高填粉砂质泥岩路基工后沉降技术研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 65 高填粉砂质泥岩路基工后沉降技术研究 杨文俊 中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000 摘要：摘要：近年来随着我国基础建设投入不断加大，新建、扩建、改建等项目路基填方段段均出现不少沉降问题，借鉴高填路基工后不均匀沉降及变形等病害问题分析，本着提高工程质量、就近取材、保护环境、节约能源、降低成本的施工理念，针对本项目粉砂质泥岩的材料特性及工程情况，分析粉砂质泥岩在高填方路基施工过程控制、工后沉降监测，致力于提升粉砂质泥岩在高速公路路基土石方填筑工程施工质量技术研究，为行业相关项目提供经验数据及技术参数，实现共享、共赢。关键词：关键词：粉砂质泥岩；高填路基；沉降控制 中图分类号：中图分类号：U41 0 引言 通过分析高填方路基沉降、变形等病害问题，得出结论为，强化地基处理，减少路基主体工后压缩变形为控制关键。本项目共涉及 13 段高填方路基，填筑材料均为粉砂质泥岩。本文通过简述施工过程工艺控制、工后沉降监测，为同类项目及行业总结经验，提供素材。粉砂质泥岩粘土岩的一种，天然强度低，遇水易崩解、破碎、软化，主要成分为粘土矿物，含少量粉砂质，浸水后，易软化。其组成由微小矿物质，粒径小，层理具有页状或薄片状结构，经外物击打易裂崩解碎裂，透水性差，是一种不良的高速公路路基填筑材料。本项目先后进行 15 次岩石取样检测，单轴抗压强度平均值 47.9MPa。经我部试验母体机构专家论证，粉砂质泥岩CBR值与压实度成线性正比,膨胀率与压实度成线性反比，即粉砂质泥岩经有效处理后可达到高速公路路基填料的设计及规范要求,但适用范围具有一定局限性。1 工程概况 本项目位于九江市武宁县境内，途经上汤乡、船滩镇、澧溪镇，总体呈北-东南走向。线路施工范围主要分布在九江市武宁县，该地区主要岩性为粉砂质泥岩。项目位于亚热带季风气候区，其特点：气候温和，空气湿润，季节分明，雨水充沛。本项目的建设不仅构建了南昌与武汉之间的高速公路联系通道，而且与区域内京港澳高速公路、湖南长浏高速公路、江西昌铜高速公路一起，充分构建起南昌、武汉、长沙三地之间快速便捷的城际交通网络；将京港澳高速（武汉以北段）与大广高速（九江以南段）串联起来，形成一条更为便捷的南北向高速公路通道；同时也强化了大广高速及永武高速公路之间交通转换；此外，本项目还与区域内外其它高速公路相接，可对江西省、湖北省、乃至整个长江中游城市群及整个长江经济带发展战略的实施产生积极的推动作用。2 高填方路基施工优化 本项目利用粉砂质泥岩作为高填方路堤填料，经多重试验比对，取得适合本项目的经验数据，施工过程中首先利用压实机具充分碾压,提高路基填方段压实度,增强填方路基整体稳定性。填筑工序完成后，及时完成防排水措施,完善截排水系统。粉砂质泥岩用于路堤填料关键在于粉砂质泥岩原材料填筑过程应处于完全崩解状态,其次碾压过程应保证压实度标准达到设计要求,从而缩小因粉砂质泥岩湿化、崩解带来的路堤工后不均匀沉降变形。路堤工后变形主要受控于内摩擦角影响,粉砂质泥岩填筑、碾压过程应完全崩解，可缩小路堤填料间的空隙,另外施工过程应加强截排水系统完善,避免因降雨影响造成工后不均匀沉降。粉砂质泥岩路基填筑应充分压碎粗粒填料,以减少湿变形,优先选用湿填充,保证填料含水量达到 10%-12%为宜。