山区高速公路的路堤填料蠕变性质以及施工技术研究.pdf

第４２卷，第４期公路工程Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．４２０１７年８月ＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｕｇ．，２０１７山区高速公路的路堤填料蠕变性质以及施工技术研究赵德新（广西滨海公路投资有限公司，广西南宁５３５０００）［摘要］随着高速公路施工技术的发展，山区建设工程不断增多，在山区高速公路的施工中，存在一些路堤填料流变性和施工难的问题，影响整体工程的质量。从路堤填料的特性出发，采用强度折减法建立适合山区高速公路的非线性黏弹塑性流变模型，通过现场的试验研究，得出适合变质软岩路堤的最佳压实方式、松铺厚度、碾压遍数等参数。基于某山区高速公路的路堤，分析路堤填料流变性质及变质软岩路堤技术相关问题，以确保优化制定施工决策，提升施工质量。［关键词］山区；高速公路；路堤填料；蠕变性质；施工技术＋［中图分类号］Ｕ４１６１２［文献标识码］Ａ［文章编号］１６７４—０６１０（２０１７）０４—０３５５—０４ＳｔｕｄｙｏｎＣｒｅｅｐＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＥｍｂａｎｋｍｅｎｔＦｉｌｌｅｒｉｎＭｏｕｎｔａｉｎｏｕｓＥｘｐｒｅｓｓｗａｙＺＨＡＯＤｅｘｉｎ（ＧｕａｎｇｘｉＢｉｎｈａｉＲｏａｄＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＣｏ，ＬｔｄＮａｎｎｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ５３５０００，Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｍｏｕｎｔａｉｎａｒｅａｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｗａｙｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｉｌｌｉｎｇｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ，ｂｙｕｓｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｈｉｇｈｗａｙｂｕｉｌｄｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓｏｆｔｒｏｃｋｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｓａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｏｆａｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓｈｉｇｈｗａｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＥｍｂａｎｋｍｅｎｔＦｉｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｓｏｆｔｒｏｃｋｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｃｉｓｉｏｎｍａｋｉｎｇａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙ［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａ；ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ；ｃｒｅｅｐｆｉｌｌｅｒ；ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ出，伴随着位移反分析方法研究深入，参数反演在０引言［１－５］岩土体流变参数反演方面取得很多的成果，９０山区高速公路在施工中会出现局部失稳或整体年代以来，人工神经网络、遗传算法等智能方法应［６－８］失稳，产生这种现象的主要原因是在进行路基填料用到岩土体本构模型中，文献［９］阐述了弹稳定性设计时忽视了路基失稳源和路基失稳的时空粘塑性模型辨识的方法。