0 引言

随着我国国力日益强盛，山区高等级公路建设的步伐也随之加快。山区公路建设的一个难点问题是良性土质填料匮乏，相比之下较为常见的物料为山皮土、碎石以及开凿隧道产生的大粒径块石。如何按照就近取材的原则将山区中常见物料用作路基填料，成为公路建设者的一个重要课题，在降低项目造价、缩短项目工期以及自然生态环境保护方面具有重要意义。

通过查阅相关规范及文献，路基填料以土质填料为主，最大粒径不得超过50 cm，超大粒径块石应用研究主要集中于抛石填海和堆石坝等工程领域，而将超大粒径块石用于路基填筑还鲜有研究。高艳君^[2]、王志伟^[3]等研究了超大粒径块石在填海工程中的应用，但超大粒径块石主要起抛石填海的作用，与超大粒径块石在路基中的稳定性要求不尽相同；姜洋、许锡昌等^[4-9]研究了土石混填料的工程特性，但回避了超大粒径块石的存在。对于含超大粒径块石的土石混填路基稳定性，本文采用布放的施工工艺，并利用室内试验和数值模拟的手段，对超大粒径块石布放的参数进行了深入研究，用以对实际工程进行指导。

1 超大粒径块石的工程特性

超大粒径块石与普通路基填料在体积、形状和强度等方面存在较大差别，经比较工程沿线超大粒径块石特点，总结了其工程特性如下：

(1) 超大粒径块石体积巨大。我国相关规范规定常规路基填料粒径在500 mm以下，而山区中存在较多大于500 mm的超常规块石，有的隧道爆破出的块石尺寸甚至达到了1.5~2 m，这种超大粒径块石对室内试验设计和本构模型构建都是巨大挑战。

(2) 超大粒径块石外部几何形态复杂。超大粒径块石形态迥异，包括各种规则或非规则的多面体，不同形状的块石其工程特性也不一样，因此应对超大粒径块石的形状及布放形态严加控制。

(3) 超大粒径块石在路基中的突变性。超大粒径块石尺寸和强度与其他土石混合料相差较大，含超大粒径块石路基与普通填料路基强度形成机理不同，不能以黏聚力和摩擦角指标进行分析，而应采用接触面模型进行分析。

(4) 超大粒径块石路基尚无现成的施工工艺。无论现有细粒土路基的施工工艺均为利用常规机械进行摊铺碾压，还是填石路基采用振动碾压和强夯工艺都不能完全适用于含超大粒径块石土石混填路基的施工过程，需要根据其强度形成机理进一步开发，形成一套完整适用的工艺。

综上所述，为保证含超大粒径块石路基稳定性，应当选择符合一定强度和形状要求的粒径在500 mm以上的块石进行填筑。

2 超大粒径块石在填筑体中布放工艺设计

在研究了超大粒径块石工程特性的基础上，为控制路基压实度和沉降，保证工程质量，本文以粒径为指标对超大粒径块石进行筛选，并创新性地采用了布放工艺，将超大粒径块石以一定间距摆放于特定路基层位，再通过振动碾压和强夯工艺进行压实，使整个路基达到稳定效果。

超大粒径块石的布放工艺包括挑选分类、数量统计、布放草图绘制、测量放线、块石摆放、土石混合料堆填、碾压夯实流程，其中超大粒径块石布放草图 1及块石现场摆放如图 2所示。

3 布放工艺下填筑体的压实度影响分析

为了解决含超大粒径块石土石混填料的压实度问题，本论文一方面以超大粒径块石为研究对象，对块石在路基中接触面的本构模型进行研究，通过数值分析对超大粒径块石布放的各项参数进行优化；另一方面通过室内试验研究分析块石间距和位置对普通填料压实的影响情况，对含超大粒径块石土石混填料压实度影响因素进行了研究。

3.1 基于接触面本构模型的数值模拟分析

接触面单元属于一种新的力学模型定义手段，通过对交界面的边界定义，用设计的单元模型来模拟交界面接触行为。作为路基填料的一部分，超大粒径块石与路基其他填料的关系主要是接触关系，在该种路基中超大粒径块石相对于其他填料刚度较大，其自身应变极小，故超大粒径块石在路基中主要是其表面与其他填料的各种力学行为。考虑到块石与路基填料是极其复杂的接触关系，故通过定义接触面单元^[10-18]来研究超大粒径块石在路基中的力学行为。

