配不良。强风化花岗岩残积土由于含云母，其CBR 随云母含量的增大而明显减小。

1.4 强风化花岗岩改良技术

强风化花岗岩不能满足路基填料要求，需经改良后方可使用。路基填料常见改良添加剂有石灰、水泥及高分子材料等，考虑到经济性及风化岩工程应用实际情况，可选用稳定性较好、成本较低的石灰及水泥作为改良剂。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行试验，强风化花岗岩改良效果评价主要有最佳含水量、最大干密度及无侧限抗压强度等。经试验测得不同石灰及水泥掺量下的最佳含水量、最大干密度及无侧限抗压强度如图1 ～图3 所示，其中无侧限抗压强度为采用YYW－2 应变控制仪测得改良土在养护7 d 及28 d 后的试验数据。

图1 最佳含水量与石灰掺量、水泥掺量关系

图2 最大干密度与石灰掺量、水泥掺量关系

图3 无侧限抗压强度与石灰掺量、水泥掺量关系

由图1、图2 可知:风化花岗岩在采用石灰或水泥改良下其最佳含水量均变化不大(增幅最大值约为0.45%)，表明可采用改良前强风化花岗岩的最佳含水量。石灰改良风化花岗岩其最大干密度随石灰掺量增加呈递减趋势，而水泥改良土最大干密度随水泥掺量增加而递增。由图3 可知:采用石灰及水泥均能显著提高强风化花岗岩的无侧限抗压强度。掺加9%的石灰改良后经7 d 养护其强度可提高70%左右，而28 d 龄期下掺加5%到9%时其强度可提高100%左右，掺加水泥比掺加石灰其改良效果更显著，掺加5%的水泥在7 d 龄期下强度可提高170%左右，而掺加5%的水泥28 d 龄期的改良土其强度平均值约为120 kPa，是掺加3%水泥下强度的200%左右。综合对比可知:在石灰掺量为7%时可达到水泥掺量为3%时的改良效果且都能满足工程要求，考虑到经济性及施工工艺特点，因此在工程实践中可采用7%的石灰掺量进行强风化花岗岩的改良。

2 高路堤稳定性分析

2.1 数值模拟计算分析

长韶娄高速公路某段采用弃方经改良后用于填筑路堤，该高路堤长23 m，其中最大填筑高度为24 m，分层铺筑，填方断面分2 个台阶，依据设计规范上台阶为8 m、下台阶16 m，坡率分别为1 ∶1.5和1 ∶1.75，采用分层铺筑与强夯加固的方法，每层填筑高度为4 m。路堤稳定性采用数值仿真可快捷地得出稳定性状况及变化趋势［8］，在工程研究及实践中应用广泛。该路堤对称取半采用有限差分法软件进行数值计算，计算模型如图4 所示。风化花岗岩填料经改良后粘聚力为65 kPa，内摩擦角为32°，弹性模量为17.9 MPa，泊松比为0.3。基于强度折减理论求得路堤边坡稳定性系数如图5，计算所得竖向位移场如图6。

图4 高填路堤计算模型

图5 路堤边坡稳定性计算结果

图6 路堤竖向位移场云图

由图5 与图6 可知:风化花岗岩改良土高路堤边坡稳定性系数为1.54，最大沉降量位于路肩处，且路基填方底部隆起，其路基最大沉降量为190 mm，表明路堤边坡及路基均满足高速公路高路堤稳定性要求。

2.2 高路堤监测分析

在断面设置压力盒及沉降板进行路基填料的土压力与沉降量监测，以得到高填路堤在施工期间及工后路基沉降数据，通过监测分析从而达到施工控制的目的［9，10］。其中沉降板为500 mm ×500 mm×30 mm，测杆为φ60 mm 的镀锌钢管，在沉降管外加套PVC 套管，沉降板设置3 组。土压力盒按竖向进行埋设于基底处，埋设坑直径为2 倍土压力盒直径，深度约300 ～500 mm 沉降及土压力监测数据如图7与图8。

