论文部分内容阅读
摘要：基于广西区内存在大量被弃用的炭质岩的现状，文章提出了一种对针对炭质岩填筑路基的填筑新技术方法，结合便捷、经济与保证质量的原则进行炭质岩填筑路基试验段研究，同时提出采用四参数ExpGro2经验法对现场监测到的沉降数据进行预测分析，并系统研究了曲线拟合法在炭质岩路基沉降预测中的适用性。分析研究表明：（1）由现场监测情况揭示了所提出的炭质岩路基填筑新技术效果良好，可推广使用;（2）四参数ExpGro2经验法可较好地预测炭质岩路基沉降变形规律及变形速率发展情况，在实际工程中可适用;（3）研究结果可为炭质岩路基填筑工程提供参考依据，具有一定的社会、理论和实践意义。
关键词：炭质岩;路基填筑;沉降计算;经验计算法
中图分类号：U416.04 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.003
文章编号：1673-4874（2019）10-0007-03
0引言
炭质岩具有易崩解、遇水软化、风化后强度大幅度降低等工程特性，边坡稳定性较差，不能直接作为路基填枓，工程处治费用较高，在工程中往往弃之不用。因此，若采用炭質岩作为高速公路路基填料，不仅需要提出科学合理的路基结构及其施工方法，还需对填筑路基沉降进行准确预测，以确保工后可正常使用。
目前，炭质岩路基填筑方法有路基分层法、包边法、包芯法等，但是实施方案较为复杂，不利于路基填筑施工，迫切需要提出一种针对炭质岩工程特性的路基填筑技术，不仅能充分利用炭质岩作为路基填枓以节约资源，而且能保证炭质岩路基工程的质量。在路基沉降预测方面大致可分为两类，一类是基于本构模型得到沉降数值解;另一类是根据现场监测数据代入经验公式进行计算分析。在实际工程中，基于土体本构模型得到的沉降计算数值解存在一定误差，并且过程复杂，不利于推广使用，因此，工程中常根据现场实测监测沉降数据运用经验公式法预测沉降。常用到的曲线拟合法有双曲线法、Asaoka法、三点法等。双曲线法在一定程度上可反映次固结沉降，在软土地基沉降预测中应用较广，但是只适合分析施工阶段沉降，无法分析工后沉降;Asaoka法是Asooko（1978）基于一维固结方程提出的实用性方法，该法时间间隔的选择对预测结果有一定的影响，而且Asooko法没有考虑蠕变作用的影响;三点法作为我国规范常用方法，所选的三个点的沉降量需要满足一定的要求。
基于上述存在问题，本文针对广西炭质岩的工程特性，提出一种炭质岩路基结构及填筑新技术，同时建立了一种四参数经验计算法对炭质岩路基进行沉降计算及预测分析，为炭质岩填筑路基的推广应用提供基础资料。
1工程概况
河池至百色高速公路起自金城江区拔贡镇北香村，与六寨至河池高速公路连接，止于百色市右江区那务村，与百色至隆林高速公路连接，主线全长179.2km。该公路穿越大量的炭质岩，其形成于泥盆系中统（D2），岩性主要为深灰色薄一中层状泥页岩、灰黑色薄厚层状炭质泥页岩、泥灰岩，灰色中厚层状灰岩、砂岩、硅质岩等，岩性变化较大，炭质泥页岩、泥灰岩具崩解性。
由于炭质岩具有易崩解软化、环境敏感等不良工程特性，不宜直接作为填方路基的填料，若弃之不用不仅造成资源浪费，而且对环境带来一定的危害。因此，需要对炭质岩填料采用合理处治措施以满足CBR填筑指标要求，并且设置良好的排水系统以防止炭质岩在于湿循环下发生崩解软化，影响路基的长期稳定性。现选取河百高速公路K16+800段炭质岩填筑路基作为试验路段进行系统研究，对炭质岩填筑路基进行监测，检验填筑效果。
2 新型炭质岩路基结构及填筑技术
2.1新型炭质岩路基结构
在河百高速公路段存在大量炭质岩，故提出了一种因地制宜的炭质岩路基填筑方法，在保证路基稳定的情况下充分利用了炭质岩。新型炭质岩路基结构如图1所示。