(1) 数值模拟思路

含超大粒径块石填筑体的压实主要是保证超大粒径块石间不产生压空区，本文模拟工程实际中超大粒径块石在不同间距下，经强夯加固后测试超大粒径块石间土石混填料的夯沉数据。在夯锤质量和落距均相同的情况下，以夯沉量作为指标，确定路基压实效果。

(2) 数值模拟方案

如图 3所示，利用Abaqus软件进行模拟计算，设计方案为：超大粒径块石粒径尺寸取工程中较常见的2 m，距路基顶面取值为1 m，超大粒径块石间距L分别取0，1，2，3，4，5，6 m，夯击位置在L中点处。夯锤半径取0.9 m，锤重取20 t，夯击能取2 000 kN·m，将夯锤简化成刚性圆柱体，有限元网格划分详见图 4。

超大粒径块石在路基中采用接触面单元的fortran模块带入求解计算，假设路基为各向同性的均质体，其参数详见表 1。

(3) 数值模拟结果

超大粒径块石间距分别取0~6 m，强夯后路基变形云图如图 5所示。

图 6计算结果为，当超大粒径块石间距达到2 m时，夯沉量值达到最大，随着间距继续增大，夯沉量值略有变小，但不明显。由结果分析可知，当间距小于夯锤直径 (2 m) 时，其间压实度难以保证；当间距达到夯锤直径 (2 m) 时，土石混填料压实度达到最大；随着间距继续扩大，压实度略有减小，但压实度亦能符合要求。由以上数据可知，当相邻两块超大粒径块石间距略大于夯锤直径时，超大粒径块石在一定程度上起到了侧限的作用，对压实度提高产生了积极影响。

3.2 等比缩小的室内试验分析

因超大粒径块石体积较大，现有室内试验设备无法满足其填筑体性质的研究，本文采用等比缩小的试验材料进行试验研究，并根据其特点及现有试验条件自制了试验箱。

(1) 试验方案设计

为了研究含超大粒径块石填筑体的压实度影响因素，用加厚钢板自制尺寸为：218 cm (长)×109 cm (宽)×151 cm (高) 矩形试验箱，边缘用角钢加固。为了观测填料的变化情况，在箱体的一侧设置透明玻璃。

试验材料包括等比缩小后的块石和由山皮土构成的土石混合料，其中超大粒径块石根据试验箱尺寸选取粒径为50 cm的块石，材料选自工程中从隧道开挖出的石灰岩块石；而土石混合料为取自工程沿线的山皮土，利用常规试验对土石混合料的最佳含水量和最大干密度进行测定，其数值分别为7.4%和2.06 g/cm³。

压实试验如图 7所示，将3块超大粒径块石摆入试验箱，进行两组试验，第1组3块超大块石间距分别为20，35，50 cm；第2组3块超大块石间距分别为65，80，95 cm。通过划分网格线，利用直径为23 cm，质量为33 kg的夯锤对填筑体进行标准夯击，对不同间距下土石混合料压实度进行排水法检测；同时，在填料中埋入土压力盒，用以检测夯击前后土压力数据。

(2) 试验结果分析

由图 8中不同间距下土石混填料压实度试验数据变化曲线可知，当超大粒径块石间距为20 cm时，土石混填料压实度没有达到要求；当超大粒径块石间距为35 cm时，土石混填料压实度达到最大；当超大粒径块石间距继续增大时，土石混填料压实度没有明显变化，且都达到要求。

由图 9的土压力盒数据曲线可知，当超大粒径块石间距在20 cm时，土石混合料压实度没有达到要求；当超大粒径块石间距为35 cm时，土压力到达最大；随着超大粒径块石间距继续增大，土石混合料土压力有下降，平稳落在6.5 kPa左右。

4 结论

本文分析了超大粒径块石的工程特性，创新性地采用布放工艺将超大粒径块石应用于路基填筑中，通过数值模拟和室内试验两种方式，研究了超大粒径块石布放参数对路基压实度的影响，得到如下结论：

(1) 当超大粒径块石间距小于夯锤直径时，土石混填料压实度较小，主要是由于超大粒径块石承受了强夯，吸收了夯击能，影响了路基压实度；

(2) 当超大粒径块石的间距略大于夯锤的直径时，土石混填料压实度达到最大值，随着间距继续增大，压实质量略有减小但仍能达到要求；

(3) 对比文中数值模拟和试验数据可以发现，当含超大粒径块石填筑体中超大粒径块石间距合适时，其压实度较不含超大粒径块石的普通填筑体略高，因为超大粒径块石在填筑体中起到了侧限的作用，使其达到更好的压实效果。