粗粒徑混合填料的力學特性研究及其在高陡填方邊坡中的應用

李曉寧 陳位洪 申琦瑜

(廣東省建筑設計研究院 廣州510010）

引言

受經濟、 自然環境因素制約， 修建機場、 垃圾場、 公路、 鐵路等大型基礎設施經常會選擇山區實施， 對山體進行深挖高填以滿足基礎設施的場地和凈空條件是普遍采用的措施[1]。 在諸多外部條件限制下， 就近取材填料填筑的高陡填方邊坡失穩以及變形不可控問題是至今仍未徹底解決的一大難題[2]。

由于粗粒徑填料就地取自開山碎石， 不同工程的填料受其中碎石的強度、 級配、 比例的影響， 其力學特性也有很大差別。 已有的研究成果表明: 在一定范圍內， 填料的抗剪強度隨其中碎石強度、 不均勻系數的增大而增大[3，4]， 而隨著含石量的增加， 土石混合體的抗剪強度總體上有先增大后減小的趨勢， 含當粗顆粒含量在50% ～70%左右時， 填料的抗剪強度最大[5，6]。 另外，填料粒徑過大會造成壓實困難， 影響填筑層的平整度。 根據《鐵路路基支擋結構設計規范》(TB 10025 -2019）中規定[7]: 填料中最大粒徑不應大于100mm。 在實際施工中， 開山所得石渣往往粒徑很大， 而大面積回填施工時要求將石渣仔細篩分至粒徑不大于100mm， 其難度較大， 二次破碎亦費時費力。 因此， 研究更大粒徑的填料在不同配比情況下的力學特性至關重要。 本文以廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環經濟產業園）的高填方邊坡為研究背景， 通過室內試驗、 現場試驗并結合有限元計算， 研究最大直徑為20cm碎石與土的混合料在不同石土比條件下的力學特性。

1 項目背景

廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環經濟產業園）公用配套工程位于廣州市蘿崗區九龍鎮福山村， 征地紅線面積965.5 畝， 場區設計標高為170m， 如圖1 所示。 由于現狀山體地勢起伏較大， 故場區將產生大量的挖方及填方邊坡， 填方邊坡主要位于場地的東側和南側， 高度約30m ～55m。

圖1 廣州東部固體資源再生中心總平圖Fig.1 The main plane arrangement diagram of Guangzhou eastern solid resource regeneration center

本項目填方邊坡位于園區南側， 坡底受用地紅線限制。 以填方邊坡的a -a 剖面為例， 邊坡采用了加筋土和樁板式擋墻的支護方式， 如圖2所示。 分三級放坡， 坡率為 1 ∶1.5， 邊坡總高37.8m， 由上至下每級邊坡高度分別為 10m、10m、 5m， 平臺寬度 2m， 樁板擋墻高12.855m，坡底采用樁板式擋墻與錨定樁共同作用的方式，構件間采用預應力錨索連接。 樁板式擋土墻以及錨定樁地面分別采用 2000mm × 1500mm、1500mm × 1500mm 挖孔樁， 有效樁長分別為20m、 12m。 填方區每隔 0.5m 高布設一層土工格柵。

圖2 填方邊坡a-a 剖面Fig.2 Fill slope of a-a section

2 室內大型直剪試驗

2.1 試樣制備

根據現場填方料場， 后期高邊坡填方材料主要以爆破過后的花崗巖碎石為主。 現場選擇試驗材料時， 最大粒徑控制在200mm 以內， 并規定大于100mm 的填料質量不超過試樣總質量的20%。 所摻粘土的含水率根據現場取樣、 密封帶回實驗室測定的含水率結果確定。 受本次試驗所用儀器限制， 碎石填料最大粒徑需小于100mm，粒徑超過100mm 的超粒徑顆粒， 采用等量替代法對碎石土混合料超徑顆粒進行處理， 即: 根據現場取樣的篩分結果， 將粒徑為5mm ～100mm的各組顆粒等重量地按級配含量替代粒徑大于100mm 的塊石， 從而確定室內大型直剪試驗碎石土混合料制樣顆粒級配。 現場取樣的粗顆粒級配以及替換后的試樣級配如圖3 所示。

共制備三種試樣。 試樣一: 采用現場爆破后的強風化花崗巖碎石與開挖出的粘土、 砂質粘性土混合， 石土比為7∶3。 試樣二: 采用現場爆破后的強風化花崗巖碎石開挖出的粘土、 砂質粘性土混合， 石土比為5∶5。 試樣三: 采用現場爆破后的中-微風化花崗巖碎石與開挖出的粘土、 砂質粘性土混合， 石土比為5∶5。

