粗粒径混合填料的力学特性研究及其在高陡填方边坡中的应用

李晓宁 陈位洪 申琦瑜

(广东省建筑设计研究院 广州510010）

引言

受经济、 自然环境因素制约， 修建机场、 垃圾场、 公路、 铁路等大型基础设施经常会选择山区实施， 对山体进行深挖高填以满足基础设施的场地和净空条件是普遍采用的措施[1]。 在诸多外部条件限制下， 就近取材填料填筑的高陡填方边坡失稳以及变形不可控问题是至今仍未彻底解决的一大难题[2]。

由于粗粒径填料就地取自开山碎石， 不同工程的填料受其中碎石的强度、 级配、 比例的影响， 其力学特性也有很大差别。 已有的研究成果表明: 在一定范围内， 填料的抗剪强度随其中碎石强度、 不均匀系数的增大而增大[3，4]， 而随着含石量的增加， 土石混合体的抗剪强度总体上有先增大后减小的趋势， 含当粗颗粒含量在50% ～70%左右时， 填料的抗剪强度最大[5，6]。 另外，填料粒径过大会造成压实困难， 影响填筑层的平整度。 根据《铁路路基支挡结构设计规范》(TB 10025 -2019）中规定[7]: 填料中最大粒径不应大于100mm。 在实际施工中， 开山所得石渣往往粒径很大， 而大面积回填施工时要求将石渣仔细筛分至粒径不大于100mm， 其难度较大， 二次破碎亦费时费力。 因此， 研究更大粒径的填料在不同配比情况下的力学特性至关重要。 本文以广州东部固体资源再生中心(萝岗福山循环经济产业园）的高填方边坡为研究背景， 通过室内试验、 现场试验并结合有限元计算， 研究最大直径为20cm碎石与土的混合料在不同石土比条件下的力学特性。

1 项目背景

广州东部固体资源再生中心(萝岗福山循环经济产业园）公用配套工程位于广州市萝岗区九龙镇福山村， 征地红线面积965.5 亩， 场区设计标高为170m， 如图1 所示。 由于现状山体地势起伏较大， 故场区将产生大量的挖方及填方边坡， 填方边坡主要位于场地的东侧和南侧， 高度约30m ～55m。

图1 广州东部固体资源再生中心总平图Fig.1 The main plane arrangement diagram of Guangzhou eastern solid resource regeneration center

本项目填方边坡位于园区南侧， 坡底受用地红线限制。 以填方边坡的a -a 剖面为例， 边坡采用了加筋土和桩板式挡墙的支护方式， 如图2所示。 分三级放坡， 坡率为 1 ∶1.5， 边坡总高37.8m， 由上至下每级边坡高度分别为 10m、10m、 5m， 平台宽度 2m， 桩板挡墙高12.855m，坡底采用桩板式挡墙与锚定桩共同作用的方式，构件间采用预应力锚索连接。 桩板式挡土墙以及锚定桩地面分别采用 2000mm × 1500mm、1500mm × 1500mm 挖孔桩， 有效桩长分别为20m、 12m。 填方区每隔 0.5m 高布设一层土工格栅。

图2 填方边坡a-a 剖面Fig.2 Fill slope of a-a section

2 室内大型直剪试验

2.1 试样制备

根据现场填方料场， 后期高边坡填方材料主要以爆破过后的花岗岩碎石为主。 现场选择试验材料时， 最大粒径控制在200mm 以内， 并规定大于100mm 的填料质量不超过试样总质量的20%。 所掺粘土的含水率根据现场取样、 密封带回实验室测定的含水率结果确定。 受本次试验所用仪器限制， 碎石填料最大粒径需小于100mm，粒径超过100mm 的超粒径颗粒， 采用等量替代法对碎石土混合料超径颗粒进行处理， 即: 根据现场取样的筛分结果， 将粒径为5mm ～100mm的各组颗粒等重量地按级配含量替代粒径大于100mm 的块石， 从而确定室内大型直剪试验碎石土混合料制样颗粒级配。 现场取样的粗颗粒级配以及替换后的试样级配如图3 所示。

共制备三种试样。 试样一: 采用现场爆破后的强风化花岗岩碎石与开挖出的粘土、 砂质粘性土混合， 石土比为7∶3。 试样二: 采用现场爆破后的强风化花岗岩碎石开挖出的粘土、 砂质粘性土混合， 石土比为5∶5。 试样三: 采用现场爆破后的中-微风化花岗岩碎石与开挖出的粘土、 砂质粘性土混合， 石土比为5∶5。

