非洲热带雨林地区软土路基填筑及沉降预测

豆怀兵，刘 锋，汪仁生，吉军鹏，刘德功，熊 锐，李仁强，李 杰

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

雅杜高速公路是连接喀麦隆政治首都雅温得和经济首都杜阿拉最便捷的快速通道，路线全长195 km，是由中国进出口银行贷款、中国企业建设的中非地区第一条高速公路。项目所在地属于典型的热带雨林气候，常年高温多雨，地下水位高，土壤含水率大，沿线广泛分布着淤泥质软黏土，地形起伏较大，造成全线高填方软土路基较多，且属地筑路材料严重匮乏，对项目的实施提出了严峻的挑战。合理选用性能优越且经济的路基填料，控制高填方软土路基的不均匀沉降，是本项目最主要的技术性难题。红土粒料作为非洲地区一种优良的路基材料，在公路工程中得到了广泛使用，黄小华、曹长伟和张瑞菊[1-5]的研究结果表明，红土粒料具有较高的CBR(加州承载比)和回弹模量，能够用于路基及路面基层的填筑；然而，将红土粒料用于处治高填方软土路基填筑引起的路基沉降，至今鲜有研究。

基于此，本文对比分析以红土粒料[6-12]和碎石组成的混合填料与生石灰改性红黏土2种材料的力学性能和路基内部温湿度场，并结合经济性选用适合的路基填料。测定高填方软土路基沉降随时间的变化规律，并通过数学手段建立沉降预测模型，对路基远期的沉降进行预测，为中国企业在非洲热带雨林地区进行工程建设提供一定的理论依据和技术参考。

1 沿线自然地理概况

项目所在区域地处喀麦隆中部高原偏南的丘陵地区，海拔约750 m，属热带湿热气候，常年温度在24 ℃～28 ℃，每年3月到10月为雨季，10月到翌年3月为旱季，年平均降雨量在2 000 mm以上。具体气候资料如表1所示。

表1 项目所在地气候资料

2 软土分布及工程特性

项目沿线部分沟谷低洼处分布有沼泽及积水，底部分布有软弱土，含腐殖质，压缩性大，土质指标差。调查发现沿线软土深度最大不超过5 m，由于当地水泥、石灰等建筑材料严重缺乏，大多采用进口，因此对于地基承载力小于100 kPa的软土层，采取清淤换填碎石的方案进行处理，碎石换填深度由地勘结果确定。

项目沿线地形复杂，地质条件多变，PK6+260～PK7+280段最高点高程为778 m，最低点为651 m，高差达127 m ，是本项目路基工程最重要工段，项目最深挖方和最高填方都位于此处。其中PK6+960～PK7+280段高填方填高达33 m，且地基为软弱土。本文所选PK7+097断面处地勘试验结果如表2所示。

表2 地勘试验结果

3 路基填筑方案

项目沿线路基填土多为红黏土，它具有天然含水率高、液限和塑性指数高、强度低、压缩性高、细颗粒含量过多和颗粒级配差等特点，导致路基难以压实，且压实后路基容易出现裂缝。因此必须对路基填料进行处理后才能进行路基填筑。本文结合工程经验和项目所在地的实际情况，选用2种路基填筑方案。

3.1 采用混合填料

本项目沿线红土粒料分布广泛，是当地比较常见的筑路材料，其富含大量的铁元素，因此呈红色，80 μm以上颗粒含量大于60%。与其他土相比，红土具有强度高、透水性好等特点，因此是一种性能优越的路基填筑材料。另外，由于PK6+960～PK7+280段填高达33 m，对路基底部承载能力要求高，且项目沿线地下水位较高，因此可选用路基底部10 m填筑碎石、路基顶部23 m填筑红土粒料的混合填料方案。

对不同击实功下的红土粒料进行击实试验，在压实度分别为93%、94%和95%时进行CBR试验和回弹模量试验，研究红土粒料的力学性能，试验结果如图1～3所示。

从图1可以看出：随着击实次数的增多，击实曲线逐渐上升，试样干密度逐渐增大，最佳含水量逐渐减小；当击实次数超过80次后，试样的干密度和最佳含水量趋于稳定。这主要是因为，随着击实功的增大，红土粒料颗粒的破碎程度逐渐加重。当击实次数大于98次后，红土粒料颗粒破碎较充分，因此再增大击实功对红土粒料的击实效果影响不明显。