2.2 試驗加載過程

為有效解決常規直剪儀中剪切面單一的問題， 本次室內試驗采用大型疊環式剪切儀。 荷載施加采用等量分級加載的方式， 剪切試驗過程中， 通過調整試樣的上覆壓力以模擬上覆不同覆土厚度， 結合現場填方邊坡的實際設計高度， 上覆覆土厚度取 15m、 30m、 45m、 60m，即試驗試樣對應的上覆壓力荷載分別為300kPa、 600kPa、 900kPa、 1200kPa。 待試樣在上覆壓力作用下變形穩定后， 剪切速率控制在試樣直徑的0.012 倍 ～0.018 倍， 剪切變形應達到60mm 或達到試樣直徑的1/15 ～1/10為止。

2.3 直剪試驗結果

試樣一的室內直剪試驗結果如圖4 所示， 在壓實度為95%的條件下， 其固結快剪強度參數為: 粘聚力c=74.3kPa， 內摩擦角φ=18.9°。試樣二的室內直剪試驗結果如圖5 所示， 在壓實度為95%的條件下， 其固結快剪強度參數為: 粘聚力c= 92kPa， 內摩擦角φ=20.6°。

試樣三的室內直剪試驗結果如圖6 所示， 在壓實度為95%的條件下， 其固結快剪強度參數為: 粘聚力c=105kPa，內摩擦角φ=22°。

室內試驗的結果表明， 在一定的條件下， 填料的內摩擦角和粘聚力均隨著混合料中碎石占比的增加、 強度的增大而增大。

3 現場壓板試驗

當填料中粗顆粒含量增大到70% 時， 填料的力學性能主要受其中粗顆粒的影響。 若采用直剪試驗方案會有取土困難、 粗粒是否位于剪切面上對試驗成果造成很大影響的問題。 由于試驗結果會受試樣制備、 試驗條件擾動造成誤差。因此， 采用現場壓板試驗的方法進行試驗。

3.1 現場制備

圖4 試樣一直剪試驗結果Fig.4 Direct shear test results of sample 1

圖5 試樣二直剪試驗結果Fig.5 Direct shear test results of sample 2

圖6 試樣三直剪試驗結果Fig.6 Direct shear test results of sample 3

試驗段填方邊坡就地選用場內碎石強風化碎石與粘土、 砂質粘性土混合料， 碎石與土混合比例為7∶3， 級配如圖7 所示。 混合填料分層碾壓的碎石粒徑要求小于200mm， 擬壓實后層厚50cm，壓實度大于95%。 為消除場地地基變形、 破壞的影響， 試驗前需對場地進行整平、 壓實處理， 以保證其剛度。 試驗段測量點水平布置間距為10m×10m， 豎向間距為5m。 參考以往類似施工經驗， 松鋪系數為1.2， 即松鋪厚度為60cm。 松鋪后， 先經推土機粗平， 后根據標高指示樁拉線精確整平。 平整好的填料經振動壓路機多次碾壓，即先靜壓一遍， 后弱振壓實兩遍， 再強振壓實一至兩遍。 分次碾壓時， 均需檢測相對沉降量， 當兩次壓實的沉降差小于2mm 且采用灌水法檢測的壓實度大于95%時壓實結束。

圖7 壓板試驗填料級配Fig.7 Packing grading diagram of plate test

在現場選取20m ×20m 范圍進行3 點剛性壓板載荷試驗， 試驗區壓板位置如圖8 所示。 壓板為尺寸1m×1m 的鋼板， 壓板與試驗區邊緣凈距為6m。 碎石土邊坡填料的填筑厚度為3.5m 以保證厚度大于壓板載荷試驗影響深度范圍， 分層碾壓填筑。 每一層碾壓滿足要求后方可進行下一層填料的碾壓。 試驗前， 在壓板所放位置鋪細沙找平， 再放壓板、 千斤頂、 橫梁、 堆載， 堆載完后放置百分表， 本次所有壓板載荷試驗均采用自動加壓、 自動沉降讀數裝置。

圖8 壓板試驗區內壓板布置Fig.8 Layout diagram of pressing plate in test area

3.2 壓板試驗結果

壓板試驗的荷載p-沉降s曲線結果如圖9所示。

圖9 荷載p-沉降s 試驗曲線Fig.9 Load-settlement results of pressing plate test

根據魏錫克極限承載力公式， 對于非條形基礎有[11]:

