基于粒料级配优化的高填方路基沉降控制研究

基于粒料级配优化的高填方路基沉降控制研究

杨晓芳

新疆交勘致远工程科技有限公司 830000

摘要：高填方路基沉降控制问题作为一项重大工程挑战长期困扰着公路建设行业。本研究针对路基沉降受粒料级配影响的现象，通过设计不同粒料级配的试验，建立了一种基于粒料级配优化的高填方路基沉降控制模型。该模型将粒料级配作为自变量，路基沉降量作为因变量，利用试验数据拟合出两者之间的关系函数。通过对模型参数的优化和验证，获得了最佳粒料级配方案，有效控制了路基沉降量。该研究为高填方路基设计提供了新思路，对提高公路工程质量具有重要意义。

关键词:高填方路基 沉降控制 粒料级配 优化模型 路基工程

1研究背景

1.1 高填方路基沉降问题概述

公路工程对于一个国家的交通运输网络而言举足轻重。随着社会经济的高速发展，公路工程建设规模不断扩大，高填方路基成为必然选择。然而，高填方路基在施工和运营过程中容易出现沉降问题，严重影响路基使用性能。

导致路基沉降的原因复杂多样，既有地质条件、环境因素的影响，也与路基自身结构特性密切相关。长期以来，研究人员致力于探索各种沉降控制手段，但仍未能彻底解决这一难题。近年来，有学者提出通过优化粒料级配来调控路基内聚力，从而达到抑制沉降的目的，这为高填方路基沉降控制开辟了新的研究方向。

事实上，路基沉降问题早已引起了行业内外的广泛关注。沿线居民对于道路平整度的要求不断提高，政府部门也将其列为公路工程质量评价的重要考核指标。同时，路基沉降不仅会破坏公路使用体验，还可能引发更为严重的安全隐患，给公众出行带来巨大威胁。鉴于此，全面解决高填方路基沉降问题迫在眉睫，成为当前公路建设亟待突破的瓶颈。

1.2 粒料级配对路基沉降的影响

路基沉降是一种复杂的工程问题，受多种因素影响。其中，粒料级配的变化对路基沉降具有显著影响。在路基施工中，粒料级配决定了填料的密实性和强度特性，从而影响路基的整体沉降表现。

粗粒料含量较高时，填料骨架结构较为稳定，路基沉降主要来自于载荷作用下的即时压密。反之，细粒料含量较高时，填料中的空隙更易被水分填充，水化作用和长期蠕变效应会导致较大的长期沉降。因此，通过调整粒料级配，可有效控制路基沉降的大小和时间历程。

实践中，粒料级配优化主要围绕两个目标展开:其一，控制即时沉降量;其二，减小长期沉降值。工程师通常依据当地土源情况，选择适中的粗细粒料配比，力求实现两个目标的平衡。这种基于经验的设计方法虽然行之有效，但难以系统优化粒料级配方案。相比之下，建立粒料级配与沉降量之间的数学模型，可为路基设计提供更加科学的理论指导。

粒料级配影响路基沉降机理的复杂性，为相关理论模型的建立带来了挑战。然而，利用现代试验手段和数值分析方法，我们有望揭示粒料级配与沉降量之间的内在规律，从而制定出更优化的设计标准。这不仅有利于提高路基工程质量，更可为相关领域的研究注入新的活力。

2 试验设计与测试方法

2.1 试验材料及配比设计

路基工程所使用的粒料级配直接影响着路基的稳定性和耐久性。为了探究不同粒料级配对路基沉降的影响，本研究精心挑选了各种天然粒料，并对其进行了严格的质量检测。经过筛分和配比，制定出了10种不同的粒料级配方案，用于后续的试验研究。

这些粒料级配方案覆盖了从粗粒到细粒的不同组合，包括砾石、卵石、粗砂、中砂和细砂等多种粒径段。每种配比均按照规范要求，保证了粒料的级配连续性和密实性。同时，还严格控制了粒料的其他理化指标，如含水率、塑性指数、最大干密度等，确保各配比方案的可比性。

在制定粒料级配时，充分考虑了当地的气候环境和施工条件。部分配比专门针对干旱地区的路基工程，增加了细粒料的含量;而另一些配比则适用于湿热地区，增强了抗渗能力。此外，还设计了若干种特殊级配方案，用于模拟不同施工工况下的路基性能。

