風(fēng)化巖路基填料工程特性分析

侯民強

(邯鄲市光太公路工程有限公司)

0 引 言

風(fēng)化巖路基填料是指由不同粒徑顆粒組成的混合物,與普通填石、填土路基填料相比,具有強度低,抗風(fēng)化能力差,遇水易膨脹和承載能力明顯下降等特點。許多山區(qū)高速公路沿線地形復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)筑路材料匱乏、施工難度大,沿線石料風(fēng)化嚴(yán)重,山區(qū)公路建設(shè)常規(guī)建筑材料又相對短缺,大量路基填筑材料只能就地取材,而現(xiàn)行《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10-2006)中涉及填石路基相關(guān)條目較少,對于風(fēng)化類石料如何用于山區(qū)高速公路路基填筑,更是缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求。

全面研究風(fēng)化巖填料的工程特性,找到一種合理有效的風(fēng)化巖路基填筑方法,科學(xué)地將一定風(fēng)化程度的風(fēng)化巖填料用于高等級公路路基填筑具有重要意義。

1 擊實和結(jié)構(gòu)特性

通過擊實試驗可得到四種不同風(fēng)化程度填料的最大干密度和最佳含水量,進而分析擊實所形成的結(jié)構(gòu)與粒料組成、含水量等因素的相關(guān)關(guān)系。

(1)含水量實驗

試驗分別取四種代表性填料 500g左右,并測定其含水量。試驗結(jié)果如圖 1。

圖1 代表性風(fēng)化巖填料天然含水量

(2)天然級配測試

了解四種不同風(fēng)化巖填料的顆粒組成,借鑒土質(zhì)土力學(xué)不均勻系數(shù)的概念分析填料的級配組成情況。試驗參照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTJ058-2000)中的粗集料及集料混合料篩分試驗(T0302-2005)。試驗結(jié)果如圖 2。

不均勻系數(shù) Cu反映大小不同粒組的分布情況,Cu＜5的土稱為勻粒土,級配不良;Cu越大,表示粒組分配范圍比較廣,Cu＞10的土級配良好。但 Cu過大,表示可能缺失中間粒徑,屬于不連續(xù)級配,故需同時用曲率系數(shù)來評價。

根據(jù)天然級配的篩分結(jié)果可計算得出四種不同風(fēng)化程度的不均勻系數(shù)黃質(zhì)料、灰質(zhì)料、隧道石的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)如表 1所示。

圖 2 四種風(fēng)化巖填料天然級配曲線

表 1 四種填料的不均勻和曲率系數(shù)

從以上計算結(jié)果可以看出,黃質(zhì)料、隧道石和灰質(zhì)料的不均勻系數(shù)均大于 10,且曲率系數(shù)對都比較接近,這三種填料級配良好;而青質(zhì)料不均勻系數(shù)小于 5,且曲率系數(shù)最小,表示這種填料級配組成不良。

(3)擊實試驗

為后期制備 CBR試件提供四種不同填料的最佳含水量,了解四種不同填料的擊實效果差異,通過此試驗類比分析風(fēng)化巖填料路基在碾壓過程中形成的結(jié)構(gòu)和破碎特性。試驗參照公路工程《土工試驗規(guī)程》(JTJ-051-93)中的擊實試驗(T0131-93)。因為該試料的最大粒徑為 37.5mm,選擇重型Ⅱ -2法進行擊實,其含水量按 2%遞增,試驗結(jié)果如圖 3。

圖 3 擊實試驗結(jié)果

從以上試驗結(jié)果可以看出,黃質(zhì)料的最大干密度值最大,達(dá)到 2.406g/cm3,最佳含水量為 6.2%;其他依次為:隧道石(最大干密度為 2.39g/cm3,最佳含水量為 7%)灰質(zhì)料(最大干密度為 2.38g/cm3,最佳含水量為 6%)。前三種填料的最大干密度相差不大,說明三種填料級配組成良好,在擊實中細(xì)料撐開骨料且對孔隙的填筑充分;三種填料的最大干密度雖然相近,但對應(yīng)的最佳含水量不同,眾所周知,最佳含水量對填料的擊實效果影響很大,在風(fēng)化巖路基填筑中,對于級配均勻且細(xì)料含量多的填料,必須嚴(yán)格控制碾壓含水量,才能使其達(dá)到最佳壓實效果。

青質(zhì)料的最大干密度為 2.18g/cm3,最佳含水量為5%,對比分析可以看出,青質(zhì)料的最大干密度明顯小于其余三類填料,其原因主要包括兩個方面:①青質(zhì)料的不均勻系數(shù)為 2.75,屬于級配不良的路基填料類型。②從結(jié)構(gòu)上看,細(xì)料填充不充分,粗骨料孔隙增大,形成了類似于填石路基的骨架空隙結(jié)構(gòu)。