为保证粉砂质泥岩填筑路基质量和后期运营阶段稳定性，应重点处理好以下问题：中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 66（1）强化地基处理，确保承载力满足高填方段路基荷载设计参数及承载力要求；（2）填料前及过程中，应确保填料完全崩解；（3）对填料进行充分碾压，夯实，必要时采取强夯或冲碾补强，提高路基的压实度，缩小路基填料之间空隙率，进而限制粉砂质泥岩因颗粒崩解后出现路基不均匀沉陷的质量事故，提高路基整体稳定性；（4）路基施工过程，完善临时排水系统，同步修筑永久防护排水工程，有效预防降水进入造成粉砂质泥岩的二次崩解、软化，引起路基的下沉、滑移；（5）高填方路基填筑施工，布设足够数量的监测点，全过程现场监测。为解决以上问题，针对施工技术方案进行优化：（1）地基处理：严格控制清表厚度及台阶施工，清表后进行复压，对基岩面进行承载力验收，确保满足高填段路基主体结构荷载。铺设未筛分碎石排水垫层至原地面线以上 50cm，分层回填夯实。（2）路基主体施工：严格控制填料粒径（小于 15cm）及分层厚度（小于 30cm），先采用 20T 振动压路机进行第一遍静压，然后进行 1 遍振压，先慢后快，由弱振至强振，碾压速度为 24Km/h,振动频率 30Hz 左右；然后采用 32t 压路机进行补强碾压，振压 4 遍，总压实力度不小于 800KN，振动频率 20-30HZ，振幅 1-1.8mm。填筑每 2m 采用冲击碾压补强（采用双轮三边形自行式冲击压路机，冲击势能 25KJ）,每填筑 4m 采用强夯机进行补强。补强施工后，铺设增强土工格栅。补强施工机理，利用强夯设备或机具，所提供的冲击波和动应力在土颗粒中放射状传播，使填料崩解成更小颗粒，颗粒之间产生瞬时相对运动，土体孔隙中的气体迅速排出或压缩，减小孔隙率，进而形成密实的结构。工班后及时进行压实度及孔隙率检测。（3）及时跟进防护排水工程施工，雨季期间完善工后临时排水系统。（4）在高填方路基两侧坡脚处设置位移边桩，两侧土路肩、道路中心线处设置沉降板。每 50m 设置一处沉降观测断面。3 优化方案应用 3.1 选取试验段 项目根据现场实际施工条件，选取 K21+970K22+270 段作为试验段，该段高填方施工具有代表性，段落长度 300m，最大填土高度 45.4m。图 1 高填方段路基处理设计图 选取该试验段，对优化方案进行逐步应用，分析粉砂质泥岩的高填方段工后沉降控制效果，通过试验段现场监测数据，并进行数理统计及分析，总结推广至本项目全线进行实施。3.2 地基处理 高填方段路基填筑施工前，首先完善原地面临时排水设施，充分排干地表水，开挖临时排水沟并与永久排水设施相结合，根据设计图纸设置相应段落的盲沟及渗沟。路堤修筑范围内，表土剥离后，按规定进行压实，压实度不应小于 93%。K21+970K22+270 段下伏层基岩为强风化粉砂质泥岩，经查表得出，粉砂质泥岩弹性模量 E=0.36MPa，泊松比 v=0.27，粘聚力c=30.1kPa，内摩擦角=24。根据 ANSYS 构建力学模型，沉降变形符合规范要求，实测地基承载力符合要求。分层铺设未筛分碎石排水垫层碾压成型，至原地面 50cm 以上。3.3 主体优化施工 路基填筑前，率先使用全站仪进行位置确认，明确填方坡脚位置后，按要求每侧大于设计边线宽度50cm 作为填筑控制宽度。上料之前利用白灰或石灰洒出方格网，根据土方车标准载荷容量计算出每个方格的面积，每个方格之内只允许卸一车石料，过程中安排专人严格指挥倒土卸车。自卸车容量按每车 20m计算，方格网尺寸为:5m*10m。