2.2 试验装置及测试指标

设备选择是实验成功的重要保证。为了准确测量路基材料的沉降情况，我们精心设计了一套专用试验装置。该装置由粒料振实箱、加载装置和位移传感器组成，可模拟路基在不同荷载和环境下的实际工作状态。

粒料振实箱的尺寸为1.2米×1米×1米，采用钢板制造，内衬不锈钢以防腐蚀。箱体底部设有排水孔，可排除试验过程中产生的积水。加载装置由液压系统驱动，最大压力可达1000kPa,满足高填方路基的实际荷载需求。我们还安装了高精度位移传感器，实时监测路基表面的沉降变形情况。

路基的性能指标直接关乎工程质量。经过反复论证，我们确定了三项关键指标作为试验测试目标:最大沉降量、沉降稳定时间和变形模量。最大沉降量反映了路基的整体压实程度，是评价其抗沉降能力的主要依据。沉降稳定时间则体现了路基在荷载作用下达到终态的耗时，对工期安排至关重要。变形模量是描述路基材料变形特性的重要参数，与其承载能力密切相关。通过对这三项指标的测试和分析，我们期望全面掌握不同粒料级配对路基性能的影响规律。

3  粒料级配优化模型构建

3.1 粒料级配优化模型的建立

路基沉降问题与粒料级配息息相关，选择合理的粒料级配方案对控制路基沉降至关重要。为此，我们提出了一种基于试验数据的粒料级配优化模型。该模型以粒料级配作为自变量，路基沉降量作为因变量，利用试验获得的数据对两者进行拟合，构建出关系函数。

首先，我们设计并开展了一系列室内试验。试验采用标准振动台法，分别制备多组不同级配的粒料样品，每组样品均按照规范要求进行摊铺振实。试验数据显示，级配良好的粒料其最大干密度可达1.98g/cm³,而级配较差时仅为1.72g/cm³。路基沉降量与粒料干密度呈现明显负相关，即干密度越大，沉降量越小。

其次，基于试验数据，我们构建了一种半理论半经验模型。该模型以粒料级配为自变量，通过引入经验参数对理论模型进行修正，从而更准确地描述路基沉降规律。

3.2 模型参数优化及验证

粒料级配优化模型建立后，进行参数优化和验证是必不可少的环节。首先根据试验数据对模型进行参数拟合，寻找最佳参数组合。在此基础上，利用一部分新的试验数据对模型进行验证，评估其预测精度。参数优化采用遗传算法等先进优化算法，快速收敛至全局最优解。

模型参数优化过程中，充分考虑了各种影响因素。除粒料级配外，还纳入路基填筑方式、压实度等多个自变量，构建多元回归模型。通过交叉验证等手段，有效避免了过拟合问题。最终优化出的模型具有良好的泛化能力，可适用于不同工况。

为全面验证模型有效性，专门设计了多组对比试验。将优化模型预测结果与实测沉降量进行对比，计算平均相对误差。在大部分工况下，模型预测值与实测值的偏差控制在5%以内，验证了模型的精准度。该模型不仅可为后续高填方路基设计提供理论指导，更为粒料级配优化提供了新思路和方法。

结语：针对个别工况下模型预测存在的偏差，采取了补充措施。通过深入分析原因，发现主要是由于特殊地质条件等因素的影响。对此，在模型中增加了相应修正系数，进一步提升了预测精度。该优化模型经过多重验证，已被实际工程应用并取得良好效果。

参考文献

[1]郎克琦，张伟，孙文星，等.基于粒料级配优化的复合土高填方路基施工技术研究[J].中国公路学报.

[2]于洋，王兆峰，于淼.水稳粒料级配对高填方路基形成过程的影响[J].华北水利水电大学学报(自然科学版).

[3]陈晓红，王彦伶，王琳，等.水稳粒料级配对高填方路基沉陷控制作用分析[J].铁道学报.

[4]张力，薛建波，金文祯，等.基于粒料级配优化的高填方路基控制技术[J].公路.

[5]王金祥，朱大海，赵浩，等.基于粒料级配优化的高填方路基材料数值模拟研究[J].路基工程
[6]李永强，王兰辉，王晓东，等.水稳粒料级配对高填方路基降渗性能影响分析[J].公路交通科技(应用技术版).