高填方填石路基沉降机理及压实工况方案比选研究.pdf

June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3期（总第2 8 2 期）山西交通科技高填方填石路基沉降机理及压实工况方案比选研究安子阳（山西省公路局州分局，山西忻州034000)摘要：为进一步推广高填方填石路基在山区公路建设中的应用进展，提升公路建设的绿色化水平，先以高填方填石路基为研究对象，在深入研究其施工及工后阶段沉降机理和沉降影响因素的基础上，明确了路基压实对其整体施工质量的关键意义；再借助DEA方法中的CCR模型，基于有效性指标对提出的4 项压实工况备选方案进行了比选，最终给出了最佳的压实工况方案。关键词：高填方填石路基；沉降机理；影响因素；DEA方法；CCR模型；压实工况方案中图分类号：U412.222文献标识码：A文章编号：10 0 6-352 8（2 0 2 3)0 3-0 0 33-0 4Research on Settlement Mechanism of High-fill Rock Subgrade andCompaction Condition Scheme ComparisonAN Ziyang(Xinzhou Branch of Shanxi Provincial Highway Bureau,Xinzhou,Shanxi 034000,China)Abstract:To further promote the application of high-fill rock subgrade in mountainous highwayconstruction and improve the greening of highway construction,focusing on high-fill rock subgrade,thispaper deeply studied the construction and post-construction settlement mechanism and its influencing factors,and clarified the key significance of subgrade compaction to its overall construction quality.Based oneffectiveness indexes,four compaction condition schemes proposed in this paper were compared by the CCRmodel from the DEA method.Finally,the optimal compaction condition scheme was obtained.Key words:high-fill rock subgrade;settlement mechanism;influencing factor;DEA method;CCRmodel;compaction condition scheme0引言当前，我国公路工程建设重点正逐步从东南沿海平原地区向西北、西南山区及重丘区转移，山区及重丘区普遍地形地貌条件复杂，路基施工过程中面临更多的“高填深挖”问题，工程填挖方量增长惊人。为满足弃方再利用的绿色低碳施工理念川，以大粒径碎石作为路基填筑料的公路路基结构形式已逐渐成为山区及重丘区公路建设项目中的首选。为了进一步阐明填石路基的沉降机理及影响因素，进而更好地实现对填石路基的压实施工质量控制，本文以山区公路路基施工过程中常见的高填方填石路基为研究对象，先从内外因两方面系统阐述了填石路基的沉降形成机理，进而明确了压实效果对填石路基施工质量的重要意义，再通过DEA方法，比选出了高填方填石路基最佳的压实工况方案，为填石路基的施工质量控制提供了重要参考。高填方填石路基沉降机理及影响因素分析1.1高填方填石路基概述填石路基指采用施工标段内因路堑开挖或山体隧道爆破产生的具有一定强度且满足相应粒径规格要求的石料填筑而成的路堤结构；与传统的填土路基相比，填石路基的填料粒径更大，部分特大粒径填料直径甚至超过50 0 mm，且颗粒间的黏结力几乎可忽略；因石料多选用质地坚硬的花岗岩，这使其具有更高的抗压及抗剪强度和良好的渗水性2 。