根据测点布设开展路基填筑施工，填筑前下承层各布设点的填前标高，用以控制各层填筑的松铺厚度，利用水准仪进行复核。填料采用爆破或机械挖出的粉砂质泥岩，松铺厚度按照 35cm 来进行铺设，放线画格，自卸车装运填料至指定区域后，由专业技术人员指挥卸料，再用推土机或平地机推平，严格控制松铺厚度，对于填料中超中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 67 粒径的石料进行剔除或机械破碎处理填保证料粒径不大于松铺厚度的 2/3，最大填料粒径小于 15cm，以确保填筑压实的均匀性和强夯夯实效果。利用平地机在摊铺初平的填石料表面，对细料明显偏少的段落，补平处理，保证填料填满表面大粒径料间缝隙。在整个工作面摊铺平整后，由人工对路基边缘部位进行整平，再测各有效点平均高程、计算平均松铺厚度。填料整平完成后，采用压路机进行压实，压路机组合形式为 20t、32t。碾压从路基填筑段两侧外边缘向中心线进行，横向接头大于 50cm 以上，前后相邻两区段重叠大于 1.5m，碾压全过程达到无单点漏压、死角，碾压均匀无轮迹。常规压实工艺如下：先采用 20t 振动压路机进行第一遍静压，然后进行 3-4 遍振压，先慢后快，由弱至强，碾压平均速度为 34Km/h,振动频率控制 35Hz；然后采用 32t 压路机进行补强碾压，振压 3-5 遍，总压实力度不小于 800KN，振动频率 20-30HZ，振幅1-1.8mm，使该层压实度分别达到 93 区、94 区、96 区压实要求。强夯以最后两击平均沉降量相差不大于3.5cm，及最后两击每击沉降量相差不大于 5cm 的双项指标进行严格把控，得出达到上述要求松铺厚度为50cm 的夯击次数为 3 次。根据规范要求，冲击碾压施工原理及技术参数：利用碾压设备冲击轮的曲线边构成多边形，在行驶动能与冲击轮落差势能相互转换下，对高速公路路基填筑工作面进行静压、揉搓、冲击。其特点在于高振幅、低频率的技术冲击碾压工况下，使填筑工作面下深层土石颗粒充分崩解、挤密，空隙率不断缩减，受冲压填筑体内逐渐接近于弹性状态，相比一般钢轮碾压设备，其压实效率提高 4 倍以上。冲击碾压技术利用错轮方式，轮迹之间相互覆盖加密。沿路基纵向方向，每循环错开轮宽 1 倍，发挥冲击能工作面的波峰效应,将冲击点的均匀满布整体路基填方段，增强整体路基稳定性。本项目冲击压实采用 XG63213C 冲击式压路机，冲击压路机行走速度控制在 8-10Km/h。冲击碾压以线路中心线为对称轴线，将填方段路基分为左半幅和右半幅，充分冲击压实。冲击压实过程沿单幅外缘开始，顺时针行驶至路基填挖交界段，以线路中心线为对称轴，纵向错轮冲压确保满压。冲击碾压速度应严格控制在标准范围内，左右幅每冲击完 3 遍后及时利用平地机刮平，左右幅冲击碾压 6 遍后，再反方向冲碾，直至冲碾 20 遍。图 2 冲压行驶方向图 强夯补强工艺如下：通过分析强夯机性能及型号得出夯点布设采用正方形布设，夯点间距控制在 2D(D为夯锤直径)，夯击遍数为三，第一遍夯点与第二层夯点相邻布设，第三遍夯点布设在一、二遍夯点之间。详细夯点布置如下图：图 3 第一遍夯击点平面布置图 图 4 第二遍夯击点平面布置图 图 5 第三遍夯击点平面布置图 夯点控制；合理的夯点间距、夯实层数控制能够大大提高强夯的加固夯实效果。夯点间距分布过大，会使各夯点间的填料土体得不到充分有效的夯实加固。夯点间距分布过小，会使夯击的填料向已夯击完成的夯坑中侧向挤压、推挤，致使夯坑内侧受挤压塌陷，夯锤斜歪或倾倒，进而影响夯实的效果。