高填方填石路基沉降机理及压实工况方案比选研究

安子阳

（山西省公路局 忻州分局，山西忻州 034000）

0 引言

当前，我国公路工程建设重点正逐步从东南沿海平原地区向西北、西南山区及重丘区转移，山区及重丘区普遍地形地貌条件复杂，路基施工过程中面临更多的“高填深挖”问题，工程填挖方量增长惊人。为满足弃方再利用的绿色低碳施工理念[1]，以大粒径碎石作为路基填筑料的公路路基结构形式已逐渐成为山区及重丘区公路建设项目中的首选。

为了进一步阐明填石路基的沉降机理及影响因素，进而更好地实现对填石路基的压实施工质量控制，本文以山区公路路基施工过程中常见的高填方填石路基为研究对象，先从内外因两方面系统阐述了填石路基的沉降形成机理，进而明确了压实效果对填石路基施工质量的重要意义，再通过DEA 方法，比选出了高填方填石路基最佳的压实工况方案，为填石路基的施工质量控制提供了重要参考。

1 高填方填石路基沉降机理及影响因素分析

1.1 高填方填石路基概述

填石路基指采用施工标段内因路堑开挖或山体隧道爆破产生的具有一定强度且满足相应粒径规格要求的石料填筑而成的路堤结构；与传统的填土路基相比，填石路基的填料粒径更大，部分特大粒径填料直径甚至超过500 mm，且颗粒间的黏结力几乎可忽略；因石料多选用质地坚硬的花岗岩，这使其具有更高的抗压及抗剪强度和良好的渗水性[2]。土石混合料的路用性能研究表明，土石混合料中粒径不低于40 mm 的石料占比超过70%时，方可用于填石路堤施工，此时土石混合料中的石料与土体形成强度更高的“骨架-孔隙”支撑结构，强度主要由石料本身的抗压强度和石料间相互摩擦形成的抗剪强度提供。填石路基的“骨架-孔隙”支撑结构示意见图1 所示。

图1 填石路基“骨架-孔隙”支撑结构示意

在高等级公路施工实践中，考虑到承重、稳定性、耐久性等诸多因素，填石路基边坡一般采用分层式，尤其在高填方路基中，该形式的应用则更加普遍。对于边坡较低且设计等级较低的路基施工项目，为了施工方便，通常采用整体抛填法施工技术，但由于一次填筑量过大，导致碎石间孔隙较大，路基压实及稳定性等指标较低，故无法应用于高等级公路施工项目。高填方填石路基分层填筑工艺应结合边坡标高、边坡坡率、施工条件等因素合理划定分层数，按照分层填筑、分层压实的流程进行施工，采用分层式边坡的高填方填石路基横断面示意见图2 所示。

图2 高填方填石路基分层式边坡横断面示意

1.2 高填方填石路基沉降机理分析

从宏观上分析，因填石路基具有容重大、空隙占比高等特点，受自重、机械压实及车辆荷载作用后，填石颗粒在松铺状态下的应力平衡状态将被打破，填石路基经一系列的空隙压实填充、石料本身塑性变形及颗粒空间位置重拍后，将出现较明显的施工阶段及工后运营阶段沉降。从微观上分析，新填筑石料在压实荷载和填石自重的耦合作用下，石料间相互摩擦嵌挤，原有空隙被大幅压缩，此外，因填料接触面增加，经持续的横向剪切和填料摩细后，较大粒径的碎石被剪碎，填料平均体积下降，致使填石路基的表观体积降低，最终表现为路基沉降。填石路基工后在车辆持续荷载、填料自身软化等因素影响的基础上，叠加高填方路基边坡受冲刷、荷载作用影响而出现的边坡局部失稳等情况，致使路基结构应力处于连续重分布状态，填料在局部集中应力作用下出现长期蠕变变形，蠕变过程伴随应力释放，填料空隙被继续填充，随着时间推移最终趋于稳定。与施工阶段不同的是，工后沉降规模更小、周期更长。

1.3 高填方填石路基沉降影响因素分析

通过现场调研和试验研究发现，按照沉降诱发机理的不同，可将高填方填石路基沉降影响因素分为内因和外因两部分；其中，内因主要受填料工程特性、填料颗粒构成等因素影响，外因则主要受填筑空隙、压实质量、车辆荷载及环境条件等因素影响[1，3]。沉降影响因素具体分析结果见表1。

表1 高填方填石路基沉降影响因素

2 高填方填石路基压实工况方案比选研究

大量工程实践表明，压实质量直接影响到高填方填石路基的整体施工质量，是施工过程中最重要的环节之一，在高填方填石路基压实过程中，压实机械吨位、压实次数、振动压实工况、压实推进速率等均会不同程度影响路基压实效果。本文以高填方填石路基压实施工为研究对象，拟通过DEA 方法，对备选的4 项压实工况方案进行综合比选，以优选出最佳的路基压实工况方案，从而提升对压实施工环节的质量控制效果。