土石混合料的路用性能研究表明，土石混合料中粒径不低于4 0 mm的石料收稿日期：2 0 2 3-0 2-10；修回日期：2 0 2 3-0 3-13作者简介：安子阳（19 8 7 一），男，山西吕梁人，助理工程师，2 0 14 年毕业于长沙理工大学土木工程专业342023年第3期山西交通科技占比超过7 0%时，方可用于填石路堤施工，此时土石混合料中的石料与土体形成强度更高的“骨架-孔隙”支撑结构，强度主要由石料本身的抗压强度和石料间相互摩擦形成的抗剪强度提供。填石路基的“骨架-孔隙”支撑结构示意见图1所示大粒径碎石填料填石路基断面碎石填料间空隙图1填石路基“骨架-孔隙”支撑结构示意在高等级公路施工实践中，考虑到承重、稳定性、耐久性等诸多因素，填石路基边坡一般采用分层式，尤其在高填方路基中，该形式的应用则更加普遍。对于边坡较低且设计等级较低的路基施工项目，为了施工方便，通常采用整体抛填法施工技术，但由于一次填筑量过大，导致碎石间孔隙较大，路基压实及稳定性等指标较低，故无法应用于高等级公路施工项目。高填方填石路基分层填筑工艺应结合边坡标高、边坡坡率、施工条件等因素合理划定分层数，按照分层填筑、分层压实的流程进行施工，采用分层式边坡的高填方填石路基横断面示意见图2 所示边坡顶面一级边坡台阶浆砌片石护坡级边坡台阶级边坡台阶四级边坡台阶地基图2高填方填石路基分层式边坡横断面示意1.2高填方填石路基沉降机理分析从宏观上分析，因填石路基具有容重大、空隙占比高等特点，受自重、机械压实及车辆荷载作用后，填石颗粒在松铺状态下的应力平衡状态将被打破，填石路基经一系列的空隙压实填充、石料本身塑性变形及颗粒空间位置重拍后，将出现较明显的施工阶段及工后运营阶段沉降。从微观上分析，新填筑石料在压实荷载和填石自重的耦合作用下，石料间相互摩擦嵌挤，原有空隙被大幅压缩，此外，因填料接触面增加，经持续的横向剪切和填料摩细后，较大粒径的碎石被剪碎，填料平均体积下降，致使填石路基的表观体积降低，最终表现为路基沉降。填石路基工后在车辆持续荷载、填料自身软化等因素影响的基础上，叠加高填方路基边坡受冲刷、荷载作用影响而出现的边坡局部失稳等情况，致使路基结构应力处于连续重分布状态，填料在局部集中应力作用下出现长期蠕变变形，蠕变过程伴随应力释放，填料空隙被继续填充，随着时间推移最终趋于稳定。与施工阶段不同的是，工后沉降规模更小、周期更长。1.3高填方填石路基沉降影响因素分析通过现场调研和试验研究发现，按照沉降诱发机理的不同，可将高填方填石路基沉降影响因素分为内因和外因两部分；其中，内因主要受填料工程特性、填料颗粒构成等因素影响，外因则主要受填筑空隙、压实质量、车辆荷载及环境条件等因素影响.3。沉降影响因素具体分析结果见表1。表1高填方填石路基沉降影响因素影响因素影响机理影响阶段路基影响路基沉降的工程特性一般指填石的填料强度，对于单轴饱水抗压强度不低于6 0 MPa施工及工程的填石，能够有效降低施工及工后阶段的沉工后阶段特性降规模因路基填料粒径组成直接影响填石路基的骨路基架支撑效果，试验表明，粒径介于50 2 0 0 mm填料施工及的填石对骨架支撑起到关键作用，若该粒径粒径工后阶段范围内的填石占比过低，将导致路基松散，构成造成压实沉降过大高填方填石路基本身具有较高的强度和抗变形刚度，路基沉降大部分来自于空隙压实坡面施工及和填石重分布，若边坡表面处治不良，在压实处理工后阶段作用下大量小粒径填料将从坡面溢出，致使路基空隙率大幅降低，造成大规模沉降压实阶段是高填方填石路基沉降规模最压实大的阶段，通过机械压实能将填石路基的干施工阶段质量密度提升至最高，进而最大限度压缩空隙外率，提升路基强度，减少工后沉降规模因车辆荷载是高填方填石路基工后阶段沉车辆降的主要影响因素，对于重载、大交通量路工后阶段荷载段，在车辆荷载的反复作用下，填石路基工后沉降规模将增加地基承载能力的空间分布不均匀容易诱发填石路基的不均匀沉降，进而导致路基后环境施工及期开裂；如遇雨季施工，大量积水从路基顶条件工后阶段面及边坡坡面渗人，致使填石路基空隙率增加，在车辆荷载作用下，引发附加沉降2高填方填石路基压实工况方案比选研究大量工程实践表明，压实质量直接影响到高填方填石路基的整体施工质量，是施工过程中最重要的环节之一，在高填方填石路基压实过程中，压实机械吨位、压实次数、振动压实工况、压实推进速率等均会不同程度影响路基压实效果。