大粒径块石填筑路基稳定性分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-02-20作者简介：苏耀东（1991），男，山东聊城人，硕士，工程师，研究方向为公路工程。大粒径块石填筑路基稳定性分析苏耀东1，姚鸿飞2，畅晓钰3（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101；2.陕西交控科技发展集团股份有限公司，陕西 西安 710075；3.山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030000）摘要：大粒径块石作为路基施工中的重要填料，对路基稳定性有重要影响。结合室内试验，分析了影响路基稳定性的主要因素，在此基础上，考虑结构内因素和外部影响，建立了试验分析模型，采用动态压力传感器测定不同埋深的应力，模拟分析了不同埋置深度时路基动荷载的变化情况，确定了大粒径块石的最小埋置深度，以保证路基的稳定性。关键词：大粒径块石；填筑路基；稳定性分析中图分类号：U416.1文献标识码：B0 引言大粒径块石具有强度大、延性稳定等优势1。路基施工所用石料主要为经破碎处理的小粒径材料，而在越来越多的山区公路项目背景下，填筑材料匮乏问题较突出，利用大粒径块石填筑路基尤为迫切。1 大粒径块石路基的稳定性分析研究表明2-3，大多数工程将大粒径块石的最大侧面放置于底部。由于该面面积较大，经压实后能够具备良好的承载能力。为确保块石水平方向上保持稳定，需要块石附近填料能够提供充足的支持力，即保证块石周围没有难以压实的土体。1.1 室内试验本研究将检测经压实处理后两块大粒径块石之间及附近土石混合料的压实情况，对比评估块石周围是否存在难以压实的土体。在大粒径块石之间的不同位置布设土压力盒，以获取土压力来辅助判定试验结果。1.2 试验结果土石混合料试验指标数据见表1，经标准夯击处理后土石混合料压实度及土压力如图 1 所示。由图 1 可知，经标准夯击处理后，块石附近及相距较远位置的土体压实度较为接近，且其土压力值几乎相同，这表明块石周围不存在难以压实的土体。表1 土石混合料试验指标数据122.532.264.3175.8770.4892.9991.7062.6010.110.51编号坑槽大小/dm2土石重/kg石重/kg密度/（kg/dm3）含石量（%）3456789101112132.032.262.732.542.402.403.112.692.192.332.584.7893.8226.2265.2025.3885.3888.9665.3114.0655.1995.9441.8720.4592.1521.4781.88241.8824.3941.3640.6781.6742.1262.3591.6912.2812.0482.2452.2452.8831.9741.8562.2322.3040.390.120.350.280.350.350.490.260.170.320.36表1（续）编号坑槽大小/dm2土石重/kg石重/kg密度/（kg/dm3）含石量（%）块石附近填料是否能够被充分压实，对于路基结压实度土压力编号1234567891011126.606.556.506.456.406.356.301.21.00.80.60.40.20.0土压力/kN压实度/MPa图1 经标准夯击处理后土石混合料压实度及土压力85总653期2023年第23期（8月 中）构稳定性具有重要影响。根据表1和图1可知，经标准夯击处理后的土石混合料具有良好的压实度，未发现难以压实的土体。同时，该试验结果也表明经压实处理后，块石也可向路基侧面提供可靠侧向支撑，提升块石路基的稳定性。大粒径块石用于路基填筑大多会选择最大平面布放，避免石料侧面、路基间呈锐角的情况，以保证路基填料能够更为充分压实。此外，受强夯加固的作用，超大粒径将发生一定程度的整体下移，并嵌入至下层路基填料内，受到块石侧限影响，填料可以在块石间充分压实，提升块石路基的整体稳定性。因此，借助合理的块石布放及施工工艺，可有效保障块石路基稳定。2 大粒径块石的最小埋置深度车辆荷载作为主要的外部影响因素，经由路面向路基传导，对于大粒径块石填料的影响主要可归为沉降及扰动两个方面。由于荷载传导过程中经由路面、路基分散，使得块石所受力作用近于均布。