全风化软岩填料的工程特性及其高填路堤沉降特性分析

郭志玉，张 荣，郑博文，南 凯，李 莎

(1.中铁十二局集团四公司，陕西 西安 710000；2.重庆交通大学 水工建筑物健康诊断技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400074)

随着中国高速公路基础建设的发展，公路建设的重点开始向西部山区延伸，沿线地形已经从平原微丘区向山岭重丘区转变，途径地区软岩分布范围较广泛，路基填筑填料大多以风化软岩为主。郑明新等[1]、刘新喜等[2]、但汉成等[3]在分析风化软岩基本矿物成分、耐崩解性的基础上，结合风化岩块力学强度和击实试验结果，初步判定了软岩填筑路基的可行性。

高填路堤填筑施工前必须对填料的工程特性进行研究，主要包括击实特性、承载比特性、压缩特性、抗剪强度特性以及沉降特性和稳定性等。刘新喜等[2]对强风化软岩路基填筑开展了研究，说明全风化软岩填料具有良好的压实性能,可用于高等级公路路基填筑。卿启湘等[4]采用室内模型试验对软岩击实填料强度和刚度进行了探究。胡萍等[5]对石灰和水泥改良土强度形成机理进行分析,开展软岩改良土大量的室内实验研究,从化学改良方面研究软岩填料的特性。伍贤熙等[6]、杜江等[7]研究了改良花岗岩的路用性能，并确定生石灰和纤维的最佳掺配比。贾科敏等[8]通过室内击实和承载比试验，提出垃圾土颗粒级配对抗剪强度有较大的影响。鞠兴华等[9]通过室内和现场试验等方法对泥质软岩填料工程特性进行研究，提出水和击实功对填料级配变化影响较大。马捷等[10-11]分析了不同粗颗粒含量灰岩料的压缩特性和抗剪强度特性。付宏渊等[12]基于饱和-非饱和渗流及稳定性分析基本理论，提出了降雨条件下多因素变化情况下的路堤动态稳定性分析。李新旺等[13]、冯忠居等[14]采用灰色关联法对影响高填路堤边坡稳定性的因素进行了探索。

依托工程沿线修建山区地质条件复杂，路基填筑就地取材。该路基填料主要为泥质砂岩和粉砂岩，且风化程度高，强度较低，抗变形能力差[15]，给路基填筑带来一定困难。由于全风化泥质砂岩作为软岩的特殊性，不同风化程度以及工程水文地质条件下各性能差异性较大，且工后沉降量较大。因此本文借鉴已有的研究方法，针对某高速公路沿线全风化泥质砂岩填料开展室内试验以及数值模拟，研究不同压实度全风化软岩的承载比特性和压缩特性，并对特殊路段全风化软岩高填路堤进行沉降性和稳定性研究，为其路堤填筑施工提供理论依据。

1 工程概况

四川德遂高速位于四川盆地中部的四川低山丘陵区，龙泉山脉以东，地势总体上为西北高，东南低。选取全风化泥质砂岩高填路堤地段位于景福镇，该地项目区属季风付热带气候，平均在1 000 mm左右，只是在季节上分配不均，干湿季分明。 根据勘察钻探，该地区出露地层为侏罗系，上统蓬莱镇组(J3P)，地层岩性主要为紫红、黄灰色厚层块状细长石砂岩、岩屑长石砂岩，夹紫红色黏土岩，粉砂岩、泥岩以及泥质砂岩，上部遭受风化剥蚀。地层较平缓，地层倾角小于10°。岩层走向为，北东一南西向，岩层稳定。岩层主要发育有2组共轭的X型节理裂隙，裂隙倾角近垂直，裂隙密度一般2～3 m/条，受基岩垂直节理影响，出露基岩段边坡多陡峭，偶有崩塌掉块现象。在路堤填筑时对全风化泥质砂岩填料对进行强夯处理，每隔2 m进行冲击碾压。

2 工程特性

2.1 全风化软岩填料的基本性质

试验土料来自德遂高速TJ4标段，所取全风化软岩填料均为爆破后所留，颜色呈暗红色，与土壤颜色相似，含有泥质胶结物。磨圆度较高，形状呈长扁球体。其液限约为30%，塑限约为16%。用振筛机筛分土样，将现场土料依次通过60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的筛孔，测试级配曲线如d1(图1)，其含石量约为25%。但由于试验仪器限制，且使用等量替代法所得强度较为接近实际值，因此将测得级配使用等量替代法换算级配曲线见d2。通过室内重型击实试验测得该土体的最大干密度为1.93 g/cm3，最优含水率为10.5%。

图1 级配曲线

2.2 承载比特性

CBR值是路堤重要的强度评价参数，其大小反映了土体的局部抗剪强度和水稳定性。研究路段全风化软岩填料具有强度低，抗变形能力差的特点，在降雨等不利环境下可能会发生翻泥冒浆和失稳变形等危害。