山区高速公路的路堤的岩效应。山区高速公路的路基填料失稳破坏从一般都土体流变参数反演的研究已经取得了一定的进展，是在一个位置开始，在动载荷诱导下扩展形成滑裂但考虑山区高速公路路基的岩土体粘塑性力学行为面，这个滑裂面是工程破坏的关键，如果在工程中的填料流变性质还有待于深入。控制好这个关键的部位，对预防路基填料的失稳就１强度折减法有很大的帮助。研究者?用多种方法得到不同类型的路基中的岩土体流变本构模型。流变本构模型是以前研究填料材料力学性质仅考虑了弹塑性，根据试验结果和经验判断，在各种简化条件下得没有涉及流变性，但研究发现很多路基填料的失稳［收稿日期］２０１７－０４－０６［作者简介］赵德新（１９７２－），男，广西崇左人，高级工程师，研究方向：道路与桥梁。 ３５６公路工程４２卷都和岩土体流变有关，当高速公路路基的填料材料作，此时非线性粘弹性流变模型的状态方程为：流变特性不明显时，填料材料内部位移和填料材料σ１＝Ｅε１强度的下降密切相关，强度折减法时深入分析机理·σ２＝Ｅ２ε２＋η１ε２＋σｓ１的重要研究方法。当填料材料的流变特性明显时，·在同样的强度下降情况下，考虑流变特性的位移值σ３＝Ｅ３ε３＋η２ε３＋σｓ１要小于弹塑性计算值，实际情况中填料材料变形数·ｎ－１σ４＝σｓ２＋η３ε４／(ｎｔ)据随时间不断变化。因此，为了让数值计算结果能σ＝σ１＝σ３＝σ４够准确的表示变形随时间的变化，考虑填料材料的流变效应是十分必要的。ε＝ε１＝ε３＝ε４当施加应力σ，且σ＞σ，应力σ保持不１１模型的选取００ｓ２０变，考虑初始条件并进行Ｌａｐｌａｃｅ变换，得到蠕变流变本构模型是描述应力－应变－时间关系模方程：型，本文针对处于高应力和高渗透压中的填料材Ｅσσ０－σｓ１２料，建立能反映山区高速公路的路基填料材料流变ε＝０＋１－ｅ－ｔ＋(η１)ＥＥ特性的本构模型。１２Ｅσ０－σｓ１２σ０－σｓ２本文采用ＮＶＰＢ模型，在恒应力作用，该模型１－ｅ－ｔ＋ｔｎ(η２)Ｅ３η３蠕变方程如下式：ｎ当ｎ＝ｌ时，流变模型只能反映填料的初始蠕变Ｈ（σ－σ）ｔ０ｓε（ｔ）＝阶段以及稳态蠕变阶段；当ｎ＞ｌ时，可以描述材料ｎ－１ηｔ蠕变初始、稳态和加速蠕变。在加速蠕变阶段，模型式中：ｎ为流变指数，其能够反映填料材料加速流的蠕变变形量随流变指数ｎ的数值而变化。变速率的快慢；σ为每一级对应的应力值；ε为０填料材料总应变量；η为点滞系数；ｔ为时间；σｓ为屈服应力。其中，０（σ０≤σｓ）Ｈ（σ－σ）＝０ｓ{）σ０－σｓ（σ０＞σｓ当ｎ＜ｌ时，填料材料应变速率和时间成反比，即为衰减蠕变；当ｎ＞ｌ时，填料材料应变速率和时间成正比，表现为即为加速蠕变。ＮＶＰＢ模型可以较好的描述料材料流变全过程曲线随着流变指数图１填料材料非线性粘弹塑性流变模型Ｆｉｇｕｒｅ１Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｐｌａｓｔｉｃｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｎ的变化。ｐａｃｋｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ１２非线性黏弹塑性流变模型１３模型计算山区高速公路的路基填料材料的非线性黏弹塑为了验证本文的模型，对某一路基填料进行模性流变模型可以描述非线性加速流变特性，ＮＶＰＢ型的验算，其中ＮＶＰＢ模型的Ｅ、η、塑性阙值（σ）模型能反映填料材料的非线性加速流变性质，塑性ｓ的取值见表１。元件σ为应力阀值，保证填料材料流变的变形随ｓ１表１ＮＶＰＢ模型中参数的选取时间而增长。