本文以高填方填石路基压实施工为研究对象，拟通过DEA方法，对备选的4 项压实工况方案进行综合比选，以优选出最佳的路基压实工况方案，从而提升对压实施工环节的质量控制效果。2.1高填方填石路基常用压实方法概述高填方填石路基压实采用机械压实工艺，由于填石路基的填料粒径均值较大，颗粒单体强度较高，且颗粒间摩阻力较大，这种结构形式导致路基在静荷载作35安子阳：高填方填石路基沉降机理及压实工况方案比选研究2023年第3期用下的可压缩空间不大；为最大限度夯实路基结构，需通过较大功率的振动冲击作用，使颗粒克服彼此间的摩阻力，实现填石颗粒的空间重布3。目前，工程上针对高填方填石路基机械压实常用的方法有振动压实和冲击压实两种。振动压实主要通过压实机械向路基输人振动能，使填石颗粒产生受迫振动后，在无需额外压力的情况下逐步达到稳定的密实状态；通过持续的振动能输人，填石路基内部同时产生竖向动荷载和横向剪切荷载，可同时抵抗竖向地基应力和横向的颗粒间摩阻力，对高填方填石路基具有极佳的压实效果。冲击压实与振动压实的区别在于振动压实的荷载工况为“低幅高频”，而冲击压实的荷载工况为“高幅低频”，将压实机械储备的重力势能连续转化为填石的机械能和内能，通过冲击荷载使高填方填石路基结构更加密实；此外，冲击压实过程中伴随往复滚压，能够提供抵抗填石间摩阻力的横向冲击力，以最大程度减小高填方填石路基的空隙率2-3。2.2DEA方法概述及CCR计算模型构建DEA模型是借助量化规划理论定量分析若干输人与输出指标间有效性的方法，使用该方法在有效性评价前无需给定具体的函数关系，是工程上较为常用的有效性客观评价模型之一。目前，DEA方法体系中常用的有效性评价模型有BCC模型和CCR模型两种，在建立有效性评价模型前，需明确分析对象所包含的决策单元（DMU)数量，并对单个DMU对应的输人及输出指标赋权4-5。本文拟选用DEA-CCR模型对若干高填方填石路基压实效果决策单元进行有效性评价，模型建立过程如下设某有效性评价项目包括n项DMU，单个DMU分别对应m项输入指标和s项输出指标，输人及输出指标全部变量对应的矩阵表述形式见式（1）、式（2）：LLMMM MM(DMu-m)=LLXinMMMMM(xmlLxmiLXmn(i=1,K,m1,K,n)(1)LLMMMMM(DMu-S)=LLYmMMMMMLL(r=1,K,s j=1,K,n)(2设每一项输人及输出指标相应的权重赋值分别为则有v、u 满足式（3）、式（4）：=(U,K,v,K,Um)T(3)u=(uj,K,u,K,u,)（4)CCR模型对应的n个DMU的效率H的表达式如式（5）：之(DMu(j=1,K,n)(5)mV任何DMU的效率H的上限均为10 0%，故存在Vj（j=1,K,n)满足式(6)：之uDMU 1(j=1,K,n)(6)m给定约束条件后，可基于任意一个DMU的效率H建立相应的CCR模型，模型表达式如式（7）：u:yo=HomaxCRPu(j=1,K,n)(7)1TTu0,0式中：y表示任意一个DMU对应的输出指标；表示任意一个DMU对应的输人指标；H。表示所求全部效率指标中的最大值。综上，借助CCR模型，能够定量计算出某个DMU在不同输入及输出变量条件下的效率最优解，进而得出最佳的高填方填石路基的压实工况方案。2.3基于DEA方法的高填方填石路基压实工况方案比选本文以某新建省道项目为研究案例，选取高填方填石路基施工段进行研究，施工前，应根据压实机械振动轮自重、振动轮激振荷载、振动轮激振频率及压实机械推进速率等参数，制定不同的高填方填石路基压实工况，并通过试验段试压后获取压实应力、有效压实深度、路堤沉降量等参数，经方案比选给出最佳的压实工况方案。本文拟采用DEA方法中的CCR模型比选最佳压实工况方案，经现场综合研判，初步给出备选的4 种满足施工技术最低要求的压实工况方案，方案具体内容见表2。