根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》[15]对高速公路路堤填料的压实度做出规定：路床大于等于96%，上路堤大于等于94%，下路堤大于等于93%。CBR值的规定如下:上路床大于等于8，下路床大于等于5，上路堤大于等于4，下路堤大于等于3。为了对全风化软岩填料的CBR值进行研究，对制作不同压实度分别为96%、94%、93%的土样，含水率为各自最优含水率，每种压实度制备2个平行样。将试筒放在带调节杆的多功能板上面通过拉杆拧紧模具，将载荷板放入试筒中，整体模具放入水槽中并安装百分表。在水槽中注水使水面高度高于顶部25 mm，通常使试样浸泡4昼夜来模拟路堤浸水的最不利条件，并用万能试验仪进行贯入试验(图2)。

a)试样浸水

通过测定千分表的变化量，得到全风化软岩填料的膨胀率见图3。可以看出3种压实度的全风化泥质软岩的膨胀率在1.29%～1.87%。在长期饱水作用下填料有一定的膨胀量，但其不属于膨胀土范围。填料压实度越大，膨胀率越小，其原因是当压实度较大时，土样孔隙比较小则水与土颗粒接触面积较小，从而吸水量小，从而吸水膨胀率小。

图3 膨胀率

通过贯入试验得到土样的CBR结果见图4。可以看出试样的荷载-位移曲线都呈上凸状，贯入初期曲线平缓，压实度越大时初期斜率越平缓，随着贯入量增大，曲线斜率越大。在贯入初始阶段，土样产生弹性变形，贯入相同的位移条件下，土体愈密实则需愈大的单位压力。随着贯入位移的改变，土体产生局部剪切破坏，发生相同的贯入位移只需增大较小的单位荷载，因此斜率变大。

图4 不同压实度土体荷载-位移曲线

全风化软岩填料的CBR值见表1，每种压实度取较大值为其实际CBR值。压实度为96%时，CBR值为8.71；压实度为94%时，CBR值为4.69；压实度为93%时，CBR值为3.63，可以看出压实度越大则CBR值越大。3种压实度的全风化软岩填料CBR值都满足承载比要求，可以用作路堤填料，提高压实度能提高路基强度。

表1 不同压实度土体的CBR值

2.3 压缩特性

全风化软岩填料的压缩特性是影响路基沉降的重要因素。依托工程为高填方路堤，路堤中部土体处于侧限状态，故有必要对其侧限压缩特性进行研究。采用单向压缩仪，试样高度为100 mm，直径为150 mm，试验过程见图5。通过添加砝码对其进行荷载施加，应力路径为0—50 kPa—100 kPa—200 kPa—300 kPa—400 kPa—600 kPa—800 kPa。每隔一段时间对其进行读数，当沉降量低于0.01 mm/h时，视为变形稳定，方可添加下一级荷载至结束试验。湿化变形试验采用单线法，待试样在800 kPa的荷载下沉降稳定后，由底座的小孔向试样内缓慢注水，湿化时间至少为48 h，当最后一小时沉降量低于0.01 mm/h时可结束试验。

图5 压缩试验

根据土样沉降量得到土体压缩模量结果见图6，压缩模量体现了土体在完全侧限的条件下抵抗变形的能力。随着上部荷载的增大，土体的压缩模量也不断增大；在相同的竖向荷载下，压实度越大则压缩模量越大。

图6 不同压实度土体压缩模量曲线

在压缩过程，土体克服自身黏聚力和内摩擦力排出空气，土颗粒之间发生相对位移并进行压实和填充，使得土体的孔隙比不断减小，密度不断增大，因此压缩模量逐渐增大。压缩初期土体内部的孔隙较大，施加较小的压力就会产生较大的竖向变形，土体处于弹性变形阶段，因此加载初期压缩模量曲线斜率较小。随着上部荷载的增大，土体处于弹塑性变形阶段，土体受到挤压更加密实，施加相同的压力只能发生较小的形变，因此孔隙比的变化率越来越小，压缩模量的增长越来越平缓。压实度较大的土体在加载初期斜率越大，是因为其孔隙比较小，产生相同的变形则需要更大的压力，因此斜率较大。可见压实系数对于全风化软岩填料的压缩特性产生了较大的影响，提高压实度对于降低路基沉降具有重要意义。

图7为不同压实度软岩湿化变形量，可以得出软岩填料饱水后会产生一定的沉降量。湿化变形率指的是在同级应力作用下，浸水前后试样的变形量差值与试样初始高度的比值，3种压实度对应的湿化变形率为2.03%、3.24%、3.86%。可见随着压实度的增加，填料的湿化变形率越小。当压实度达到93%时，浸水饱和后试样的湿化变形率总体不高。