Ｔａｂｌｅ１ＳｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎＮＶＰＢｍｏｄｅｌ下式中：σｓ为非线性黏弹塑性流变模型的总应Ｅ１／Ｅ２／Ｅ３／η１／η２／η３／σｓ／填料力；ε为非线性黏弹塑性流变模型总应变；σ、ＭＰａＭＰａＭＰａ（ＧＰａ·ｄ）（ＧＰａ·ｄ）（ＧＰａ·ｄ）ＭＰａ１粉质黏土２８６３８６２１５５４６３４σ２、σ３和σ４分别为非线性黏弹塑性流变模型的１块石３８７４０８２４６１４１１２２６８～４部分对应的材料的应力；ε、ε、ε、ε为１碎石３５６４００２４１１２９１８５１１２３４～４部应变；Ｅ１、Ｅ２和Ｅ３为非线性黏弹塑性流变由图２可知：路基在水平方向的应力分布呈现模型中的弹性参数；η１、η２和η３为粘性参数；ｎ较好的层次感，而且全部为压应力，破坏模式为圆为流变指数（见图１）。弧形破坏，考虑流变得到的路基压应力有所增加，当０＜σｓ１＜σｓ２＜σｓ时，所有部分都参与工因此考虑流变效应对工程具有重要的意义。 第４期赵德新：山区高速公路的路堤填料蠕变性质以及施工技术研究３５７２１变质软岩填料压实方法静力压实、振动压实、冲击压实是路堤施工压实主要方法，静力压实利用压实机械的自身重力强迫被压实填料发生永久变形，其特点是压实持续时间长，最终应力较大；振动压实利用振动器所产生的激振力，让压实填料作垂直振动，使得颗粒靠近，达到压实的目的。该方法降低填筑体的孔隙图２钻垂方向应力云图比，减少沉降变形。一般选用振动压路机进行山区Ｆｉｇｕｒｅ２Ｖｅｒｔｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍ高速公路的压实，振动压实改变填料颗粒的初始位２路堤施工技术研究置，增大路堤填筑体密实度，针对变质软岩填料岩性较差的特点，振动压实可以通过振动激振力使得山区高速公路的建设存在山区地形复杂，机械变质软岩颗粒破碎，促使颗粒相互填充的程度，达设备进场运输不便，岩性差异较大的问题，另一方到理想的压实效果；冲击压实方式由牵引车带动三面，国家目前提出的“坚持节约优先”的要求，角形压轮滚动，采用静压、揉搓和冲击方式进行碾要求采用填挖平衡的设计方案，都将给山区高速公压，由于冲击式压路机能够持续冲击碾压层，可以［１０－１２］路的施工带来很大的不便。本文在分析山区均匀有效地压实堤填筑体，其工作原理及示意图如高速公路填料流变性的基础上，以变质软岩作为路图３所示。堤填料，研究最佳机械设备组合的施工工艺。图３冲击压实法示意图和工作原理图Ｆｉｇｕｒｅ３ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍａｎｄｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＩｍｐａｃｔｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ变质软岩填料在不同的碾压方式下压实效果不沉降的隐患时，为了在施工中要采用冲击式压路机同，由于本文所研究的山区高速公路的路段的变质进行补充碾压，提高高速公路路堤压实质量。软岩填料中部分粒料粒径大于１５ｃｍ，在实际施工２２碾压松铺厚度过程中先进行２０ｔ的光轮压路机碾压为２遍，打山区高速公路的路基填料的压实会受到碾压松碎大的粒径填料，压实效果见表２。铺厚度的影响，一般来说，松铺厚度越薄，压实质表２不同压实方法的干密度量越好，但考虑成本和工程进度的话则松铺厚度越Ｔａｂｌｅ２Ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ厚越好，为此在施工中确定合理的松铺厚度十分的－３干密度／（ｇ·ｃｍ）压实方法必要，对高速公路试验段在相同压实机械条件下碾Ｐ＝４０％Ｐ＝５０％Ｐ＝６０％Ｐ＝７０％Ｐ＝８０％振动法２０６２０７２０９２０８２０６压６遍（见图４）。由图可知，变质软岩填料在松静压法２０３２０４２０６２０５２０４铺厚度为０～３３ｃｍ范围内压实沉降率与松铺厚度静压法（２次）和２０８２０９２１１２０９２０９振动法成正比，沉降率在高速公路路基的松铺厚度３３ｃｍ由表２可以得出振动压实法相对静力压实法达到较大值。从中可以看出：变质软岩路堤存在一压实效果好，静压法（２次）和振动法结合时压实个理想的松铺厚度，在这种厚度下路堤压实效果较效果最好，填料干密度在静压与振动压实相结合时好。考虑该山区高速公路路段的变质软岩填料强度３偏低，其中有３４９％的２０～６０ｍｍ粒组，该路段比振动压实的情况下大００２ｇ／ｃｍ。