高速公路大粒径泥石路基的稳定性设计及应用研究

高剑峰，郭涛

（1.茂名市交通设计院有限公司，广东 茂名525000；2.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州510507）

1 引言

随着我国经济的持续快速增长，高速公路的建设不断加速，使得交通运输逐渐向快捷化、便利化发展。 然而，公路路基材料短缺问题在众多地区成为制约高速公路建设的重要因素，尤其是在贫石区、高山地区，公路建设中常用的细粒径土材料难以获取，从而大粒径泥石作为路基材料应用越来越广泛[1]。

然而，大粒径泥石路基由于大粒径泥石的物理性质及其构成的复杂性，对其稳定性的研究无法像对黏土和砂砾等材料那样通过简单的实验获得相对精准的参数。 同时，其在受力过程中的变形机理及其稳定性受多因素影响， 使大粒径泥石对施工质量影响显著。 近年来，各国研究团队在大粒径泥石的稳定性设计及应用研究方面取得了一些进步[2]。 一定程度上提高了大粒径泥石路基的稳定性， 但实际应用中需花费较大的成本，工程效益并不显著。 因此，寻找并优化大粒径泥石路基稳定性的设计方法，结合理论与实践分析路基稳定性，提升路基工程质量关键性并提高经济效益，成为这一领域亟待解决的问题。

2 大粒径泥石路基的稳定性设计

2.1 大粒径泥石路基的特性研究

大粒径泥石通常具有高的空隙率、良好的排水性和热稳定性， 这些性质使得大粒径泥石路基在潮湿环境和极端温度条件下仍能保持良好性能。

同时，由于其较大的颗粒尺寸，大粒径泥石路基对负载的分布具有较强的承载能力，从而提高路基的服务寿命。 并且大粒径泥石具有较高的抗压强度和抗剪强度， 大粒径的颗粒既可以提供良好的稳定性， 也可以提供对冲击载荷的高抵抗能力。 此外，它的剪切强度与其水分含量和密度之间的相关性也是大粒径泥石在不同环境条件下表现出优异性能的一个重要特性。 另外，大粒径泥石路基的环境适应性强，由于大粒径泥石的较高空隙率和良好的排水性， 能有效防止水分对路基稳定性的影响，提高道路在雨季的交通安全性[3]。

2.2 大粒径泥石路基稳定性设计实例

本研究选择了在重大地震破坏下， 有着典型大粒径泥石流动特征的四川山区为实验测试路段， 路段选择分别为成宜高速段与通广A2 标段施工路段。在2008 年的汶川地震中，这一地区发生了大规模的泥石流灾害，导致公路交通严重中断。根据大粒径泥石的力学性质和预期的承载能力， 确定稳定性设计准则。 在设计过程中，需考虑泥石流的动态变化和稳定性要求，研究采用响应面法进行稳定性分析，根据可能的最坏情况确立稳定性设计标准。 借助数值模拟和实验测量，深入研究大粒径泥石路基的物理性质和力学性质， 并针对大粒径泥石路基，采用响应面法进行稳定性设计，旨在建立一套科学有效的评价方法及设计标准。

2.2.1 泥石路基用料分析实验

稳定性评价是泥石路基设计的关键环节， 稳定性评价过程中，承载力指标选择加州轴承比（CBR）和压缩强度；变形性能指标选择塑性变形和弹性模量； 耐久性能指标选择则耐冻性、耐水解性等。 其中，承载力指标直接关系到路基的使用寿命和交通安全， 变形性能指标反映了路基在交通荷载下的稳定性，耐久性能则关乎路基在不利环境条件下的稳定性。 利用粒度测试得出移除粒径d≥60 mm 的大型块石后混合土壤的颗粒分布；用XRD 试验分析大型块石的主要矿物构成；通过重度冲击实验，确定去除粒径d≥40 mm 的块石后获得混合土壤的最大干密度和最适含水率；采用CBR 试验获取排除粒径d≥40mm 块石后的混合土壤承载比；通过对岩石进行单轴压试验，确定大粒径块石的压碎强度。 在所有这些试验中，采取了固定的步骤以保证结果的准确性。 在路基用料分析试验中，利用四分法在干燥后的土样中进行采样，并分批将样本通过2 mm 筛子。 接着，将超过2 mm 的样本通过不同等级粗筛，并称重。 将2 mm 以下的筛子上的土样搅动10 min，根据不同筛孔尺寸筛选用料的土壤颗粒并置入下一个级别的筛内。 最后，在度量时，应确保细筛土样清扫干净。

筛分结果显示， 大粒径泥石的筛选过程具有明显的规律性。 当筛孔直径为60 mm 时，筛子累积通过百分比为100%。当筛孔直径减小到40 mm 时，累积通过百分比为97.2%，进一步减小筛孔直径至20 mm，累积通过百分比为85.3%。 当筛孔直径减小到0.075 mm 时，只有少部分样品能够通过，可以看出，大粒径泥石样品主要由大于0.075 mm 的粒径组成，且粒径越大的样品占比越高。 在确定了用料及配比后，绘制级配曲线并计算不均匀系数与曲率系数，如表1 所示。可以看出，不均匀系数达到32.12，粒度分布不均匀性较高。 曲率系数为1.29，细粒土含量不足5%，级配良好。

