基于新型填筑技术的高速公路炭质岩路基沉降分析
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作者:彭庆航
摘要：广西平天高速公路项目的炭质岩路基存在易碎裂、崩解的特性，为对其路基进行合理有效的填筑，文章提出了一种新型炭质岩路基填筑技术，并对填筑后的路基进行沉降变形监测分析。结果表明：新型炭质岩路基填筑技术可实现在填筑路基的上部封堵地表水，在下部排出内部水的目的，很好地保持了路堤内部的干燥状态，抑制了炭质岩的崩解软化，达到了预期的填筑效果；新型炭质岩路基结构及填筑技术利用现场原有的炭质岩进行填筑，提高了资源利用率，同时起到了保护环境、节省施工成本的作用；路基沉降变形监测过程中，各监测断面的各项监测指标均未超警戒值标准，并处于稳定状态，证明了炭质岩路基结构与填筑方式的可行性，具有良好的工程应用价值。
关键词：高速公路；炭质岩路基；填筑技术；沉降分析
中图分类号：U418.6+2-A-20-058-4
0 引言
近些年来，随着我国经济水平的不断提高，公路交通快速发展。高速公路通过山区特殊位置时会遇到炭质岩地层，炭质岩因其遇水软化后强度明显降低［1-2］，会给公路施工带来一定的影响。高速公路修建过程中会对路基进行填筑施工，以控制路基沉降变形，而炭质岩因其易吸水崩解，不可以直接作为填筑使用的填料，给施工带来不便的同时，也大大增加了成本［3-4］。
基于常规的路基填筑方法［5-6］，本文提出一种适用于炭质岩地区坡地的炭质岩路基结构及填筑技术：通过在路基上、下部分别设置封水层和排水层，以达到及时封堵地表水和排出内部水的目的，保持路堤内部干燥状态，抑制炭质岩的崩解软化。该新型路基填筑技术适合于炭质岩地区的路基填筑施工，既可达到预期的加固效果，又节约了成本，具有很好的工程实践价值及良好的技术推广空间。
1 工程概况
本文以广西天峨至北海公路项目为例，对新型填筑技术下的高速公路炭质岩路基沉降进行分析。平塘至天峨高速公路（以下简称平天高速公路）广西段第3标段起讫桩号为K29+650～K51+542，路线全长21.892 km，采用双向六车道设计，设计时速为100 km/h，整体式路基宽度为33.5 m，分离式路基宽度为16.75 m。其中，K35+440～K45+460段处于炭质泥岩区域，炭质泥岩段挖方量约为374.7万m3，从经济与环保方面考虑，该工程此路段内采用炭质泥岩进行路基填筑。
项目所在地区属亚热带季风气候，年均气温为20.6 ℃，每年的5～8月为雨季，年均降水量为1 200～2 000 mm，冬季少雨。
地形地貌主要为剥蚀低山地貌，地势较高、地形起伏较大，地层主要为三叠系中统砂岩、泥岩、页岩、泥质灰岩。沿线岩层产状变化较大、揉皱明显、岩体破碎、断裂构造较发育，不良地质现象主要为岩土层的滑坡、崩塌、泥石流等。地形被侵蚀切割强烈，山岭陡峻挺拔，呈尖削的鱼脊状，地表水系呈放射状发育。
2 新型炭质岩路基填筑技术
2.1 炭质岩的物理及力学特性
炭质岩是一种含有大量分散的炭化有机质的黑色或灰黑色、能污手的岩石，其主要成分是高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等黏土矿物，黏土矿物含量通常＞50%。炭质岩是由大量炭化的有机质均匀分散于泥质岩中形成的。
炭质岩的主要物理及力学特性是初始强度较高、L化崩解性强、CBR值较低，不适合作为路基填料。平天高速公路路基炭质岩的含炭量低，TOC数值也相对较低，岩石相对更坚硬稳固，但干湿循环条件下的耐崩解速度较快，详见表1。大部分路基的CBR值≥3，满足炭质泥岩路基填料选用的条件，详见表2。当炭质泥岩的CBR＜3时，将其作为弃土运至弃土场。
2.2 新型炭质岩路基结构
由于炭质泥岩具有易风化性、遇水易崩解性，无法使用常规的路基结构与填筑方法，因此本文提出一种适用于炭质岩地区的炭质岩路基结构及填筑技术：通过在路基上、下部分别设置封水层和排水层，以达到及时封堵地表水和排出内部水的目的，保持路堤内部干燥状态，抑制炭质岩的崩解软化。具体结构见图1。
