安子陽

（山西省公路局 忻州分局，山西忻州 034000）

0 引言

當(dāng)前，我國公路工程建設(shè)重點(diǎn)正逐步從東南沿海平原地區(qū)向西北、西南山區(qū)及重丘區(qū)轉(zhuǎn)移，山區(qū)及重丘區(qū)普遍地形地貌條件復(fù)雜，路基施工過程中面臨更多的“高填深挖”問題，工程填挖方量增長驚人。為滿足棄方再利用的綠色低碳施工理念[1]，以大粒徑碎石作為路基填筑料的公路路基結(jié)構(gòu)形式已逐漸成為山區(qū)及重丘區(qū)公路建設(shè)項(xiàng)目中的首選。

為了進(jìn)一步闡明填石路基的沉降機(jī)理及影響因素，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)對填石路基的壓實(shí)施工質(zhì)量控制，本文以山區(qū)公路路基施工過程中常見的高填方填石路基為研究對象，先從內(nèi)外因兩方面系統(tǒng)闡述了填石路基的沉降形成機(jī)理，進(jìn)而明確了壓實(shí)效果對填石路基施工質(zhì)量的重要意義，再通過DEA 方法，比選出了高填方填石路基最佳的壓實(shí)工況方案，為填石路基的施工質(zhì)量控制提供了重要參考。

1 高填方填石路基沉降機(jī)理及影響因素分析

1.1 高填方填石路基概述

填石路基指采用施工標(biāo)段內(nèi)因路塹開挖或山體隧道爆破產(chǎn)生的具有一定強(qiáng)度且滿足相應(yīng)粒徑規(guī)格要求的石料填筑而成的路堤結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)的填土路基相比，填石路基的填料粒徑更大，部分特大粒徑填料直徑甚至超過500 mm，且顆粒間的黏結(jié)力幾乎可忽略；因石料多選用質(zhì)地堅(jiān)硬的花崗巖，這使其具有更高的抗壓及抗剪強(qiáng)度和良好的滲水性[2]。土石混合料的路用性能研究表明，土石混合料中粒徑不低于40 mm 的石料占比超過70%時，方可用于填石路堤施工，此時土石混合料中的石料與土體形成強(qiáng)度更高的“骨架-孔隙”支撐結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度主要由石料本身的抗壓強(qiáng)度和石料間相互摩擦形成的抗剪強(qiáng)度提供。填石路基的“骨架-孔隙”支撐結(jié)構(gòu)示意見圖1 所示。

圖1 填石路基“骨架-孔隙”支撐結(jié)構(gòu)示意

在高等級公路施工實(shí)踐中，考慮到承重、穩(wěn)定性、耐久性等諸多因素，填石路基邊坡一般采用分層式，尤其在高填方路基中，該形式的應(yīng)用則更加普遍。對于邊坡較低且設(shè)計(jì)等級較低的路基施工項(xiàng)目，為了施工方便，通常采用整體拋填法施工技術(shù)，但由于一次填筑量過大，導(dǎo)致碎石間孔隙較大，路基壓實(shí)及穩(wěn)定性等指標(biāo)較低，故無法應(yīng)用于高等級公路施工項(xiàng)目。高填方填石路基分層填筑工藝應(yīng)結(jié)合邊坡標(biāo)高、邊坡坡率、施工條件等因素合理劃定分層數(shù)，按照分層填筑、分層壓實(shí)的流程進(jìn)行施工，采用分層式邊坡的高填方填石路基橫斷面示意見圖2 所示。

圖2 高填方填石路基分層式邊坡橫斷面示意

1.2 高填方填石路基沉降機(jī)理分析

從宏觀上分析，因填石路基具有容重大、空隙占比高等特點(diǎn)，受自重、機(jī)械壓實(shí)及車輛荷載作用后，填石顆粒在松鋪狀態(tài)下的應(yīng)力平衡狀態(tài)將被打破，填石路基經(jīng)一系列的空隙壓實(shí)填充、石料本身塑性變形及顆粒空間位置重拍后，將出現(xiàn)較明顯的施工階段及工后運(yùn)營階段沉降。從微觀上分析，新填筑石料在壓實(shí)荷載和填石自重的耦合作用下，石料間相互摩擦嵌擠，原有空隙被大幅壓縮，此外，因填料接觸面增加，經(jīng)持續(xù)的橫向剪切和填料摩細(xì)后，較大粒徑的碎石被剪碎，填料平均體積下降，致使填石路基的表觀體積降低，最終表現(xiàn)為路基沉降。填石路基工后在車輛持續(xù)荷載、填料自身軟化等因素影響的基礎(chǔ)上，疊加高填方路基邊坡受沖刷、荷載作用影響而出現(xiàn)的邊坡局部失穩(wěn)等情況，致使路基結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于連續(xù)重分布狀態(tài)，填料在局部集中應(yīng)力作用下出現(xiàn)長期蠕變變形，蠕變過程伴隨應(yīng)力釋放，填料空隙被繼續(xù)填充，隨著時間推移最終趨于穩(wěn)定。與施工階段不同的是，工后沉降規(guī)模更小、周期更長。