從以上分析可以得出:①在風(fēng)化巖填料的路基填筑中,不均勻系數(shù)應(yīng)該可做為集料級配的一個控制指標(biāo);②級配均勻且細(xì)粒料含量較多的風(fēng)化巖填料施工時,必須嚴(yán)格控制碾壓含水量;③對于粗顆粒含量多且級配不均勻的風(fēng)化路基填料可以參照填石路基的施工控制。

2 擊實破碎性分析

為了更好的掌握風(fēng)化巖在路基填筑碾壓密實過程中顆粒的破碎情況,本研究采用類比分析的方法,根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051-93)中的擊實試驗(T0131-93)對四種不同風(fēng)化程度路基填料進行擊實,通過擊實前后粒料的級配的變化分析其破碎性。

表 2 標(biāo)準(zhǔn)擊實下四種風(fēng)化巖填料的 M值變化情況

破碎率按下式計算

式中:M1為天然級配下的 M值;M2為標(biāo)準(zhǔn)擊實(或者是振動擊實)下的M值。M值按下式計算

式中:ki為對應(yīng) i粒徑的含量;n為 i級粒徑的尺寸。

通過計算可得:標(biāo)準(zhǔn)擊實下四種填料的破碎率分別為青質(zhì)料:Na=26.5%,黃質(zhì)料:Nb=30.5%,隧道石:Nc=35.9%,灰質(zhì)料:Nd=41.8% 。

擊實破碎試驗從側(cè)面反映出了四種不同程度的風(fēng)化巖填料在碾壓密實過程中粒料的破碎情況,同時也說明了風(fēng)化程度對填料破碎性質(zhì)的影響之大。

3 長期穩(wěn)定性

風(fēng)化后的路基填料由于風(fēng)化作用導(dǎo)致其強度變低、壓實破碎特性與普通填石路基不同,施工過程中的破碎情況比一般填石路基更加嚴(yán)重。但是,風(fēng)化巖路基填筑顆粒在竣工后的長期使用過程中,其性能也并非一成不變,并且這些特性與填料的風(fēng)化程度、風(fēng)化作用形成的產(chǎn)物、路基排水等因素有關(guān)。綜合分析,影響風(fēng)化巖填筑路基長期穩(wěn)定性的因素主要包括以下方面。

(1)路基填料的風(fēng)化程度

風(fēng)化程度是決定路基填料粒料組成和力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo),由于風(fēng)化程度的不同而產(chǎn)生的風(fēng)化碎屑物中親水性粘土礦物如蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物成分的含量也不相同。這些親水性的粘土礦物都具有顆粒組成較細(xì)、吸水率高、比表面積大等特點。在充分浸水的條件下,水分向填料孔隙中侵蝕會導(dǎo)致路基填料軟化、破碎,路基整體承載能力下降、水穩(wěn)性差、膨脹產(chǎn)生坑槽等破壞。

(2)水作用的影響

由于風(fēng)化巖填筑路基填料中含有相當(dāng)?shù)挠H水性粘土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石等),水的存在不但會加速填筑顆粒的膨脹、崩解,同時還會產(chǎn)生更多的次生粘土礦物,由于次生粘土礦物特有的層間結(jié)構(gòu),尤其是其所具有的疊層狀礦物結(jié)構(gòu),在水的極性作用下侵蝕結(jié)構(gòu)物層間空隙,造成這類礦物產(chǎn)生總體膨脹、局部產(chǎn)生脹縮效應(yīng),在宏觀上引起顆粒整體開裂,這就使得環(huán)境水更加容易侵入填料內(nèi)部,產(chǎn)生一個“侵蝕——開裂、膨脹——深度侵蝕”的惡性循環(huán),對路基的長期穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重的影響。

(3)填料風(fēng)化次生礦物的影響

風(fēng)化巖填料雖然填筑在路基結(jié)構(gòu)體中,但是由于水和溫度變化的影響會進一步產(chǎn)生風(fēng)化蝕變,如果把風(fēng)化填料看做原生礦物的話,其原生礦物也會進一步分解形成一種或幾種新的蝕變次生礦物,顆粒會變得更細(xì),這種進一步風(fēng)化作用產(chǎn)生的是次生礦物。所以,防止路基填料的進一步蝕變對于這種特殊填料的路基穩(wěn)定有重要意義。

4 結(jié) 語

在對風(fēng)化巖填料的工程特性進行深入了解之后,并合理使用風(fēng)化類石料用于路基填筑,會使得填筑路基石料的選擇更為科學(xué)、合理。如果能成功地將風(fēng)化巖應(yīng)用于山區(qū)公路路基填筑,確保此類材料填筑路基使用性能,減少山區(qū)高速公路路基施工中填料匱乏的難題,節(jié)約大量的工程成本,變廢為寶;而且還可以通過減少風(fēng)化巖棄置量,保護自然環(huán)境。

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