同时，大粒径块石填料的底部承载能力较大，因此静载所引起的沉降、扰动对于块石路基稳定性的影响较小，而动荷载才是带来扰动的关键因素4。当大型车辆驶过时，路面不平整将引起车轮组冲击路面，这一冲击主要受路面平面度、车辆荷载水平的影响。对于大粒径块石路基而言，这一冲击将引起块石下部及周围路基产生不均匀沉降，导致路基破坏等问题。为确保大粒径块石路基稳定性满足要求，应尽可能降低上部动荷载对块石的影响。荷载经由路面、路基传导，其冲击能量将发生快速衰减。本研究主要控制块石距路基顶面的最小高度，使得传递衰减至块石处的荷载水平处于可接受范围，即施工时应严格把控大粒径块石的最小埋置深度。2.1 室内试验模型试验模型采用长218 cm、宽109 cm的试验槽，填筑60 cm厚土料后充分压实。试验中施加冲击荷载所用夯锤的底面尺寸为23 cm、质量为30 kg。借助动态压力传感器测定瞬时应力，传感器竖直向上布置，用于采集竖直向下动荷载。控制夯锤分别自 30 cm、50 cm、80 cm高度处自然下落。采集各夯锤冲击产生的峰值动应力，试验结果见表2、图2。表2 夯锤冲击试验结果102030802.381.650.542.31.710.422.021.550.442.221.670.552.421.310.5传感器埋置深度/cm夯锤冲击高度/cm动应力/kN1#2#3#4#5#10203010203050302.121.40.631.490.860.432.011.140.391.891.090.231.851.030.41.520.870.281.891.260.481.651.170.361.861.390.51.470.930.45表2（续）传感器埋置深度/cm夯锤冲击高度/cm动应力/kN1#2#3#4#5#借助 ABAQUS 建立有限元分析模型并进行数值分析。模型选择室内试验结构的1/2，即建立218 cm长、54.5 cm 宽的试验槽模型。模拟夯锤分别自 30 cm、50 cm及80 cm高度处自然下落，采集夯锤冲击瞬间土体下0.5 m处的动应力值，设定步长为0.05 m，所得数值模拟结果见图3。由图2、图3可知，数值模拟与试验实测得到的动应力值较为接近，可以近似反映出动荷载峰值水平，且按照变化趋势能够较为精准预测动应力变化，这也2.52.01.51.00.50.0峰值动应力/kN夯锤冲击高度为80 cm夯锤冲击高度为50 cm夯锤冲击高度为30 cm1015202530传感器埋置深度/cm图2 传感器埋置深度与峰值动应力的对应关系0.00.10.20.30.40.5采样深度/m43210动应力/kN夯锤冲击高度为80 cm夯锤冲击高度为50 cm夯锤冲击高度为30 cm图3 数值模拟结果86交通世界TRANSPOWORLD表明试验模拟法有效。2.2 实测车辆动荷载通过实测车辆动荷载能够掌握动荷载变化基本规律，构建动荷载的施加模型。以某国道为试验段，沿单车道以2 km为测试区间开展试验。当测试仪器架设并调试完成后，采用相同型号试验车分别以30 t及42 t载重在试验路段匀速行驶，并调整车辆速度以 10 km/h 增幅自 10 kmh 提升至 60 km/h，测定记录车辆在实际速度下通过试验路段的动荷载，结果见图4。2.3 车辆动荷载模型车辆荷载主要受行驶速度、路面状况及车辆构造等因素影响。路面状况通过路面平整度来体现，其他条件相同的情况下路面平整度直接决定着车辆动荷载。综合考虑当前已有车辆动荷载模型相关研究，本文选择稳态正弦波动公式来表征路基动力响应规律。30 t及42 t 载重下，车辆动荷载模型不同车速的仿真数据见图5。由该图可知，对比试验实测数据和数值模拟结果较接近，这印证了该模型的可行性，可对不同行驶速度下车辆的动荷载做出准确预测。2.4 动荷载数值模拟对比验证道路模型、车辆荷载模型准确有效后，对半刚性路面路基做数值进行模拟分析。本研究分别设定 40 km/h、60 kmh、80 km/h及 100 km/h行驶速度。按照图4给定的动荷载数据即可计算得到各速度下的荷载作用数据，见表5。表5 各速度下的荷载作用数据车速/（km/h）406080100荷载P/kN2.2725.1189.09814.215圆频率/（/s）23.25934.90746.54258.178周期/s0.270.180.1350.108分别设定40 km/h、60 kmh、80 km/h及100 km/h行驶速度，对30 t及42 t载重下做汽车动荷载进行模拟分析，得到各速度下荷载作用在单周期内的变化情况。