夯锤自重 14t，夯锤直径 2m，落距 10m，每击夯击中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 68 能力为 1000-1400KN/m。强夯机就位，夯锤对准夯点位置，采用水准仪或全站仪测量夯锤高程。夯锤吊起至预定标准高度后，待夯锤脱钩自由下落后，吊钩下落起吊，重复测量夯锤标高并于第一次测的原标高相减得出第一次夯击的夯沉量。夯击次数根据夯点的相对沉降量来控制。即采用最后两击平均沉降量相差小于 3.5cm，及最后两击每击沉降量相差小于 5cm 的双项指标来控制。冲碾或强夯施工期间，及时对路基适量洒水，现场冲压时无扬尘。3.4 完善排水工程 路基工程中防护排水工程作为强化整体结构，抵御外界因素影响的重要工序，能有效稳固高填方边坡稳定，有效预防降水进入造成粉砂质泥岩的二次崩解、软化，引起路基的下沉、滑移。通过永临结合的方式，保证施工过程路基成型质量。3.5 沉降观测 为及时了解和掌握路基填筑过程中的位移和变形，预测工后沉降量，控制不均匀沉降，以确保路堤填筑施工安全和稳定，本项目对高填方路基填筑施工进行全过程现场监测。根据监测系统测定的数据预测稳定时间和工后沉降量，监测地表水平位移及隆起情况、地下土体分层水平位移量、路堤顶沉降量。监测点应严格按照设计图纸要求进行布设，并结合边坡的地质情况按照 50m 间距布设一条横断面，在潜在沉降和位移较大地段加密设置监测断面。K21+970K22+270 段共设置 5 个监测断面，每个断面设置 5 个监测点。本项目的路堤填筑段均采用分级填筑分级加载分级碾压的方法，施工期每作业层填筑完成后，同步完成观测一次，若两层填筑施工间隔较长时间，则采取每周完成观测一次，直到本段填方路基施工完成，沉降稳定，路床交验后重新调整观测频率。路床经有关部门验收后，连续测量两个月的观测沉降量小于 8mm，为沉降稳定。K21+970K22+270 段高填方设计填筑 62.5 万方，施工总周期为 65 天，填筑施工期间沿线路设计中线地面沉降速率1.0cm/d 且水平方向位移速率0.5cm/d，工后连续两个月的观测沉降量每月均8mm，满足规范要求。4 结论 本项目挖方总量 550 万 m，填方总量 499 万 m，其中土石比例 1：9，且石方以粉砂质泥岩为主，因此本项目研究高填方粉砂质泥岩路基施工具有代表性，且具有工程价值。同时，由于项目建设就近取材，减少运距，使路基工程施工提前了近 2 个月的施工周期，为项目的总体施工进度提供了保障。在高速公路施工中，路基工程相比桥隧工程，视为柔性结构。路基工程中，填方段相比挖方段，是为柔性结构。为了提高高填方段路基的刚度，建议从三个方面突破解决：（1）保证地基承载力，减少地基基础在路基工后变形、不均匀沉降；（2）收集分析施工过程沉降监测数据、工后沉降监测数据，确保路基填筑压实质量，减少层间压缩变形；（3）减少外部环境干扰主体结构稳定，工后及时完善防排水系统。参考文献 1阮孝辞.浅述冲击压实技术在泥岩路基填筑施工中的应用J.施工技术,2014,04(09):18.2丁静声.多层高填路基变形规律研究J.重庆交通大学学报,2009,10(5):892.3孙超.高填路基沉降影响因素分析J.路基工程,2009,01(12):32.4马贵红.高填路基施工沉降监测与变形控制技术J.云南水力发电,2021,08(13):26.5 于 跟 社.公 路 路 基 施 工 技 术 规 范:JTG/T 3610-2019S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2019:9.