首先，进行初步的筛选，根据经验将强度较低的炭质泥岩排除，只选取炭质页岩、炭质灰岩或者强度较高的炭质泥岩。在填筑时，控制分层厚度，并且进行强夯加固。该新型炭质岩路基充分利用炭质岩，考虑炭质岩遇水软化特性，同时考虑了排水问题，在炭质岩路基下部设置的片石层及碎石层均具有良好的排水性能，路堤側面有一定坡度难以积水，路堤两端设置排水沟。通过以上措施，使得该路基结构排水性能十分显著，保证了路堤自身始终处于干燥的环境，抑制炭质岩的崩解软化，从而保证了路堤的稳定。同时在炭质岩填筑路基的路堤上部采用了土质较好的黏土层。
2.2 新型炭质岩路基填筑技术要点
由于炭质岩具有不良工程特性，以炭质岩作为填料应当提升施工技术，确保填筑路基可正常使用。针对该路基结构提出以下几点主要步骤：
（1）地表清理、整平，测量放样，进行全线中线贯通，控制填土厚度。
（2）填筑试验段。通过试验段确定炭质岩填筑路基压实有关数据以指导施工。
（3）地基处理。清除软弱土，换填合格填料，并在适宜排水的层位采用片石层、碎石层换填;不存在软弱土时，直接填筑片石层、碎石层。片石层底面设置在排水方向向下3%的横坡。
（4）炭质岩填方整平。当填方区一层炭质岩填料上料完成后，按0.5m的松铺厚度摊平和碾压，碾压时压路机行驶速度控制在2km/h之内。
（5）在经过步骤4后的炭质岩填筑层上采用20t以上振动式压路机碾压，进行路床填筑。
（6）施工排水沟。在填筑路堤的同时，在路堤的两側按排水设计的要求施工排水沟，要求排水沟与路堤边坡坡面的急流槽、渗沟等接顺。当排水沟底面高于片石层底面时，应在排水沟下设置排水渗沟或加深排水沟至片石层底面;当排水沟底面低于片石层底面时，应设置泄水孔引排片石层的水至排水沟。
同时，为确保填筑路基质量，应当注意以下事项：（1）雨季施工应做好临时排水设施及预备挡雨措施;（2）用于填料的炭质岩不能为崩解后成泥的炭质岩;（3）严格按每层0.5m的松铺厚度计算卸料密度，由远及近进行卸料;（4）严格控制炭质岩填层厚度和填筑宽度;（5）严格进行炭质岩路基压实度的试验检测;（6）结合永久排水做好施工期间的临时排水工作;（7）每层填筑时，在炭质岩填层面做成2%-4%的横向排水坡，并在路基两侧边坡处每隔10-20m交错设置临时排水沟;（8）路堤坡脚处及时做好临时或永久性排水沟;（9）控制路堤渗水部分的填筑材料，选取水稳性高及渗水性好的填料进行填筑，防止渗透动水压破坏路堤边坡的稳定。 3 炭质岩路基沉降计算分析
3.1炭质岩路基现场监测
为验证炭质岩路基填筑效果，在河百高速公路2标段长老乡路基k16+800段设置沉降盘、测斜管、温湿度计、渗压计、土压力盒等传感器，以监测炭质岩填筑路基的稳定性。沉降盘的布置及编号如图2所示。
图3为炭质岩路基监测点累计填筑-沉降时程曲线，填筑时间为178d。填土高度近似线性增长，而累计沉降量前期增长快，后期逐渐达到稳定。
由图3可以观察到，大致在111d后，炭质岩路基沉降逐渐趋向稳定。实测的炭质岩路基沉降时程曲线属于有界曲线，随着时间的增长，沉降的增量逐渐减小。
3.2 炭质岩沉降计算及预测分析
传统沉降计算方法都过于依赖试验，但是由于炭质岩性质的复杂性以及其他条件的影响，通过试验得到的参数往往是不精确的，而根据实测资料的沉降预测是在取得较为充分的沉降资料的基础上进行的，能综合考虑各种复杂因素对岩土体性质的影响。鉴于此，本文提出一种四参数ExpGro2经验法，同时与常用经典方法进行比较研究，比选出适合炭质岩路基沉降的计算方法。
式中：St——t时刻的沉降量预测值;
S0——初始沉降;
A1，A2，t1，t2——待定参数。
拟合曲线方程的参数如表1所示。
将已知参数模型对t求导，得出ExpGro2法沉降速率曲线，如图4所示。由图4可知，随着时间增加，在加载期间中期以后，沉降速率逐渐为0，满足规范要求。
采用ExpGro2法对河百高速公路K16+800监测点沉降数据进行拟合。拟合结果如图5所示，拟合效果较好。
将拟合结果与其他多种方法进行对比，如后页表2所示。可知ExpGro2法具有较高的相关系数，拟合效果较其他方法更有优势，R2相关系数为0.986，拟合效果最佳。
4 结语
本文基于广西区内有大量废弃的炭质岩的现状，提出了一種充分利用炭质岩的路基结构及其填筑技术方法，并对已应用路基进行监测，进而依据监测数据进行炭质岩路基沉降预测方法适用性分析，得出以下结论：