根据上述不同速度下动荷载数值模拟结果对观测路段的路面模型施荷，并提取路基不同深度处动应力响应值。相同行驶速度下 30 t载重试验对应动应力较42 t载重试验更小，且两试验动应力皆随行驶速度的提11.010.510.09.59.08.58.0车速/（km/h）2030405060（a）30 t载重动荷载/t14.013.813.613.413.213.012.8动荷载/t18243036424854车速/（km/h）（b）42 t载重图4 车辆动荷载试验数据11.010.510.09.59.08.58.07.514.013.813.613.413.213.012.8182430364248542030405060车速/（km/h）（a）30 t载重（b）42 t载重车速/（km/h）动荷载/t动荷载/t图5 车辆动荷载仿真数据87总653期2023年第23期（8月 中）升而下降，这一结果与前文试验、模拟结果相同。这主要是由于行驶速度越高，车辆作用于路面的时间越短，因此导致动应力、行驶速度呈负相关关系。本研究按照动荷载产生应力Z/B=0.1为标准定义工作区深度，分别取数值模拟结果中随深度改变试验车产生的动应力Z与路基土自重产生的垂直应力B的比值，得到各行驶速度下的路基工作区深度（见表6）。表6 不同轴载和行驶速度下的路基工作区深度轴载/kN100140速度/（km/h）406080100406080100工作区深度/m1.450.980.790.721.821.331.21.082.5 大粒径块石的最小埋置深度为探究不同设计等级公路对应路基工作区深度的变化规律，选择不同设计等级公路中较为典型的结构组合层及其厚度，见表7。车辆速度分别遵照不同等级公路的设计车速来确定，扣除路面厚度后的数值模拟结果见图6。表7 不同等级公路的设计车速及路面结构厚度公路等级设计车速/（km/h）结构组合层厚度/cm（沥青混凝土+二灰碎石+砾石砂）高速公路10015+45+15一级公路8012+45+15二级公路8012+40+15三级公路609+35+15由图6可知，扣除路面厚度后的工作区深度数值模拟结果分布于1.141.45 m的范围内，因此可规定大粒径块石的最小埋置深度为1.5 m。3 结束语为明确大粒径块石路基的稳定性，本文借助室内试验，利用有限元法分析探究了大粒径块石性能。研究发现：通过调整块石布放间距，经压实处理后块石附近填料能够提供可靠支持，且避免出现难以压实的土体；综合比对动荷载试验、数值模拟，明确了不同设计等级公路的工作区深度，即高速公路的工作区深度以1.141.45 m为宜，因此可规定大粒径块石的最小埋置深度为1.5 m。参考文献：1 王延忠，刘长瑞，孔振中，等.交通荷载作用下大粒径土石混合料路堤沉降特性分析J.黑龙江交通科技，2022，45（6）：1-3.2 姜宏.建元高速公路陡坡地段土石混填路基压实质量及稳定性研究D.成都：西南交通大学，2021.3 聂旭翠.大粒径块石路基填筑技术研究J.交通世界，2019（34）：62-63，71.4 冯雷.超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究D.天津：河北工业大学，2015.高速公路一级公路二级公路三级公路公路设计等级轴载100 kN轴载140 kN2.01.61.20.80.40.0工作区深度/m图6 不同设计等级公路的工作区深度（上接第84页）不再像原沥青呈热塑性状态，故能很大程度地提高沥青的耐疲劳性能和高温稳定性。本文依托实际工程，研究发现沥青与环氧组分11.4进行环氧沥青的配制，混合料的最佳油石比为5.5，施工后各项技术指标均满足要求，可以作为高速公路路面材料，保障高速公路路面性能长期稳定。参考文献：1 马亮亮.环氧沥青混凝土在高速公路路面施工中的应用J.交通世界，2022（11）：21-24.2 赵艳玲.环氧沥青混合料时温特性研究J.山西建筑,2019，45（12）：87-88.3 耿彦东.路用环氧沥青混凝土特性及施工关键技术J.交通世界，2020（14）：47-48.4 莫德兴.环氧树脂改性沥青路用性能研究J.西部交通科技，2020（9）：47-49.88