2.2 试验加载过程

为有效解决常规直剪仪中剪切面单一的问题， 本次室内试验采用大型叠环式剪切仪。 荷载施加采用等量分级加载的方式， 剪切试验过程中， 通过调整试样的上覆压力以模拟上覆不同覆土厚度， 结合现场填方边坡的实际设计高度， 上覆覆土厚度取 15m、 30m、 45m、 60m，即试验试样对应的上覆压力荷载分别为300kPa、 600kPa、 900kPa、 1200kPa。 待试样在上覆压力作用下变形稳定后， 剪切速率控制在试样直径的0.012 倍 ～0.018 倍， 剪切变形应达到60mm 或达到试样直径的1/15 ～1/10为止。

2.3 直剪试验结果

试样一的室内直剪试验结果如图4 所示， 在压实度为95%的条件下， 其固结快剪强度参数为: 粘聚力c=74.3kPa， 内摩擦角φ=18.9°。试样二的室内直剪试验结果如图5 所示， 在压实度为95%的条件下， 其固结快剪强度参数为: 粘聚力c= 92kPa， 内摩擦角φ=20.6°。

试样三的室内直剪试验结果如图6 所示， 在压实度为95%的条件下， 其固结快剪强度参数为: 粘聚力c=105kPa，内摩擦角φ=22°。

室内试验的结果表明， 在一定的条件下， 填料的内摩擦角和粘聚力均随着混合料中碎石占比的增加、 强度的增大而增大。

3 现场压板试验

当填料中粗颗粒含量增大到70% 时， 填料的力学性能主要受其中粗颗粒的影响。 若采用直剪试验方案会有取土困难、 粗粒是否位于剪切面上对试验成果造成很大影响的问题。 由于试验结果会受试样制备、 试验条件扰动造成误差。因此， 采用现场压板试验的方法进行试验。

3.1 现场制备

图4 试样一直剪试验结果Fig.4 Direct shear test results of sample 1

图5 试样二直剪试验结果Fig.5 Direct shear test results of sample 2

图6 试样三直剪试验结果Fig.6 Direct shear test results of sample 3

试验段填方边坡就地选用场内碎石强风化碎石与粘土、 砂质粘性土混合料， 碎石与土混合比例为7∶3， 级配如图7 所示。 混合填料分层碾压的碎石粒径要求小于200mm， 拟压实后层厚50cm，压实度大于95%。 为消除场地地基变形、 破坏的影响， 试验前需对场地进行整平、 压实处理， 以保证其刚度。 试验段测量点水平布置间距为10m×10m， 竖向间距为5m。 参考以往类似施工经验， 松铺系数为1.2， 即松铺厚度为60cm。 松铺后， 先经推土机粗平， 后根据标高指示桩拉线精确整平。 平整好的填料经振动压路机多次碾压，即先静压一遍， 后弱振压实两遍， 再强振压实一至两遍。 分次碾压时， 均需检测相对沉降量， 当两次压实的沉降差小于2mm 且采用灌水法检测的压实度大于95%时压实结束。

图7 压板试验填料级配Fig.7 Packing grading diagram of plate test

在现场选取20m ×20m 范围进行3 点刚性压板载荷试验， 试验区压板位置如图8 所示。 压板为尺寸1m×1m 的钢板， 压板与试验区边缘净距为6m。 碎石土边坡填料的填筑厚度为3.5m 以保证厚度大于压板载荷试验影响深度范围， 分层碾压填筑。 每一层碾压满足要求后方可进行下一层填料的碾压。 试验前， 在压板所放位置铺细沙找平， 再放压板、 千斤顶、 横梁、 堆载， 堆载完后放置百分表， 本次所有压板载荷试验均采用自动加压、 自动沉降读数装置。

图8 压板试验区内压板布置Fig.8 Layout diagram of pressing plate in test area

3.2 压板试验结果

压板试验的荷载p-沉降s曲线结果如图9所示。

图9 荷载p-沉降s 试验曲线Fig.9 Load-settlement results of pressing plate test

根据魏锡克极限承载力公式， 对于非条形基础有[11]:

式中:c为地基土的粘聚力；q为地基两侧土的超载；γ为地基土的容重；D为压板的宽度或直径；Nc、Nq、Nγ为承载力系数；Sc、Sq、Sγ为基础形状系数；b为基础的宽度；l为基础的长度；φ为地基土的内摩擦角。

不同内摩擦角条件下， 对应的承载力系数和基础形状系数以及粘聚力的计算值见表1。

表1 不同内摩擦角条件下粘聚力取值[8]Tab.1 Cohesion values under different internal friction angles

根据2.3 节直剪试验的结果， 当强风化碎石与土的比例为 5 ∶5 时， 对应的c= 92kPa，φ=20.6°， 由已有直剪试验[5]、 离散元的结果[9]， 当混合填料中粗颗粒的含量进一步提高时， 即压板试验碎石与土的比例提高至7 ∶3时， 对应的φ值将提高，c值近似不变。 因此，结合表 1 的计算结果， 可推断出c值约为96kPa，φ值约为 22°。

4 有限元计算

4.1 模型的建立及参数取值

根据现场实际情况， 忽略桩板式挡墙中挖孔桩与桩间挡土板的成拱作用机制不同导致的差异性， 可简化成二维模型进行有限元模拟。 采用迈达斯GTS 软件， 把填方边坡视为填料为各向同性、 均值的理想弹塑性体。 采用莫尔- 库仑模型， 土中抗滑桩、 锚固桩简化为梁单元， 锚索简化为桁架。 格栅按软件自带的1D 土工格栅单元考虑， 格栅考虑加筋与土间接触。 模型按照图2建立并划分网格。 各岩、 土层参数及土工格栅参数的取值分别见表2、 表3。 有限元计算模型如图10 所示。

表2 岩土技术参数建议值Tab.2 Recommended values of geotechnical technical parameters

表3 单向土工格栅参数Tab.3 Parameters of one-way geogrid

图10 a-a 剖面有限元计算模型Fig.10 Finite element calculation model of section a-a

4.2 有限元计算结果

通过软件计算分析， 正常使用条件下填方边坡整体稳定安全系数为1.89， 地震条件下安全系数为1.69， 计算结果满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330 -2013）[10]中最小安全系数的要求， 即正常使用工况下需满足K正常≥1.35， 地震工况下满足K非常≥1.15。

5 现场监测

为确保工程安全， 对填方边坡进行监测， 确定的监测方案具体为: 对边坡坡顶进行沉降监测、 水平位移监测和深层土体位移监测， 对桩板挡墙墙顶进行水平位移监测， 监测点的布置如图11 所示。 施工期间监测频率为1 天1 次， 竣工1年内 2 天一次， 竣工 1 ～ 2 年内 3 天一次， 竣工2 ～ 3 年内 5 天一次。

图11 监测点布置Fig.11 Layout of measuring points

整理监测结果发现， 自2017 年3 月本断面施工完成至2020 年4 月， 边坡变形已趋于稳定，变形的量值特征为: (1）边坡坡顶累计最大沉降为31.14mm， 远小于设计报警值(240mm）； 最大沉降点期间最大沉降速率为0.04mm/d， 边坡沉降速率小于设计报警值( ±3mm/d）。 (2）边坡坡顶水平位移累计最大值为20.1mm， 远小于设计报警值(160mm）； 最大水平位移点期间最大变化速率为0.03mm/d， 沉降速率小于设计报警值( ±3mm/d）。(3） 深层土体位移累计最大值为24.42mm， 未超出设计报警值(400mm）。 (4）桩板式挡墙墙顶累计最大水平位移值为10.4mm，未超出设计报警值(160mm）。

6 结论

本文以广州东部固体资源再生中心(萝岗福山循环经济产业园）的高填方边坡为研究背景，进行了室内直剪试验、 试验段现场压板试验和有限元计算， 当填料的压实度为95%时， 得出以下结论:

1.通过直剪试验得到， 对于花岗岩， 填料的内摩擦角和粘聚力随着填料中石方占比的增加、石方强度的增大而增大。

2.通过压板试验得到， 当强风化花岗岩与粘土的石土比为7∶3 时， 填料的粘聚力c约为96kPa， 内摩擦角φ约为 22°。

3.有限元计算和监测的结果均表明， 采用的最大粒径≤20cm 的碎石土填料， 坡度为1∶1.5的高陡边坡依然稳定。