为了便于比较，采用压力间隔为100～200 kPa时对应的压缩系数来评价土的压缩性。当压实度为96%和94%时，压缩系数分别为0.066、0.080，土体为低压缩性土；当压实度为93%时，压缩系数为0.100，土体属于中压缩性土。

图7 不同压实度软岩湿化变形量

3 沉降特性分析

在高填方全风化软岩路基填筑过程中，对其土体强度和稳定性有一定要求，特别是其填料风化程度较高，强度较低，施工后容易产生变形和不均匀沉降。填料压实度和含石量是高填路堤沉降量的重要要影响因素，采用上述试验以及地勘报告为依据，利用MIDAS gtsnx对特殊高填路堤断面进行沉降变形研究。

3.1 数值模型

特殊地段高填路基路基宽度为26 m，高度为20 m，采用台阶式边坡填筑每隔约8 m设置台阶，台阶宽度为2 m。边坡坡率为(1∶2)～(1.0∶1.5)，数值模型见图8。地基参数见表2。

图8 数值模型

表2 地基参数

各层土体均采用摩尔-库伦本构模型，褥垫层和CFG桩采用弹性模型。正常工况添加重力荷载，边界侧向对进行x、y向约束，底面对其进行x、y、z向约束，施工阶段定义为应力。施工过程中对软土地基进行地应力平衡，路堤采用分层填筑的方式进行施工模拟。

3.2 压实度对高填软岩路堤沉降特性的影响

为研究压实度对高填软岩路堤沉降特性的影响，取含石量为25%，不同压实度下高填路堤填料的材料参数见表3，其余材料参数见表2，建立数值模型对路堤沉降量受填料压实度的影响进行研究。

表3 材料参数

不同压实度条件下路堤沿中心线沉降特性见图9，随着路堤深度的增加，路堤的沉降量也增加，最大沉降出现在路堤中下部位；由于路堤底部褥垫层模弹性模量较大，因此随着路堤深度的增加，沉降量逐渐减小。压实度为98%、96%、94%、92%下路堤的最大沉降分别为10.24、10.45、10.87、11.12 cm，可见随着压实度越大，路堤工后沉降越小，但沉降量差距不大。因此压实度对路堤沉降量的影响较小，依靠提高压实度来减小路堤沉降的施工工艺不是很经济，实际施工过程中要依据填料参数选择合理经济的压实度。

图9 不同压实度的路堤沉降量

3.3 含石量对高填软岩路堤沉降特性的影响

为研究含石量对高填软岩路堤沉降特性的影响，模拟工况为4种不同含石量软岩填料路堤的沉降，取压实度为96%，含石量分别为10%、25%、55%，其参数见表4。

表4 不同含石量材料参数

不同含石量条件下路堤沿中心线沉降特性见图10，随着路堤深度的增加，下部路堤受到的荷载越来越大，因此沉降量越来越大，而底部地基的刚度大于上部路堤，因此沉降最大值发生在路堤高约1/3处，而并非发生在路堤底部，路堤的沉降量随着深度的增加而呈先增大后减小的趋势。含石量为85%、55%、25%、5%时下路堤的最大沉降分别为11.18、10.21、10.45、12.32 cm，可以看出软岩填料含石量对路堤沉降特性有一定影响，沉降量随含石量的增加呈先减小后增大的趋势。随着含石量的增加，粗颗粒发挥骨架作用越明显，细颗粒起到填充孔隙作用，土石混合软岩填料的结构形式由悬浮-密实结构逐渐转变为骨架-密实结构，填料的密实度增大，抵抗变形的能力变强，工后沉降减小。随着含石量的继续增大，细颗粒无法完全填充粗颗粒之间的间隙，导致密实度下降，因此沉降量增大。在路基填筑时，应当选择含石量为55%左右的软岩填料进行填筑。

图10 不同含石量的路堤沉降量

4 结论

a)压实度为96%、94%、93%全风化泥质软岩的膨胀率在1.29%～1.87%，不属于膨胀土范畴。压实度越大则CBR值越大，且压实度为96%、94%、93%的全风化软岩填料均满足路堤承载比要求，可以用作路堤填料。

b)压实度越大则压缩模量越大，在压缩初期压缩模量曲线斜率较大，压缩后期压缩模量随竖向应力的增大而缓慢增加。3种压实度对应的湿化变形率为2.03%、3.24%、3.86%，湿化变形率较低。压实度为96%和94%的土样为低压缩性土，压实度为93%的土样为中压缩性土。

c)随着路堤深度的增加，软岩高填路堤沉降呈先增大后减小的趋势，且最大沉降发生在路堤高1/3处。路堤填料压实度越大则沉降量越小，但沉降量在数值上差距不大，因此依靠提高压实度来减小沉降量不够经济。

d)随着软岩高填路堤含石量的增加，路堤的沉降量先减小后增大。含石量为55%时，路堤沉降量达到最小，因此选取含石量为55%的软岩进行路堤填筑。