图7 路堤监测点沉降量与时间的关系图

图8 填土过程中土压力监测变化图

由图7 与图8 可知:高填路基同一断面存在着不均匀沉降，其中土路肩处沉降量最大(达到190 mm)，而硬路肩及行车道处的沉降相对较小(沉降最大值分别为83 mm 与52 mm)，3 处的沉降均前期增长较快，后期增长缓慢并趋近于稳定状态，说明了路堤沉降主要由填料的固结作用决定。在路堤填筑过程中，土压力呈先快速后缓慢增长的趋势并最终趋于平衡。综合可知经改良后风化花岗岩用作高填路堤是可行的，其稳定性满足高速公路路基要求。

3 结论

长韶娄高速公路沿线分布着大量的强风化花岗岩，因其特殊的工程性质对就地取材的挖填方工程影响较大，因此需对强风化花岗岩进行改良并对其路用性质及高填方路堤稳定性进行研究。通过本次研究可得到如下结论:

1)受南方温润湿热的气候影响，长韶娄高速公路路基花岗岩风化程度较大，风化花岗岩强度指标难以达标，作路堤填料时需进行改良。

2)为找到合适的改良方案，选取石灰与水泥作固化剂进行风化花岗岩的加固效果对比试验，经以最佳含水量、最大干密度及无侧限抗压强度作评价指标，可知风化花岗岩在采用石灰或水泥改良下其最佳含水量均变化不大，表明可采用改良前强风化花岗岩的最佳含水量。石灰掺量越高改良土的最大干密度反而降低，而水泥掺量对改良土最大干密度呈正相关影响趋势。采用石灰及水泥均能显著提高强风化花岗岩的无侧限抗压强度，在石灰掺量为7%时可达到水泥掺量为3%时的改良效果且都能满足工程要求，因此可采用7%的石灰掺量进行强风化花岗岩的改良处治。

3)高填路堤属特殊路基工程，同时填料为强风化改良土，因此需重视其高路堤的稳定性。采用有限差分法FLAC3D 基于强度折减理论对某高路堤数值计算，得到稳定性系数为1.54，路基沉降最大值为190 mm，为填筑高度的0.79%，满足路堤稳定性要求。

4)对高路堤进行沉降及土压力监测，数据表明前期沉降量及土压力变化幅度较大，而后逐渐减缓并趋近平衡，再次佐证了高填路堤稳定性满足要求。

［1］杜 江，陈 熙，罗 洁.风化花岗岩残积土路用性能室内试验研究［J］.公路工程，2012，37(6):105－108.

［2］廖浩成.浏醴高速公路风化花岗岩路用特性试验与铺筑方法［J］.公路工程，2012，37(4):128－123.

［3］李杰林，周科平，张亚民，等.冻融循环条件下风化花岗岩物理特性的实验研究［J］.中南大学学报(自然科学版)，2014(3):798－802.

［4］周援衡，王永和，卿启湘，等.全风化花岗岩改良土路基的长期稳定性试验研究［J］.岩土力学，2011，32(S1):596－602.

［5］范子中，董 城，李志勇.风化花岗岩路用碾压工艺试验研究［J］.公路工程，2012，37(6):154－156.

［6］侯江波.全风化花岗岩改良土工程特性及其在高速铁路建设中的应用［D］.长沙:中南大学，2010.

［7］李志勇，曹新文，谢 强.全风化花岗岩及其水泥改良土的路用工程性质试验研究［J］.公路，2005(8):67－70.

［8］阳生权，刘星晔，李 亮.高填路基力学特性数值分析与施工控制［J］.湖南科技大学学报(自然科学版)，2008，23(3):50－53.

［9］刘涌江，邓卫东，杨 青，等.高速公路路堤稳定性与沉降变形规律研究［J］.公路交通技术，2005(5):16－20.

［10］周 禹.高填方路基沉降预测与控制施工技术的研究［D］.重庆:重庆交通大学，2013.