1.3 高填方填石路基沉降影響因素分析

通過現(xiàn)場調(diào)研和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，按照沉降誘發(fā)機(jī)理的不同，可將高填方填石路基沉降影響因素分為內(nèi)因和外因兩部分；其中，內(nèi)因主要受填料工程特性、填料顆粒構(gòu)成等因素影響，外因則主要受填筑空隙、壓實(shí)質(zhì)量、車輛荷載及環(huán)境條件等因素影響[1，3]。沉降影響因素具體分析結(jié)果見表1。

表1 高填方填石路基沉降影響因素

2 高填方填石路基壓實(shí)工況方案比選研究

大量工程實(shí)踐表明，壓實(shí)質(zhì)量直接影響到高填方填石路基的整體施工質(zhì)量，是施工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，在高填方填石路基壓實(shí)過程中，壓實(shí)機(jī)械噸位、壓實(shí)次數(shù)、振動壓實(shí)工況、壓實(shí)推進(jìn)速率等均會不同程度影響路基壓實(shí)效果。本文以高填方填石路基壓實(shí)施工為研究對象，擬通過DEA 方法，對備選的4 項(xiàng)壓實(shí)工況方案進(jìn)行綜合比選，以優(yōu)選出最佳的路基壓實(shí)工況方案，從而提升對壓實(shí)施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制效果。

2.1 高填方填石路基常用壓實(shí)方法概述

高填方填石路基壓實(shí)采用機(jī)械壓實(shí)工藝，由于填石路基的填料粒徑均值較大，顆粒單體強(qiáng)度較高，且顆粒間摩阻力較大，這種結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致路基在靜荷載作用下的可壓縮空間不大；為最大限度夯實(shí)路基結(jié)構(gòu)，需通過較大功率的振動沖擊作用，使顆?？朔舜碎g的摩阻力，實(shí)現(xiàn)填石顆粒的空間重布[3]。

目前，工程上針對高填方填石路基機(jī)械壓實(shí)常用的方法有振動壓實(shí)和沖擊壓實(shí)兩種。振動壓實(shí)主要通過壓實(shí)機(jī)械向路基輸入振動能，使填石顆粒產(chǎn)生受迫振動后，在無需額外壓力的情況下逐步達(dá)到穩(wěn)定的密實(shí)狀態(tài)；通過持續(xù)的振動能輸入，填石路基內(nèi)部同時產(chǎn)生豎向動荷載和橫向剪切荷載，可同時抵抗豎向地基應(yīng)力和橫向的顆粒間摩阻力，對高填方填石路基具有極佳的壓實(shí)效果。沖擊壓實(shí)與振動壓實(shí)的區(qū)別在于振動壓實(shí)的荷載工況為“低幅高頻”，而沖擊壓實(shí)的荷載工況為“高幅低頻”，將壓實(shí)機(jī)械儲備的重力勢能連續(xù)轉(zhuǎn)化為填石的機(jī)械能和內(nèi)能，通過沖擊荷載使高填方填石路基結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；此外，沖擊壓實(shí)過程中伴隨往復(fù)滾壓，能夠提供抵抗填石間摩阻力的橫向沖擊力，以最大程度減小高填方填石路基的空隙率[2-3]。

2.2 DEA方法概述及CCR計(jì)算模型構(gòu)建

DEA 模型是借助量化規(guī)劃理論定量分析若干輸入與輸出指標(biāo)間有效性的方法，使用該方法在有效性評價前無需給定具體的函數(shù)關(guān)系，是工程上較為常用的有效性客觀評價模型之一。目前，DEA 方法體系中常用的有效性評價模型有BCC 模型和CCR 模型兩種，在建立有效性評價模型前，需明確分析對象所包含的決策單元（DMU）數(shù)量，并對單個DMU 對應(yīng)的輸入及輸出指標(biāo)賦權(quán)[4-5]。本文擬選用DEA-CCR 模型對若干高填方填石路基壓實(shí)效果決策單元進(jìn)行有效性評價，模型建立過程如下。

