弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖改良技術(shù)研究

何 澤，袁 偉

(1.廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 順德 528312;2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢分院，武漢 430056)

某鐵路客運(yùn)專(zhuān)線沿線分布有大量的弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得知，這是一種易風(fēng)化的軟質(zhì)巖。國(guó)外在筑路過(guò)程中如遇易風(fēng)化的軟巖，一般采用廢棄或延長(zhǎng)施工工期(延長(zhǎng)工期是為了使軟巖完全風(fēng)化)方式處理。而我國(guó)受土地資源、經(jīng)濟(jì)狀況、建設(shè)周期等條件限制不能照搬，因此開(kāi)展弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖改良技術(shù)的研究具有非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和工程實(shí)踐意義。

1 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的基本工程特性

1.1 天然狀態(tài)

泥質(zhì)粉砂巖手摸有粗糙感，細(xì)砂含量多，等粒結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖可以用風(fēng)鎬破碎開(kāi)采，弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖需爆破開(kāi)采，爆破后巖塊直徑一般為0.1～2.0 m。

1.2 化學(xué)成分和礦物成分

表1列出了弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖樣品的化學(xué)成分。該巖樣以SiO2為主。

表2列出了弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖樣品的主要礦物成分。該巖樣以石英、鈉長(zhǎng)石為主，占69.88%，其次是黏土礦物高嶺石。

弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的化學(xué)成分和主要礦物成分，使得該巖石具有強(qiáng)度低、弱膨脹性、易風(fēng)化等特點(diǎn)。

1.3 物理力學(xué)指標(biāo)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，得到各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表3。由表3可知，弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬于一種軟巖，具有易崩解、易軟化、易風(fēng)化、弱膨脹性的工程特點(diǎn)。

表1 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖化學(xué)成分

表2 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖主要礦物成分

表3 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理力學(xué)指標(biāo)

2 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料的改良措施

弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料直徑較大，如果碾壓不充分，會(huì)在列車(chē)荷載作用下繼續(xù)發(fā)生粉碎而造成沉降。因此，弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料不宜直接使用。

2.1 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料的顆粒分析

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2004)［1］規(guī)定，取一部分浸泡不同時(shí)間的弱 ～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料顆粒級(jí)配曲線

從圖1可看出:

1)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料的顆粒粒徑受浸水時(shí)間的長(zhǎng)短影響不是很大;

2)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料屬于圓礫土，細(xì)顆粒含量在30%左右。無(wú)論按其抗風(fēng)化能力還是按其細(xì)顆粒含量，應(yīng)將其劃歸到路基填料C組中去;

3)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料顆粒級(jí)配曲線比較平緩，但存在一小段平坡，表明破碎料缺乏0.2～2.0 mm范圍內(nèi)的顆粒。

2.2 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖改良方法的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，改良應(yīng)優(yōu)先選用物理改良的方法，即向其中摻加粒料。弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖經(jīng)破碎后，粒徑分布很不均勻，級(jí)配良好。但因其在碾壓過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生二次破碎，從而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)顆粒級(jí)配與室內(nèi)試驗(yàn)的顆粒級(jí)配存在一定的差別。另外，由室內(nèi)篩分曲線發(fā)現(xiàn)，弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料缺乏0.2～2.0 mm范圍內(nèi)的顆粒，并且細(xì)顆粒含量偏多，用于路堤的填筑時(shí)，對(duì)路堤的穩(wěn)定性是不利的。因此，應(yīng)該選用一些工程性質(zhì)比較穩(wěn)定、粒徑比較粗大、0.2～2.0 mm范圍內(nèi)的顆粒含量相對(duì)比較多的材料添加。

綜上所述，并考慮到施工的方便與經(jīng)濟(jì)性，決定選用中粗砂作為弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的改良劑。實(shí)際所用中粗砂的篩分曲線見(jiàn)圖2。

2.3 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土外加料劑量的確定

圖2 所用中粗砂的顆粒級(jí)配曲線

本文擬從物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)出發(fā)，采用摻入不同含量中粗砂的方法改良弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的顆粒級(jí)配和CBR值，從而確定最佳的中粗砂劑量。

2.3.1 不同摻砂量的泥質(zhì)粉砂巖物理改良土的顆粒級(jí)配

根據(jù)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖破碎料以及中粗砂的篩分結(jié)果，從而繪制出顆粒級(jí)配曲線，見(jiàn)圖3。從圖3可知，隨著摻砂量的增加，混合料中0.2～2.0 mm范圍內(nèi)的顆粒會(huì)相對(duì)地有所增加，0.075～0.20 mm范圍內(nèi)的顆粒會(huì)相對(duì)地有所減少，細(xì)顆粒含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，摻砂量達(dá)到15%以后，細(xì)顆粒含量不超過(guò)25%?；旌狭系念w粒粒徑所發(fā)生的變化，使得混合料在物理性質(zhì)方面得到改善。

2.3.2 不同摻砂量的泥質(zhì)粉砂巖物理改良土的CBR值

CBR試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 051—93)［3］進(jìn)行。圖4為30擊泡水4天的物理改良土CBR值隨不同摻砂量的變化情況?？芍?，隨著摻砂量的增加，土體的CBR值會(huì)提高，膨脹量會(huì)有所減少。根據(jù)日本鐵路對(duì)路基填料CBR值的要求(CBR＞10%)［4］，弱 ～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖摻入15% ～25%的中粗砂改良后，CBR值高達(dá)12.4% ～13.2%，能用于高速鐵路路基填筑。由圖3和圖4可見(jiàn)，摻入15%的中粗砂后，弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)得到明顯改善，具備填筑高速鐵路不浸水路堤本體部分的可行性。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)摻量的不準(zhǔn)確性與拌合的不均勻性，特將實(shí)際摻砂量調(diào)整到20%。