底层填筑一层厚0.5 m的片石层，其上铺筑一层厚0.3 m的碎石层，再上为炭质岩填筑层，最上面为路床和路面结构层。路床采用黏土类路床合格填料填筑，路基两侧采用2 m宽的黏土包边同层填筑，将炭质岩层包裹起来，减少其与雨水的接触。此种路基结构能极大地减少炭质岩因遇水易崩解而造成的损失，最大限度地对现场的炭质岩进行利用，在提高施工效率的同时，节约成本。
2.3 炭质岩路基填筑关键技术
平天高速公路炭质岩路基与常规路基不同之处在于利用了大量不宜作为填料的炭质岩，与常规填筑技术不同之处在于下部设置了排水结构层，上部设置了封水层，使路堤全阶段能一直保持干燥的状态，有效杜绝了炭质岩遇水软化崩解的情况，极大地提高了路堤稳定性。
为防止雨水侵害，应尽量选择在旱季施工，如有必要在雨季施工，必须提前做好措施遮挡雨水，比如下雨时在填筑层及填料堆场用彩条布或者塑料薄膜进行临时遮挡，并应同时设置临时排水设施。施工期间设置的临时排水设施应与之后的永久性排水设施相适应，避免后期工程量增加。
平天高速公路炭质岩路基填筑过程中会遇到一些关键施工技术，具体归纳如下：
（1）当高路堤段基底存在软弱下卧层时，需要处理加固地基，对基底进行换填开山石渣等粗粒料或采用路堤挡土墙以及路肩挡土墙等支挡结构物。
（2）当地基为一般土质地基时，应先清除表土至地基天然硬土，后夯（压）实基底。对自然地面陡于1∶2.5且填土高度＞20 m的高填路堤，则沿路基纵向开挖台阶处理并设置土工格栅。
（3）为减少路基沉降，采取强夯、冲击碾压等措施增强补压，以消减高路堤的差异变形。全线高填方路基优先安排施工，确保不少于1个雨季的自然沉降时间。
（4）为减少高路堤的不均匀沉降，同时保证路基的稳定性，将两层土工格栅分别铺设在距路床顶部以下0.3 m和0.8 m处，在增加路堤本身整体稳定性的同时可以起到扩散应力的作用，使地基受力、沉降更为均匀。
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2.4 路基填筑施工工艺
平天高速公路炭质岩路基填筑方法采用“水平分层填筑法”。具体施工工艺步骤如图2所示。
2.5 路基填筑质量控制
为保证施工质量，平天高速公路炭质岩路基填筑施工过程中采取了以下质量控制措施：
（1）对施工图设计文件中所提供的坐标、高程进行核查，确认无误后方可对照实施。
（2）使用压实机械自重≥26 t的振动压路机。
（3）CBR＜3的炭质泥岩严禁用于路基填筑。
（4）保证压实密度，降低孔隙比。
（5）在最佳含水率时压实，防止岩块崩解变形。
（6）填方边坡坡率宜为1∶1.5，加大边坡平台宽度，保证路基坡脚稳定，适当加宽边坡包边土厚度。
（7）在填筑完成后观测路肩与中央分隔带沉降差和填挖交界差异沉降，防止路基不均匀沉降导致后期路面脱空。
（8）坡顶、平台水沟及截水沟要做好封闭措施。
（9）填挖交界处要做好水的拦截，挖方路床要做好封闭隔水措施。
（10）加强对高边坡的监测和检查巡视。
3 炭质岩路基沉降分析
3.1 炭质岩路基沉降变形机理
炭质岩路基沉降变形的原因主要有两个方面：（1）下覆地基土的压缩变形；（2）炭质岩填料自身的压缩变形。
地基土的压缩变形机理为：当炭质岩路基填筑施工刚开始时，地基土的沉降为弹性变形，随着上部填筑重量的不断增加，地基土进入强化变形阶段，路基自重会对地基土产生较大的破坏，促使地基土中的土颗粒在上部荷载作用下发生压缩变形，地基土的压缩变形由瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降三个阶段组成。
炭质岩填料自身的压缩变形机理为：外部荷载和自重共同作用下灰质岩填料颗粒会产生一定的位移和结构变化，具体包括填料颗粒自身的压缩变形、填料孔隙中不同形态的水和气体的压缩变形、填料中水和气体被挤出后因颗粒相互靠拢使孔隙体积减小而产生的压缩变形。