图1 不同击实功下红土粒料的击实曲线

图2 CBR强度与压实度的关系

图3 不同压实度下红土粒料的回弹模量

从图2、3可以看出：随着压实度的增大，CBR值逐渐增大，当压实度大于93%时，红土粒料的CBR值均在20%以上；随着垂直作用应力水平的增加，不同压实度下红土粒料的回弹模量逐渐增大，当压实度为96%时，各应力水平下红土粒料的回弹模量均大于100 MPa，能完全满足规范对路床和路堤填料的力学要求。填筑时将路床顶面以下0～0.8 m范围内填土压实度控制在96%以上，0.8～1.5 m范围内压实度控制在94%以上，1.5 m以下压实度控制在93%以上。

3.2 生石灰处理改性红黏土

由于生石灰与高液限黏土之间能发生离子交换作用，加上生石灰自身的碳化作用和胶凝作用[6-12]，使高液限黏土的可塑性增大，膨胀率减小，明显提高其承载力。在红黏土中加入不同剂量的生石灰后得到的技术指标如表3所示。

表3 生石灰掺量对红黏土力学指标的影响

从表3可以看出，随着生石灰掺量的增多，高液限红黏土强度逐渐增大，当生石灰掺量达到10%再增加生石灰时，红黏土的强度提升幅度不大。其原因主要为，生石灰掺入红黏土中后，在初期发生离子交换反应，减小了水膜厚度，促使土颗粒凝聚形成团粒结构，从而提高了强度，随着时间的延长，生石灰的结晶和碳化作用提高了红黏土的密实度，使强度进一步提高。各生石灰掺量下，28 d后黏土的CBR值和回弹模量大于红土粒料，表明将生石灰改性红黏土用于路基填筑有更高的强度和稳定性。

3.3 路基内部温湿度对比分析

在PK7+240(中心填土高度为5 m)处分别用混合填料和生石灰(掺量10%)改性红黏土填筑路基，并在2种路基中线顶面以下80 cm处埋设温湿度传感器，测定不同季节路基内部的温度和湿度，结果如图4、5所示。

图4 不同填筑方式下路基内部温度曲线

图5 不同填筑方式下路基内部湿度曲线

从图4、5可以看出，路基内部温度的变化与季节性气温变化规律基本相同，路基内部温度变化总是滞后于外界气温的变化。相同条件下，生石灰改性红黏土路基内部温度高于混合填料路基，两者相差2 ℃左右。这主要是因为，一方面2种材料的吸热属性不同，另一方面生石灰吸收红黏土中的水分发生化学反应，释放出一定的热量，因此其内部温度较高。路基内部湿度的变化具有明显的季节属性，由于当地9～11月份为大雨季，降雨量较大，造成路基内部湿度较大。相同条件下，生石灰改性红黏土路基内部湿度大于混合填料路基，且两者相差不大于1.5%，虽然生石灰能吸收红黏土中的水分，但是红黏土自身的吸水性大于红土粒料，因此造成其所填路基内部湿度较高。2种路基1年内湿度的差值在6%之内，表明2种路基材料均能保持路基内部湿度的稳定。生石灰改性红黏土路基具有更高的力学强度，且在温差较大地区有更好的保温性能，然而喀麦隆几乎没有石灰来源，需要全部进口，所需工期较长，造价较高，而且项目所在地常年高温，温差较小，因此本项目选用混合填料方式对高填方软土路基进行填筑。

4 路基沉降预测

4.1 路基实测沉降

以混合填料填筑高填方软土路基，在PK7+100断面路基中点布设监测点，以7 d为1个周期测定360 d内的路基沉降，沉降监测结果如图6所示，路基填筑2年后的情况如图7所示。从图6中可以看出，随着时间的延长，路基沉降量逐渐增大，在250 d后路基沉降速率有所减小，1年末路基的总沉降量小于180 mm，表明以碎石换填3 m软基后，用混合填料填筑的路基沉降缓慢。主要原因是，路基底部10 m以碎石填筑，碎石的沉降瞬时就能完成，路基上部23 m用红土粒料填筑，红土粒料中富含石料，与其他土质填料相比，具有难压缩的特点，因此路基沉降缓慢。从图7可以看出，经过2年后高填方软土路基稳定性良好，没有出现较大的变形，且经过当地大雨季冲刷后路基边坡整体性依然较好。