表1 级配指标

2.2.2 土体压实特性分析实验

在土体压实特性分析中， 选择重型击实实验确定泥石路基最优含水率与最大干密度。 试验的基本流程如下。

取样和预备：首先，采集土壤样本并将其干燥、粉碎并且通过2 mm 筛。 然后根据土壤类型和粒径选择适合的重型还是标准Proctor 模具。

装土和击实：将模具装入3 层土样，每一层都需要平均击实一定次数以确保压实度。

测量和记录：每次压实后，都需要用天平测量并记录样本的重量。 然后计算出每一层土样的干密度。

湿化处理：将样品进行适当的湿化处理，然后重复装土和测量密度的步骤。

湿含水率测定：用干燥箱测定样品的湿含水率。

绘制曲线：在干密度和湿含水率的图纸上绘制点，然后求取曲线。 此曲线的峰值可以确定土壤的最大干密度和最佳湿含水率。

分析和解释：分析结果曲线，确定出土样的最佳湿含水率和对应的最大干密度。 泥石路基土壤击实曲线如图1 所示。

图1 击实曲线

从击实曲线中可看出，相关系数为0.98，泥石路基土壤最优含水率为5%，最大干密度为2.05 g/cm3。

2.2.3 加州承载比实验分析

加州承载比试验可以评价泥石路基承载能力， 实验基本步骤如下。

样本准备：将土壤样品取出并通过3/4 英寸（约19 mm）或更细的筛子。

湿化处理：将土壤湿化至接近其最优水含量状态，并被放置一段时间使其充分湿化。

装填并压实模具： 将土壤样品分层地装填到一个标准CBR 模具中，并对每层进行均匀的压实。将土壤样品压实至设定的压实度。

沉浸：将样品置于水中进行饱和，以模拟土壤在饱水状态下的承载能力。 沉浸时间可长达96 h。

浸泡和膨胀读数：在沉浸过程中，记录土壤的膨胀读数。承载负荷应用：从水中取出土壤样本，并施加一个多阶段的标准负荷，对每一个负荷阶段测量土壤的渗透。 采用两个快速卸载并立即重新装载的步骤，以模拟轮胎通过的效果。

数据分析：绘制土壤渗透与应用负荷的关系曲线，以确定样品的CBR 值。 最终经过试验称量后，CBR 值达到62.9%，大粒径泥石路基承载能力符合标准。

2.3 案例分析

基于稳定性设计分析， 采用高分子衬砌和土工布加固路基；然后，用轻型防护网进行封闭，以减轻大粒径泥石流对路基的冲击力；最后，安装地质雷达，持续监测路基稳定性状况。通过这些措施，旨在最大限度地保证稳定性设计的实施效果，提高道路安全性。 实施方案后，经过一段时间的观察和监测，路基稳定性得到了明显提升， 能有效抵抗大粒径泥石流的冲击，没有出现严重的移位或变形。

3 大粒径泥石路基现有问题及挑战

当前， 大粒径泥石路基设计在实践中还面临诸多技术挑战。 大粒径泥石路基的稳定性评价标准及指标体系还不完善，缺乏具有普遍适应性和高度可操作性的评价方法。 其次，面对不同地质环境、气候条件以及交通需求，导致稳定性设计的科学性、准确性受到局限。 大粒径泥石路基的结构问题，稳定性问题，以及斑驳龟裂问题，是目前面临的重大挑战。

4 大粒径泥石路基稳定性设计优化方向

大粒径泥石路基稳定性设计的优化方向如图3 所示：一是加强大粒径泥石路基的稳定性评价方法的研究， 将物理指标、 力学指标、 环境适应性等多元化指标纳入稳定性评价体系。 二是提升稳定性设计的承载力与抗变形能力，使其进行更多设计情况的适应性分析与计算，不断优化稳定性设计参数。三是加强对新技术、 新工艺在大粒径泥石路基设计施工过程中的应用研究，如生态技术、智能化技术等，提升大粒径泥石路基设计的科学性和经济性。 四是含水量、颗粒级配、冻融影响等因素对于大粒径泥石路基稳定性影响深入研究。

5 大粒径泥石路基优化方法与实施策略

为实现优化方向， 需采取一些具体的优化方法和实施策略。 在稳定性评价方面，采用无损检测、模拟实验、对比实验等方式研究大粒径泥石路基的反应特性，制定科学、有效的评价指标。 在设计承载力与抗变形能力优化方面，可通过运用有限元分析、粒子离散方法等先进的数值模拟技术，对路基稳定性设计参数进行细致核算，并适时调整设计方案。 针对新技术、新工艺应用研究，运用生态技术，利用生物工程方法，如种植抗侵蚀植物，可提升路基耐侵蚀性。 若应用智能化技术，如物联网、大数据等技术构建智能化路基随时感知系统，可实现路基状况实时监控，及时进行维护或改进，提升其稳定性。 在深入了解各影响因素的基础上， 可针对性地制定设计与施工策略，如严格控制含水量、优化颗粒级配、应对冻融影响等。

6 结论

在广大山区和平原地区， 大粒径泥石由于具有丰富的存储量和较好的构造性能，已经成为铺设路基的优质原材料。 然而，大粒径泥石路基的稳定性如何设计，仍是当前技术研究的重点和难点。 研究通过理论分析与模型试验为方法，深入研究泥石路基的物理性质和机械性质，试验结果表示，采用优化后的大粒径泥石路基的路基稳定性指标相较于未优化前提高了20%左右。 此外，综合考虑了含水量、颗粒级配、冻融影响等各种环境因素后，其路基稳定性增强，抗变形能力提高，减少了路面裂纹发生的次数， 极大地提高了道路使用的安全性与舒适性。 总体而言，优化大粒径泥石路基可以显著提高路基设计的质量和效果，对保持路基稳定性具有重要作用。 本文的研究仍有许多的不足和需要改进之处，例如，对更多地区的泥石路基分析不足等问题，这也是未来值得重点关注的方向。