式中:c為地基土的粘聚力；q為地基兩側土的超載；γ為地基土的容重；D為壓板的寬度或直徑；Nc、Nq、Nγ為承載力系數；Sc、Sq、Sγ為基礎形狀系數；b為基礎的寬度；l為基礎的長度；φ為地基土的內摩擦角。

不同內摩擦角條件下， 對應的承載力系數和基礎形狀系數以及粘聚力的計算值見表1。

表1 不同內摩擦角條件下粘聚力取值[8]Tab.1 Cohesion values under different internal friction angles

根據2.3 節直剪試驗的結果， 當強風化碎石與土的比例為 5 ∶5 時， 對應的c= 92kPa，φ=20.6°， 由已有直剪試驗[5]、 離散元的結果[9]， 當混合填料中粗顆粒的含量進一步提高時， 即壓板試驗碎石與土的比例提高至7 ∶3時， 對應的φ值將提高，c值近似不變。 因此，結合表 1 的計算結果， 可推斷出c值約為96kPa，φ值約為 22°。

4 有限元計算

4.1 模型的建立及參數取值

根據現場實際情況， 忽略樁板式擋墻中挖孔樁與樁間擋土板的成拱作用機制不同導致的差異性， 可簡化成二維模型進行有限元模擬。 采用邁達斯GTS 軟件， 把填方邊坡視為填料為各向同性、 均值的理想彈塑性體。 采用莫爾- 庫侖模型， 土中抗滑樁、 錨固樁簡化為梁單元， 錨索簡化為桁架。 格柵按軟件自帶的1D 土工格柵單元考慮， 格柵考慮加筋與土間接觸。 模型按照圖2建立并劃分網格。 各巖、 土層參數及土工格柵參數的取值分別見表2、 表3。 有限元計算模型如圖10 所示。

表2 巖土技術參數建議值Tab.2 Recommended values of geotechnical technical parameters

表3 單向土工格柵參數Tab.3 Parameters of one-way geogrid

圖10 a-a 剖面有限元計算模型Fig.10 Finite element calculation model of section a-a

4.2 有限元計算結果

通過軟件計算分析， 正常使用條件下填方邊坡整體穩定安全系數為1.89， 地震條件下安全系數為1.69， 計算結果滿足《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330 -2013）[10]中最小安全系數的要求， 即正常使用工況下需滿足K正?！?.35， 地震工況下滿足K非?！?.15。

5 現場監測

為確保工程安全， 對填方邊坡進行監測， 確定的監測方案具體為: 對邊坡坡頂進行沉降監測、 水平位移監測和深層土體位移監測， 對樁板擋墻墻頂進行水平位移監測， 監測點的布置如圖11 所示。 施工期間監測頻率為1 天1 次， 竣工1年內 2 天一次， 竣工 1 ～ 2 年內 3 天一次， 竣工2 ～ 3 年內 5 天一次。

圖11 監測點布置Fig.11 Layout of measuring points

整理監測結果發現， 自2017 年3 月本斷面施工完成至2020 年4 月， 邊坡變形已趨于穩定，變形的量值特征為: (1）邊坡坡頂累計最大沉降為31.14mm， 遠小于設計報警值(240mm）； 最大沉降點期間最大沉降速率為0.04mm/d， 邊坡沉降速率小于設計報警值( ±3mm/d）。 (2）邊坡坡頂水平位移累計最大值為20.1mm， 遠小于設計報警值(160mm）； 最大水平位移點期間最大變化速率為0.03mm/d， 沉降速率小于設計報警值( ±3mm/d）。(3） 深層土體位移累計最大值為24.42mm， 未超出設計報警值(400mm）。 (4）樁板式擋墻墻頂累計最大水平位移值為10.4mm，未超出設計報警值(160mm）。

6 結論

本文以廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環經濟產業園）的高填方邊坡為研究背景，進行了室內直剪試驗、 試驗段現場壓板試驗和有限元計算， 當填料的壓實度為95%時， 得出以下結論:

1.通過直剪試驗得到， 對于花崗巖， 填料的內摩擦角和粘聚力隨著填料中石方占比的增加、石方強度的增大而增大。

2.通過壓板試驗得到， 當強風化花崗巖與粘土的石土比為7∶3 時， 填料的粘聚力c約為96kPa， 內摩擦角φ約為 22°。

3.有限元計算和監測的結果均表明， 采用的最大粒徑≤20cm 的碎石土填料， 坡度為1∶1.5的高陡邊坡依然穩定。