图6 路基中间点实测沉降值

图7 施工2年后的路基照片

4.2 回旋线推算法预测沉降

4.2.1 回旋线特征

回旋线是一种缓和曲线，其特点是曲率半径从无穷大开始，随着曲线长度的增大，曲率半径逐渐减小，曲率逐渐增大。曲率增大的程度受回旋线参数A的控制，回旋线基本公式[13-14]为

rl=A2

(1)

式中：r为回旋线上某点的曲率半径；l为回旋线上某点到原点的曲线长，即曲率半径无穷大点的曲线长；A为回旋线参数，表示曲线曲率半径的变化率。

回旋线在直角坐标系中(图8)的参数方程为

(2)

图8 回旋线示意

上述回旋线的特征与沉降-时间的变化特性有一定的相似性。随着时间的推移，沉降的变化速率逐渐减小，从某一时间开始收敛并趋于一个稳定值，对应的回旋线曲率逐渐减小，逐步收敛至曲率半径为无穷大。因此，可以将沉降曲线近似为一条回旋线，利用回旋线参数方程求解路基的最终沉降量，即

S=St+yt

(3)

式中：St为最后一个实测点的沉降值，本文为357 d的沉降值；yt为收敛时间为t时的y坐标。

4.2.2 沉降预测

求解路基最终沉降量，关键要确定回旋线参数A和沉降曲线的曲线长。在时间-沉降曲线中，回旋线参数A的大小表示沉降速率趋于零的快慢。在时间-沉降曲线中，沉降速率是逐渐变化的，直至某一个时间段内沉降速率会趋于一个稳定值，因此可以利用已观测某一段时间的沉降曲线反推回旋参数A，进而求得最终沉降量。

时间-沉降曲线的曲线长可近似等于沉降的收敛时间，可以通过常规的双曲线拟合方程[15-19]得到长时间的时间-沉降曲线，并判断其收敛性，确定收敛时间。双曲线拟合方程和结果如图9所示，可以看出，双曲线法计算的沉降随时间的推移逐渐增大，沉降在收敛到某个值后以微小的变化持续发展，计算出来的收敛时间约为4 650 d，双曲线法预测最终沉降为790.3 mm。

图9 双曲线拟合沉降变化

从表4可以看出，不同序列计算得到的回旋参数A值不同，具有一定的离散性，但计算得到的沉降值差别不大，可取各序列预测得到沉降值的平均值作为最终沉降，最终沉降量为794.0 mm，与双曲线拟合得到的最终沉降量790.3 mm极为接近。由于红土粒料的特殊性，路基沉降速率缓慢，1年后的沉降量仅为172.5 mm，与总沉降量794.0 mm相差较大，为了保证施工进度，应采取相应的工程措施加速路基沉降。

5 结 语

(1)在合适的压实度下，红土粒料具有较高的CBR和回弹模量，能完全满足路基填筑的需要，建议将路床顶面以下0～0.8 m范围内填土压实度控制在96%以上，0.8～1.5 m范围内压实度控制在94%以上，1.5 m以下压实度控制在93%以上。

(2)生石灰能明显改善红黏土的力学性能，当生石灰掺量达到10%时，再增大掺量对力学指标的改善效果不显著；与红土粒料相比，生石灰改性红黏土具有更好的力学性能；生石灰改性红黏土路基内部的温度和湿度均大于混合填料路基，但总体相差不大，考虑到项目所在地生石灰资源极度匮乏，因此选用混合填料填筑路基。

表4 回旋线推算法的路基沉降预测结果

(3)用回旋线推算法预测高填方软土路基的沉降具有较高的可信度；所选断面处预测得到的最终沉降为794.0 mm，而实测数据表明填土1年后路基的沉降量仅为172.5 mm，表明混合填料填筑的路基沉降缓慢，因此为了加快施工进度，需要采取相应的工程措施加快路基沉降。