高填方路堤变形特性研究

卢 征

(中铁长江交通设计集团有限公司，重庆 401121)

1 概述

近年来，伴随国家经济的发展，我国西南部山区交通建设得到迅猛发展。鉴于我国西南部山区的特殊地形，在高速公路、机场等交通基础设施修建过程中，往往出现高填方路堤[1]。出于环境、经济等多方面考虑，高填方路堤填料多采用工程附近路堑开挖的土石混填料[2]。

高填方路堤的变形特性与稳定性关乎交通基础设施的安全运营。王禄洲等[3]采用离心试验、人工智能方法对昔格达层高填方路堤沉降进行预测。汪磊等[4]研究了不同筋材刚度对加筋土挡墙性能的影响，采用土工离心试验检测了土工格栅应变、面板水平位移和土压力等变形参数。陈科平等[5]通过土工离心现场试验方法与现场测试相结合的方法，研究了吹填陆域真空预压后的固结沉降特性。陈苏等[6]基于离心模型试验对黄土路堑边坡开挖过程中应力、应变的变化过程，分析了均质黄土边坡数值模型的应力、应变分布特征。

针对目前土石混填料高填方变形特性研究较少，本文通过土工离心模型试验，研究土石混填料(土石比为30∶70)高填方路堤缩尺模型的水平与垂直变形特性进行研究，研究结果可用于指导类似工程项目的建设与施工。

2 材料和方法

2.1 试验材料

本次试验根据西南地区高填方路堤土石组成比例，选用土石混填料(土石比30∶70)材料技术指标如表1所示。通过采用土石混填料制作高填方路堤缩尺模型，研究土石混填料缩尺模型变形特性与稳定性。

表1 土石混填料技术指标

2.2 试验仪器

本次试验在土工离心机上进行，离心机由主机、拖动控制系统、数据采集、处理系统和影像系统四大部分组成。离心机的有效容量为25 gt，有效半径为1.5 m。加速度取值范围为10g～250g，模型箱尺寸为600 mm×400 mm×400 mm，电机功率30 kW，影像系统为2 ms级摄影系统。不同模型达到预先设定的转速后，再持续加载1 h。加载结束后，记录模型水平位移与垂直位移。

2.3 数据采集与处理

土工离心试验的两个重要目的是模拟原型材料特性和监测模型形态。本次试验采用物理方法对模型的位移进行测量，即通过模型靠近有机玻璃的一侧做标记，标记在离心力作用下随土体发生位移，通过表征试验前后位移的坐标差求得各点的位移，并且采取模型的边坡坡面上通过安置位移传感器的手段，对边坡坡面上的两个点的位移变化进行表征。离心机数据采集、处理系统如图1所示。

2.4 模型特性与制作

离心模型试验的基本目的是使模型能够重现原型的应力应变特性。制作模型过程中，模型的物理量必须按照相应的模型率制备，本次模型的尺寸如图2所示。

根据图2模型的设计方案与成型参数，取用备好的固定比例(土石比30∶70)的土石混填料，采用体积法分六层击实，在最佳含水量的条件下使其达到预定的压实度，边坡采用刮土刀削成设计坡比。其中基岩采用刚度较大的材料进行模拟，并具有一定的坡比。

3 试验结果与分析

通过离心试验对模型进行加载后，模型的水平位移与垂直位移如图3,图4所示。

分析图3可知，模型的水平位移均经历两个变形阶段，第一阶段为10 m以下，水平位移随着路堤高度的增加而变大，当路堤高度大于10 m时，水平位移随着坡高不断减小。不同坡比的土石混填料高填方路堤的水平位移变化规律相似，水平位移最大值均出现于模型中下部。因此，在实际工程中，应对水平变形位移最大处采取相应预防措施，从而提升高路堤的稳定性。

由图4可以得出，土石混填料高填方路堤的垂直位移随着路堤高度的增加而变大。随着坡比的增大，高填方路堤的垂直位移也逐渐变大，说明坡比1∶1.5的土石混填高填方路堤的沉降大于坡比1∶2的土石混填高路堤，即边坡越缓，土石混填料高填方路堤的沉降量越小。

4 结语

通过对土石比为30∶70的土石混填料高路堤离心试验所得结果进行分析，得到以下三点结论:

1)土石混填料高路堤的最大水平位移出现在中下部。在实际工程应用中，应采取相应措施，减小中下部的水平位移。

2)土石混填料高路堤的坡度1∶2的垂直位移小于坡度1∶1.5的垂直位移，说明当填料相同时，边坡越缓，路堤的沉降量越小。

3)土石混填料高路堤的离心模型在试验结束后，均未发生破坏，证明土石混填料高填方路堤的稳定性与安全性能可以得到保证。