表2高填方填石路基备选压实工况方案压实工况振动轮自重/振动轮激振振动轮激振推进速率/方案t荷载/kN频率/Hz(mmin-l)方案1104003530方案2105003060方案3154003530方案4155003060为了全面精准地评估各备选压实工况方案的压实质量和效率，拟选定压实次数和最大压实应力为CCR模型的输人指标，有效压实深度和路堤沉降量为CCR上接第15页362023年第3期山西交通科技模型的输出指标，各指标数据均为现场实测值，各指标值见表3。表3CCR模型输入及输出指标值输人指标输出指标压实工压实次数/最大压实应力/有效压实深度/路堤沉降量/况方案次MPammm方案151.9324.716.58方案252.4316.4514.17方案3102.3117.298.77方案4102.6197.5517.11本文借助matlab软件中的线性规划工具，求解CCR模型下目标函数在对应边界条件下的最值，将表3中所列的输人及输出指标作为模型计算数据，计算结果见表4。表4高填方填石路基备选压实工况方案效率评价结果备选方案效率评价结果备选方案效率评价结果方案10.851方案31.002 5方案21.000方案41.000 0评价结果表明，按照CCR模型计算得出方案3的输人、输出效率最高，在各备选方案均满足施工最低要求的基础上，方案3的施工效率最高，能够最大限度发挥压实施工环节对高填方填石路基总体施工质量的贡献度，因此，可以判定方案3为4 项备选方案的最优选项。留稳定度较大，水稳定性较好，而花岗岩砂粒式沥青混凝土的残留稳定度较小，水稳定性则较差。稳定度和残留稳定度均满足规范要求。3结论借助万能材料试验机对砂粒式沥青混凝土进行三点弯曲、间接拉伸、稳定度等路用性能研究，得出以下结论：a）温度、压力和辐照强度对砂粒式沥青混凝土间接拉伸强度的影响顺序为：温度 辐照强度 压力。b)低温、高压均会使砂粒式沥青混凝土三点弯曲强度降低，路用性能也降低c）在指定置信区间内，砂粒式沥青混凝土的路用性能存在一定的关联性。参考文献：1】刘惠兵.基于正交试验方法的细集料沥青混合料动态模量研3结语本文以某新建省道项目为研究背景，先从微观和宏观两个层面深人研究了高填方填石路基的沉降机理和影响因素，进而明确了压实施工环节对其施工质量的重要影响；再以高填方填石路基压实施工为研究对象，采用DEA方法中的CCR模型，对满足路基压实施工技术要求的4 项压实工况方案进行了有效性程度比选，通过比较效率评价结果，最终认定方案3为最佳压实工况方案。参考文献：1】张荣.填石路基施工技术与质量控制方法研究D.西安：长安大学，2 0 19.2李盛，田文迪，刘玉龙，等.公路填石路基压实工艺优化方法及效果评价.中南大学学报（自然科学版），2 0 2 1（7）：2 36 0-2371.3刘鑫.粗粒料填筑高路堤稳定性分析及施工关键技术研究D长春：吉林大学，2 0 19.4院陈钊，孙景楠，周子龙，等.基于DEA方法的公路工程施工现场安全管理绩效评价研究J.长沙理工大学学报（自然科学版）,2 0 2 2(1)：10 5-114.5 李秀君，邵欣.基于优化DEA模型对公路养护投资决策的有效性研究J.工程管理学报,2 0 2 0（5：8 1-8 5.究J.山西交通科技，2 0 17（6）：2 2-2 6.2周新星.砂粒式沥青混合料的动态力学及界面粘附性能研究D.武汉：武汉理工大学，2 0 16.3羊明.沥青混合料强度研究D.长沙：长沙理工大学，2 0 0 7.4马翔，倪富健，陈荣生，沥青混合料强度试验及模型预估J.中国公路学报，2 0 0 8，2 1（3）：35-39.5 李强，李国芬，王宏畅.受力模式对沥青混合料强度的影响J建筑材料学报，2 0 14,17（5）：8 16-8 2 2.6赵延庆，韦武举，杨建新.沥青混合料强度季节性变化规律研究J.武汉理工大学学报，2 0 0 8,30（9）：4 3-4 5.7罗桑，钱振东，宗海基于灰关联分析的环氧沥青混合料抗弯拉性能研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2008,32(3):393-396.8崔培强，崔培德，吴少鹏，等.橡胶沥青透水混凝土路用性能及VOCs释放行为研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版),2 0 2 2(9):1-10.9万宁，贺求生，张帅，等，聚氨酯/环氧树脂改性沥青混合料路用性能研究J.公路交通科技，2 0 2 2，39（9）：9-15.