設(shè)某有效性評價項(xiàng)目包括n項(xiàng)DMU，單個DMU 分別對應(yīng)m項(xiàng)輸入指標(biāo)和s項(xiàng)輸出指標(biāo)，輸入及輸出指標(biāo)全部變量對應(yīng)的矩陣表述形式見式（1）、式（2）：

設(shè)每一項(xiàng)輸入及輸出指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重賦值分別為v、u，則有v、u滿足式（3）、式（4）：

CCR 模型對應(yīng)的n個DMU 的效率H的表達(dá)式如式（5）：

任何DMU 的效率H的上限均為100%，故存在?j（j= 1,K,n）滿足式（6）：

給定約束條件后，可基于任意一個DMU 的效率H建立相應(yīng)的CCR 模型，模型表達(dá)式如式（7）：

式中：y0表示任意一個DMU 對應(yīng)的輸出指標(biāo)；x0表示任意一個DMU 對應(yīng)的輸入指標(biāo)；H0表示所求全部效率指標(biāo)中的最大值。

綜上，借助CCR 模型，能夠定量計(jì)算出某個DMU在不同輸入及輸出變量條件下的效率最優(yōu)解，進(jìn)而得出最佳的高填方填石路基的壓實(shí)工況方案。

2.3 基于DEA方法的高填方填石路基壓實(shí)工況方案比選

本文以某新建省道項(xiàng)目為研究案例，選取高填方填石路基施工段進(jìn)行研究，施工前，應(yīng)根據(jù)壓實(shí)機(jī)械振動輪自重、振動輪激振荷載、振動輪激振頻率及壓實(shí)機(jī)械推進(jìn)速率等參數(shù)，制定不同的高填方填石路基壓實(shí)工況，并通過試驗(yàn)段試壓后獲取壓實(shí)應(yīng)力、有效壓實(shí)深度、路堤沉降量等參數(shù)，經(jīng)方案比選給出最佳的壓實(shí)工況方案。

本文擬采用DEA 方法中的CCR 模型比選最佳壓實(shí)工況方案，經(jīng)現(xiàn)場綜合研判，初步給出備選的4 種滿足施工技術(shù)最低要求的壓實(shí)工況方案，方案具體內(nèi)容見表2。

表2 高填方填石路基備選壓實(shí)工況方案

為了全面精準(zhǔn)地評估各備選壓實(shí)工況方案的壓實(shí)質(zhì)量和效率，擬選定壓實(shí)次數(shù)和最大壓實(shí)應(yīng)力為CCR模型的輸入指標(biāo)，有效壓實(shí)深度和路堤沉降量為CCR模型的輸出指標(biāo)，各指標(biāo)數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場實(shí)測值，各指標(biāo)值見表3。

表3 CCR模型輸入及輸出指標(biāo)值

本文借助matlab 軟件中的線性規(guī)劃工具，求解CCR 模型下目標(biāo)函數(shù)在對應(yīng)邊界條件下的最值，將表3 中所列的輸入及輸出指標(biāo)作為模型計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 高填方填石路基備選壓實(shí)工況方案效率評價結(jié)果

評價結(jié)果表明，按照CCR 模型計(jì)算得出方案3 的輸入、輸出效率最高，在各備選方案均滿足施工最低要求的基礎(chǔ)上，方案3 的施工效率最高，能夠最大限度發(fā)揮壓實(shí)施工環(huán)節(jié)對高填方填石路基總體施工質(zhì)量的貢獻(xiàn)度，因此，可以判定方案3 為4 項(xiàng)備選方案的最優(yōu)選項(xiàng)。

3 結(jié)語

本文以某新建省道項(xiàng)目為研究背景，先從微觀和宏觀兩個層面深入研究了高填方填石路基的沉降機(jī)理和影響因素，進(jìn)而明確了壓實(shí)施工環(huán)節(jié)對其施工質(zhì)量的重要影響；再以高填方填石路基壓實(shí)施工為研究對象，采用DEA 方法中的CCR 模型，對滿足路基壓實(shí)施工技術(shù)要求的4 項(xiàng)壓實(shí)工況方案進(jìn)行了有效性程度比選，通過比較效率評價結(jié)果，最終認(rèn)定方案3 為最佳壓實(shí)工況方案。