2.1 高填方填石路基常用压实方法概述

高填方填石路基压实采用机械压实工艺，由于填石路基的填料粒径均值较大，颗粒单体强度较高，且颗粒间摩阻力较大，这种结构形式导致路基在静荷载作用下的可压缩空间不大；为最大限度夯实路基结构，需通过较大功率的振动冲击作用，使颗粒克服彼此间的摩阻力，实现填石颗粒的空间重布[3]。

目前，工程上针对高填方填石路基机械压实常用的方法有振动压实和冲击压实两种。振动压实主要通过压实机械向路基输入振动能，使填石颗粒产生受迫振动后，在无需额外压力的情况下逐步达到稳定的密实状态；通过持续的振动能输入，填石路基内部同时产生竖向动荷载和横向剪切荷载，可同时抵抗竖向地基应力和横向的颗粒间摩阻力，对高填方填石路基具有极佳的压实效果。冲击压实与振动压实的区别在于振动压实的荷载工况为“低幅高频”，而冲击压实的荷载工况为“高幅低频”，将压实机械储备的重力势能连续转化为填石的机械能和内能，通过冲击荷载使高填方填石路基结构更加密实；此外，冲击压实过程中伴随往复滚压，能够提供抵抗填石间摩阻力的横向冲击力，以最大程度减小高填方填石路基的空隙率[2-3]。

2.2 DEA方法概述及CCR计算模型构建

DEA 模型是借助量化规划理论定量分析若干输入与输出指标间有效性的方法，使用该方法在有效性评价前无需给定具体的函数关系，是工程上较为常用的有效性客观评价模型之一。目前，DEA 方法体系中常用的有效性评价模型有BCC 模型和CCR 模型两种，在建立有效性评价模型前，需明确分析对象所包含的决策单元（DMU）数量，并对单个DMU 对应的输入及输出指标赋权[4-5]。本文拟选用DEA-CCR 模型对若干高填方填石路基压实效果决策单元进行有效性评价，模型建立过程如下。

设某有效性评价项目包括n项DMU，单个DMU 分别对应m项输入指标和s项输出指标，输入及输出指标全部变量对应的矩阵表述形式见式（1）、式（2）：

设每一项输入及输出指标相应的权重赋值分别为v、u，则有v、u满足式（3）、式（4）：

CCR 模型对应的n个DMU 的效率H的表达式如式（5）：

任何DMU 的效率H的上限均为100%，故存在∀j（j= 1,K,n）满足式（6）：

给定约束条件后，可基于任意一个DMU 的效率H建立相应的CCR 模型，模型表达式如式（7）：

式中：y0表示任意一个DMU 对应的输出指标；x0表示任意一个DMU 对应的输入指标；H0表示所求全部效率指标中的最大值。

综上，借助CCR 模型，能够定量计算出某个DMU在不同输入及输出变量条件下的效率最优解，进而得出最佳的高填方填石路基的压实工况方案。

2.3 基于DEA方法的高填方填石路基压实工况方案比选

本文以某新建省道项目为研究案例，选取高填方填石路基施工段进行研究，施工前，应根据压实机械振动轮自重、振动轮激振荷载、振动轮激振频率及压实机械推进速率等参数，制定不同的高填方填石路基压实工况，并通过试验段试压后获取压实应力、有效压实深度、路堤沉降量等参数，经方案比选给出最佳的压实工况方案。

本文拟采用DEA 方法中的CCR 模型比选最佳压实工况方案，经现场综合研判，初步给出备选的4 种满足施工技术最低要求的压实工况方案，方案具体内容见表2。

表2 高填方填石路基备选压实工况方案

为了全面精准地评估各备选压实工况方案的压实质量和效率，拟选定压实次数和最大压实应力为CCR模型的输入指标，有效压实深度和路堤沉降量为CCR模型的输出指标，各指标数据均为现场实测值，各指标值见表3。

表3 CCR模型输入及输出指标值

本文借助matlab 软件中的线性规划工具，求解CCR 模型下目标函数在对应边界条件下的最值，将表3 中所列的输入及输出指标作为模型计算数据，计算结果见表4。

表4 高填方填石路基备选压实工况方案效率评价结果

评价结果表明，按照CCR 模型计算得出方案3 的输入、输出效率最高，在各备选方案均满足施工最低要求的基础上，方案3 的施工效率最高，能够最大限度发挥压实施工环节对高填方填石路基总体施工质量的贡献度，因此，可以判定方案3 为4 项备选方案的最优选项。

3 结语

本文以某新建省道项目为研究背景，先从微观和宏观两个层面深入研究了高填方填石路基的沉降机理和影响因素，进而明确了压实施工环节对其施工质量的重要影响；再以高填方填石路基压实施工为研究对象，采用DEA 方法中的CCR 模型，对满足路基压实施工技术要求的4 项压实工况方案进行了有效性程度比选，通过比较效率评价结果，最终认定方案3 为最佳压实工况方案。