（1）提出的炭质岩路基结构及填筑方法便于施工，可提高炭质岩挖方的利用率，而且通车后稳定性良好。
（2）通过比选经典的曲线拟合法在炭质岩路基沉降计算的效果，得到ExpGro2法对炭质岩路基沉降预测效果良好，适合推广使用。
关键词：炭质岩;路基填筑;沉降计算;经验计算法
中图分类号：U416.04 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.003
文章编号：1673-4874（2019）10-0007-03
0引言
炭质岩具有易崩解、遇水软化、风化后强度大幅度降低等工程特性，边坡稳定性较差，不能直接作为路基填枓，工程处治费用较高，在工程中往往弃之不用。因此，若采用炭質岩作为高速公路路基填料，不仅需要提出科学合理的路基结构及其施工方法，还需对填筑路基沉降进行准确预测，以确保工后可正常使用。
目前，炭质岩路基填筑方法有路基分层法、包边法、包芯法等，但是实施方案较为复杂，不利于路基填筑施工，迫切需要提出一种针对炭质岩工程特性的路基填筑技术，不仅能充分利用炭质岩作为路基填枓以节约资源，而且能保证炭质岩路基工程的质量。在路基沉降预测方面大致可分为两类，一类是基于本构模型得到沉降数值解;另一类是根据现场监测数据代入经验公式进行计算分析。在实际工程中，基于土体本构模型得到的沉降计算数值解存在一定误差，并且过程复杂，不利于推广使用，因此，工程中常根据现场实测监测沉降数据运用经验公式法预测沉降。常用到的曲线拟合法有双曲线法、Asaoka法、三点法等。双曲线法在一定程度上可反映次固结沉降，在软土地基沉降预测中应用较广，但是只适合分析施工阶段沉降，无法分析工后沉降;Asaoka法是Asooko（1978）基于一维固结方程提出的实用性方法，该法时间间隔的选择对预测结果有一定的影响，而且Asooko法没有考虑蠕变作用的影响;三点法作为我国规范常用方法，所选的三个点的沉降量需要满足一定的要求。
基于上述存在问题，本文针对广西炭质岩的工程特性，提出一种炭质岩路基结构及填筑新技术，同时建立了一种四参数经验计算法对炭质岩路基进行沉降计算及预测分析，为炭质岩填筑路基的推广应用提供基础资料。
1工程概况
河池至百色高速公路起自金城江区拔贡镇北香村，与六寨至河池高速公路连接，止于百色市右江区那务村，与百色至隆林高速公路连接，主线全长179.2km。该公路穿越大量的炭质岩，其形成于泥盆系中统（D2），岩性主要为深灰色薄一中层状泥页岩、灰黑色薄厚层状炭质泥页岩、泥灰岩，灰色中厚层状灰岩、砂岩、硅质岩等，岩性变化较大，炭质泥页岩、泥灰岩具崩解性。
由于炭质岩具有易崩解软化、环境敏感等不良工程特性，不宜直接作为填方路基的填料，若弃之不用不仅造成资源浪费，而且对环境带来一定的危害。因此，需要对炭质岩填料采用合理处治措施以满足CBR填筑指标要求，并且设置良好的排水系统以防止炭质岩在于湿循环下发生崩解软化，影响路基的长期稳定性。现选取河百高速公路K16+800段炭质岩填筑路基作为试验路段进行系统研究，对炭质岩填筑路基进行监测，检验填筑效果。
2 新型炭质岩路基结构及填筑技术
2.1新型炭质岩路基结构
在河百高速公路段存在大量炭质岩，故提出了一种因地制宜的炭质岩路基填筑方法，在保证路基稳定的情况下充分利用了炭质岩。新型炭质岩路基结构如图1所示。
首先，进行初步的筛选，根据经验将强度较低的炭质泥岩排除，只选取炭质页岩、炭质灰岩或者强度较高的炭质泥岩。在填筑时，控制分层厚度，并且进行强夯加固。该新型炭质岩路基充分利用炭质岩，考虑炭质岩遇水软化特性，同时考虑了排水问题，在炭质岩路基下部设置的片石层及碎石层均具有良好的排水性能，路堤側面有一定坡度难以积水，路堤两端设置排水沟。通过以上措施，使得该路基结构排水性能十分显著，保证了路堤自身始终处于干燥的环境，抑制炭质岩的崩解软化，从而保证了路堤的稳定。同时在炭质岩填筑路基的路堤上部采用了土质较好的黏土层。