3 循環(huán)擊實(shí)與碾壓對(duì)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土的影響

3.1 改良土在循環(huán)擊實(shí)泡水條件下的顆粒級(jí)配變化

圖3 不同摻砂量的泥質(zhì)粉砂巖物理改良土的顆粒級(jí)配曲線

圖4 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土CBR值隨摻砂量的變化

為了模擬弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土填筑的路堤在很不利的外界條件下(浸水及重復(fù)荷載的作用)可能發(fā)生的一些工程情況，在室內(nèi)采取循環(huán)擊實(shí)并泡水的試驗(yàn)方法重點(diǎn)研究擊實(shí)土樣顆粒粒徑的變化情況。具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5及圖5。從試驗(yàn)結(jié)果可知:泥質(zhì)粉砂巖物理改良土在錘擊及泡水的作用下，細(xì)顆粒含量會(huì)有所增加，高達(dá)46%，這對(duì)填料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是不利的;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擊實(shí)功達(dá)到一定的值后，泥質(zhì)粉砂巖物理改良土能夠達(dá)到密實(shí)的狀態(tài)，其崩解性得到很大程度的改善，顆粒粒徑基本上不再受泡水與擊實(shí)的影響，抗壓性能及水穩(wěn)定性均良好。

3.2 改良土在碾壓前后的顆粒級(jí)配變化

泥質(zhì)粉砂巖物理改良土在室內(nèi)擊錘的作用下，會(huì)使其細(xì)顆粒含量偏多，但擊實(shí)試驗(yàn)的錘擊和壓路機(jī)的振動(dòng)碾壓作用機(jī)理差別較大，因此室內(nèi)試驗(yàn)研究成果不一定與現(xiàn)場(chǎng)施工的情況吻合。為了研究現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)泥質(zhì)粉砂巖物理改良土顆粒粒徑的影響，在碾壓前后對(duì)物理改良土填料取樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6及圖6。從試驗(yàn)結(jié)果可知，泥質(zhì)粉砂巖物理改良土的顆粒粒徑受碾壓機(jī)械的影響很小，細(xì)顆粒含量雖然會(huì)有所增加，但總量不超過(guò)35%，增量為5%左右;顆粒級(jí)配曲線依舊良好，符合要求［5］。

表4 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土循環(huán)擊實(shí)與泡水試驗(yàn)的步驟

表5 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土循環(huán)擊實(shí)與泡水篩分結(jié)果 %

表6 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土碾壓前后篩分結(jié)果 %

圖5 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土循環(huán)擊實(shí)與泡水顆粒級(jí)配曲線

4 弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土現(xiàn)場(chǎng)填筑質(zhì)量及路堤沉降觀測(cè)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)填筑質(zhì)量檢測(cè)

弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土全部用于某客運(yùn)專(zhuān)線試驗(yàn)段路堤本體的填筑，共填筑了6層。每層壓實(shí)后都進(jìn)行各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)(見(jiàn)表7)，結(jié)果表明，地基系數(shù)K30、動(dòng)態(tài)變形模量 Evd、二次變形模量Ev2和孔隙率n等力學(xué)指標(biāo)都滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖6 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土碾壓前后顆粒級(jí)配曲線

4.2 路堤沉降觀測(cè)

在試驗(yàn)段的兩個(gè)斷面中心線處路堤本體內(nèi)各埋設(shè)一個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)，進(jìn)行路堤本體沉降觀測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該路堤本體的壓縮沉降量很小，不超過(guò)6 mm，但沉降還有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，尚待持續(xù)觀測(cè)。

表7 泥質(zhì)粉砂巖物理改良土壓實(shí)控制指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于不宜直接用作高速鐵路路基填料的弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，摻入中粗砂進(jìn)行物理改良，經(jīng)過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了以下重要結(jié)論:

1)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖摻入20%中粗砂后，級(jí)配曲線更加平緩，且不存在平坡段，顆粒不均勻性良好，粒徑變化范圍較大，有利于填料壓實(shí)質(zhì)量的控制。

2)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖摻入20%中粗砂后，能夠提高土體的CBR值，水穩(wěn)性得到增強(qiáng)。在壓實(shí)系數(shù)達(dá)到92%時(shí)，改良土的CBR值高于10%，完全能用作高速鐵路路基填料。

3)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土經(jīng)擊實(shí)或碾壓以后，崩解性得到很大程度的改善，抗壓性能及水穩(wěn)定性均良好，不過(guò)最好不要用作浸水路堤填料。

4)弱～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖物理改良土經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)填筑壓實(shí)以后，質(zhì)量很好，沉降變形量很小。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB10102—2004 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［2］徐培華，王安玲.公路工程混合料配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTJ 051—93 公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，1993.

［4］(日)薄，宮林，小島等.鐵道部科學(xué)研究院譯.采用軟巖棄碴的大型填土的設(shè)計(jì)和施工［J］.土與基礎(chǔ)，1984，32(7):53-59.

［5］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院，鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.