在山区高速公路施工中可以采用静力压实与振动压实相结合的变质软岩路堤松铺厚度建议小于等于３０ｃｍ。方法，对于变质软岩填料修筑路堤，会存在不均匀 ３５８公路工程４２卷遍）时，碾压速度（２～５ｋｍ／ｈ）与压实干密度３（２０１～１９３ｇ／ｃｍ）成反比。为了达到同一压实干密度，碾压速度越快，碾压遍数也会越多。比３如，要达到２０１ｇ／ｃｍ的压实干密度，在碾压速度为２ｋｍ／ｈ时，需要进行２遍碾压，碾压速度为５ｋｍ／ｈ时，需要进行８遍碾压。因此，碾压速度太快没法满足压实质量的要求，在施工中应合理的考虑。图４松铺厚度与沉降率的关系Ｆｉｇｕｒｅ４Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｌｏｏｓｅｐａｖ３结论ｉｎｇａｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ综上所述，山区高速公路路堤填料路基潜在破２３碾压遍数坏方式为“压—剪”破坏，考虑流变得到的路基由图５可知：在同一种压实机械作用下，变质压应力有所增加，本文建立的非线性黏弹塑性流变软岩填料的干密度增大程度随着碾压遍数的增加明模型具有较大的工程意义。山区高速公路路堤填料显减弱，而且当碾压遍数超过一数值时，填料干密的压实效果采用静力压实与振动压实相结合的方度基本保持不变，由此可以看出，碾压遍数在对干法，在考虑施工成本的条件下确定最佳碾压遍数，密度影响较大，但碾压遍数过度地增加，填料干密变质软岩填料的最佳松铺厚度３０ｃｍ，针对其施工度不会随之增大。难点问题，可以理论联系实际，优化路堤填料的施工技术，加强不同压实方法的施工技术应用，保证高速公路的施工质量。［参考文献］［１］薛琳，杨志法，郑玉亭确定流变岩体力学参数及地应力的位移反分析法［Ｊ］地质科学，１９８６（４）：４５－５１［２］Ｙａｎｇｚｈｉｆａ，Ｗａｎｇｚｈｉｙｉｎ，ＺｈａｎｇＬｕｑｉｎｇＢａｃｋａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖｉｓｃｏｅ图５碾压遍数与干密度的关系ｌａｓｔｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｎａｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］ＩｎｔＪＲｏｃｋＦｉｇｕｒｅ５ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｏｌｌｉｎｇｐａｓｓｅｓＭｅｃｈＭｉｎＳｃｉ＆ＧｅｏｍｅｃｈＡｂｓｔｒ，２００１，３８：３３１－３４１ａｎｄｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ［３］刘怀恒地下工程位移反分析原理应用及其发展［Ｊ］西安矿业学院学报，１９８８，８（３）：１－１０２４碾压速度［４］王芝银，李云鹏地下工程位移反分析法及程序［Ｍ］西安：施工中碾压速度对路堤填筑体的密实度有很大陕西科学技术出版社，１９９３的影响，碾压速度太快会影响碾压层平整度，碾压［５］李云鹏，王芝银粘弹性位移反分析的边界元法［Ｊ］西安矿速度低时，作用在填料上的振动次数要更多，能量业学院学报，１９８９，９（１）：１７－２４更大。图６为高速公路路段碾压速度和压实干密度［６］郑智能，张永兴，董强，等边坡落石灾害的颗粒流模拟方法关系曲线，由图６可知：碾压遍数相同（碾压２［Ｊ］中国地质灾害与防治学报，２００８，１９（３）：４６－４９［７］曹树刚，边金岩石蠕变本构关系及改进的西原正夫模型［Ｊ］岩石力学与工程学报，２００２，２１（５）：６３２－６３４［８］高玮，郑颖人基于遗传算法的岩土本构模型辨识［Ｊ］岩石力学与工程学报，２００２，２１（１）：９－１２［９］孙钧岩土材料流变及其工程应用［Ｍ］北京：中国建筑工业出版社，１９９９［１０］中华人民共和国交通部《公路路堤施工技术规范》（ＪＴＧＦ１０－２００６）［Ｓ］人民交通出版社，２００６［１１］沙爱民，贾侃填石路堤施工技术［Ｓ］人民交通出版社，２００７图６碾压速度与干密度的关系Ｆｉｇｕｒｅ６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