2.2 新型炭质岩路基填筑技术要点
由于炭质岩具有不良工程特性，以炭质岩作为填料应当提升施工技术，确保填筑路基可正常使用。针对该路基结构提出以下几点主要步骤：
（1）地表清理、整平，测量放样，进行全线中线贯通，控制填土厚度。
（2）填筑试验段。通过试验段确定炭质岩填筑路基压实有关数据以指导施工。
（3）地基处理。清除软弱土，换填合格填料，并在适宜排水的层位采用片石层、碎石层换填;不存在软弱土时，直接填筑片石层、碎石层。片石层底面设置在排水方向向下3%的横坡。
（4）炭质岩填方整平。当填方区一层炭质岩填料上料完成后，按0.5m的松铺厚度摊平和碾压，碾压时压路机行驶速度控制在2km/h之内。
（5）在经过步骤4后的炭质岩填筑层上采用20t以上振动式压路机碾压，进行路床填筑。
（6）施工排水沟。在填筑路堤的同时，在路堤的两側按排水设计的要求施工排水沟，要求排水沟与路堤边坡坡面的急流槽、渗沟等接顺。当排水沟底面高于片石层底面时，应在排水沟下设置排水渗沟或加深排水沟至片石层底面;当排水沟底面低于片石层底面时，应设置泄水孔引排片石层的水至排水沟。
同时，为确保填筑路基质量，应当注意以下事项：（1）雨季施工应做好临时排水设施及预备挡雨措施;（2）用于填料的炭质岩不能为崩解后成泥的炭质岩;（3）严格按每层0.5m的松铺厚度计算卸料密度，由远及近进行卸料;（4）严格控制炭质岩填层厚度和填筑宽度;（5）严格进行炭质岩路基压实度的试验检测;（6）结合永久排水做好施工期间的临时排水工作;（7）每层填筑时，在炭质岩填层面做成2%-4%的横向排水坡，并在路基两侧边坡处每隔10-20m交错设置临时排水沟;（8）路堤坡脚处及时做好临时或永久性排水沟;（9）控制路堤渗水部分的填筑材料，选取水稳性高及渗水性好的填料进行填筑，防止渗透动水压破坏路堤边坡的稳定。 3 炭质岩路基沉降计算分析
3.1炭质岩路基现场监测
为验证炭质岩路基填筑效果，在河百高速公路2标段长老乡路基k16+800段设置沉降盘、测斜管、温湿度计、渗压计、土压力盒等传感器，以监测炭质岩填筑路基的稳定性。沉降盘的布置及编号如图2所示。
图3为炭质岩路基监测点累计填筑-沉降时程曲线，填筑时间为178d。填土高度近似线性增长，而累计沉降量前期增长快，后期逐渐达到稳定。
由图3可以观察到，大致在111d后，炭质岩路基沉降逐渐趋向稳定。实测的炭质岩路基沉降时程曲线属于有界曲线，随着时间的增长，沉降的增量逐渐减小。
3.2 炭质岩沉降计算及预测分析
传统沉降计算方法都过于依赖试验，但是由于炭质岩性质的复杂性以及其他条件的影响，通过试验得到的参数往往是不精确的，而根据实测资料的沉降预测是在取得较为充分的沉降资料的基础上进行的，能综合考虑各种复杂因素对岩土体性质的影响。鉴于此，本文提出一种四参数ExpGro2经验法，同时与常用经典方法进行比较研究，比选出适合炭质岩路基沉降的计算方法。
式中：St——t时刻的沉降量预测值;
S0——初始沉降;
A1，A2，t1，t2——待定参数。
拟合曲线方程的参数如表1所示。
将已知参数模型对t求导，得出ExpGro2法沉降速率曲线，如图4所示。由图4可知，随着时间增加，在加载期间中期以后，沉降速率逐渐为0，满足规范要求。
采用ExpGro2法对河百高速公路K16+800监测点沉降数据进行拟合。拟合结果如图5所示，拟合效果较好。
将拟合结果与其他多种方法进行对比，如后页表2所示。可知ExpGro2法具有较高的相关系数，拟合效果较其他方法更有优势，R2相关系数为0.986，拟合效果最佳。
4 结语
本文基于广西区内有大量废弃的炭质岩的现状，提出了一種充分利用炭质岩的路基结构及其填筑技术方法，并对已应用路基进行监测，进而依据监测数据进行炭质岩路基沉降预测方法适用性分析，得出以下结论：
（1）提出的炭质岩路基结构及填筑方法便于施工，可提高炭质岩挖方的利用率，而且通车后稳定性良好。
（2）通过比选经典的曲线拟合法在炭质岩路基沉降计算的效果，得到ExpGro2法对炭质岩路基沉降预测效果良好，适合推广使用。