3.2 路基沉降监测方案
为对平天高速公路炭质岩路基沉降进行有效监测，需要设置合理的路基沉降监测方案。经过分析，主要进行以下两部分沉降内容的监测：稳定性监控（水平位移）和地表沉降监测（路堤顶部沉降）。
（1）在合适位置设置沉降板，沉降板测杆的垂直偏差要保持在1.5%以内，在最大填方边坡布置监测断面，沿两侧纵向每50 m设一道监测断面，沉降板的底槽不能出现凹凸不平的情况，且要先在下方铺设尺寸为60 cm×60 cm×20 cm的砂|层。沉降板与测杆的材料使用钢板与钢管，并将两者整合焊接，
同时采用具有要求规定强度与刚度的塑料管材料作为套管。
（2）在高路堤坡脚外侧20 m、坡脚位置以及平台上设置位移墩，材料采用钢筋混凝土，高度、底部与顶部尺寸分别为50 cm、20 cm×20 cm与10 cm×10 cm，露出埋置面的桩顶要保持在10 cm以内。
（3）将水准点设在不受垂直向和水平向变形影响的坚固地基上或永久建筑物上，观测仪器应采用S1、S3型水准仪，以二级中等精度要求的几何水准测量高程，观测精度应＜1 mm。
路堤填筑速率要求边桩位移量每昼夜≤1 cm。坡角水平位移速率每昼夜≤0.5 cm，如超出此限应立即停止填筑。路堤填筑完成后，每月监测两次，雨季或变形加剧时适当加密监测次数；工后延长1年监测时间，如1年后变化仍不稳定，应延长监测周期。
在需要监测沉降的位置设置观测桩，观测桩分布如图3所示，监测频率见表3。
3.3 路基沉降结果分析
经过对平天高速公路炭质岩路基填筑段K31+500、K37+720、K40+650这3处观测桩1年的跟踪观测，可得到3处观测桩所在位置的累计沉降、累计位移、沉降速率曲线，分别见图4～6。
由图4可知：
该监测断面2021年12月最大沉降速率为0.33 mm，均小于警戒值（15 mm/d）；该监测断面2021年12月最大位移速率为0.41 mm，均小于警戒值（5 mm/d），说明该监测断面目前趋于稳定。
由图5可知：该监测断面2021年12月最大沉降速率为2 mm，均小于警戒值（15 mm/d）；该监测断面2021年12月最大位移速率为0.32 mm，均小于警戒值（5 mm/d），说明该监测断面目前趋于稳定。
由图6可知：该监测断面2021年12月最大沉降速率为0.33 mm，均小于警戒值（15 mm/d）；该监测断面2021年12月最大位移速率为0.14 mm，均小于警戒值（5 mm/d），说明该监测断面目前趋于稳定。
在这一年的监测中发现，各监测断面的各项监测指标均未超警戒值标准，各断面基本处于稳定状态。该工程实例证明了炭质岩路基采用该路基结构与填筑方式是可行的，并可达到预期的填筑效果。后续施工过程中继续保持监控，随时掌握路基动态，直至达到最终沉降值。
4 结语
本文以广西平天高速公路炭质岩路基填筑项目为例，提出了一种新型炭质岩路基填筑技术，并对填筑后的路基进行沉降变形监测分析，通过研究可以得出以下结论：
（1）新型炭质岩路基填筑技术可以达到在填筑路基的上部封堵地表水，在下部排出内部水的目的，很好地保持了路堤内部的干燥状态，抑制了炭质岩的崩解软化，达到了预期的填筑效果。
（2）新型炭质岩路基结构及填筑技术尽可能利用现场原有的炭质岩进行填筑，提高了资源利用率，同时起到了保护环境、
节省施工成本的作用。
（3）路基沉降变形监测过程中各监测断面的各项监测指标均未超警戒值标准，各断面基本处于稳定状态。该工程实例证明了炭质岩路基采用该结构与填筑方式是可行的，并具有良好的工程应用价值。
参考文献
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作者简介：
彭庆航（1970―），工程师，主要从事高速公路项目建设管理和养护管理工作。
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