全風(fēng)化花崗巖路基填料物理改良強(qiáng)度特性研究

錢葉琳，劉曉義，2

（1.安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥230031；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州510000）

0 引言

全風(fēng)化花崗巖廣泛分布于我國(guó)的華東、華南及中南地區(qū)，具有黏結(jié)力小、結(jié)構(gòu)松散、承載力低、液塑限高、抗變形穩(wěn)定性及水穩(wěn)性均較差等工程特性[1]。由文獻(xiàn)[2]的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)可知，直接用全風(fēng)化花崗巖填筑的路基，彎沉值較大，與規(guī)范要求的彎沉值相差甚遠(yuǎn)，所以全風(fēng)化花崗巖不宜直接用作路基填料，必須采取措施提高路基的強(qiáng)度，以便降低路基的彎沉值。傳統(tǒng)的提高全分化花崗巖路基強(qiáng)度的方法有向填料中摻拌石灰或水泥等化學(xué)改良法[3～6]，改良效果較明顯，但成本高，且易造成環(huán)境污染。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)粗粒土認(rèn)識(shí)的加深，成本低廉且環(huán)保的物理改良法被提出。本文結(jié)合G318 青陽(yáng)段（五星—清泉嶺）改建工程項(xiàng)目的全風(fēng)化花崗巖物理改良路基填料來(lái)研究這種混合料的強(qiáng)度特性。

G318 青陽(yáng)段（五星—清泉嶺）改建工程項(xiàng)目位于安徽省池州市青陽(yáng)縣縣城南部新城區(qū)，蓉城鎮(zhèn)境內(nèi)。線路全長(zhǎng)8.59km，設(shè)計(jì)公路等級(jí)為一級(jí)公路，兼具城市道路功能，設(shè)計(jì)行車速度為60km/h，路基寬度為50m。線路全線地貌均為丘陵地貌，分布著大量的全風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化層厚度較大，呈灰黃色、褐黃色夾灰白色礦物斑點(diǎn)，硬塑～堅(jiān)硬土狀、砂土狀。此項(xiàng)目所采取的物理改良方法是向全風(fēng)化花崗巖填料中摻入60%的碎石土，從而使其級(jí)配特性轉(zhuǎn)變?yōu)榇至Ｍ?。本文以這種摻拌料為研究對(duì)象，研究物理改良全風(fēng)化花崗巖的工程特性及改良效果，為在此類地區(qū)建設(shè)類似工程和更高標(biāo)準(zhǔn)的公路中填料的選擇及改良提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 填料的基本性質(zhì)

依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[7]，采用方孔篩分法對(duì)取自施工現(xiàn)場(chǎng)的摻拌料試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得出試驗(yàn)填料的級(jí)配參數(shù)如表1所示。

表1 摻拌料的級(jí)配參數(shù)

由表1 可以看出，此摻拌料的黏粒含量為4.1%，小于黏性界限標(biāo)準(zhǔn)5%，可判斷此種摻拌料填料為無(wú)黏性粗粒土。

由文獻(xiàn)[7]可知，粗顆粒含量是指摻拌料中大于5mm 的顆粒占總質(zhì)量的百分比，以P5來(lái)表示。并認(rèn)為當(dāng)P5≈70%時(shí)填料的工程特性最好，此時(shí)填料中的粗顆?？梢孕纬赏暾墓羌埽?xì)顆粒恰好可以填滿孔隙，填料的干密度較大，沉降變形小，抗剪強(qiáng)度高。由表1可知，該種摻拌料填料的粗顆粒含量P5為60.43%，表明其粗細(xì)顆粒含量相對(duì)較均勻。由擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得該種摻拌料填料的最大干密度為2.28g/cm3，最佳含水量為6.3%。

2 物理改良原理分析

全風(fēng)化花崗巖具有級(jí)配單一、黏粒含量極少、較低的黏結(jié)性和塑性及浸水震動(dòng)后易液化等特征[3]。用全風(fēng)化花崗巖直接填筑的路基其結(jié)構(gòu)形式為顆粒懸浮型，壓實(shí)需要的能量較大，壓實(shí)難度也大，且極易松散。而碎石土（取自開挖出來(lái)經(jīng)破碎過(guò)的中風(fēng)化和微風(fēng)化的花崗巖）其顆粒組成幾乎均為粗顆粒，用這種破碎過(guò)的碎石土填筑路基，可以形成良好的骨架，但因其缺乏細(xì)顆粒，骨架的孔隙無(wú)法填充，其結(jié)構(gòu)形式為骨架孔隙型。

這兩種土料均不適合單獨(dú)用來(lái)填筑路基，但是將兩者按照一定的比例摻拌到一起，既可以形成粗粒骨架，細(xì)顆粒又能填充滿孔隙，從結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，這是一種非常完美的結(jié)構(gòu)形式。由文獻(xiàn)[8]可知，這種結(jié)構(gòu)具有透水性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大、沉降變形小的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的工程特性。該物理改良全風(fēng)化花崗巖路基填料的原理便是據(jù)此得來(lái)。

3 研究方案

3.1 研究目的

本研究是針對(duì)G318 青陽(yáng)段（五星—清泉嶺）改建工程項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施的改良材料進(jìn)行強(qiáng)度特性研究，在物理改良之前已經(jīng)通過(guò)室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)確定了施工摻配比，即以此摻配比摻拌的填料經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。因此，本研究的目的是了解該種填料的抗剪強(qiáng)度特性，進(jìn)一步研究含水率、壓實(shí)度及最大粒徑對(duì)該種混合料強(qiáng)度的影響，以此為施工提供參考。

3.2 研究方法

進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，采用的是應(yīng)變控制式大型直剪儀，剪切盒為立方體型，其尺寸為：300mm×300mm×300mm。此直剪儀適用于最大粒徑為60mm的試樣。當(dāng)采用大型直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，由于取原狀土樣試驗(yàn)比較困難，所以一般都采用擾動(dòng)土樣。

本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水快剪（固結(jié)快剪）試驗(yàn)，即固結(jié)后再快速施加水平剪力，并在3～5min內(nèi)將土樣剪損，測(cè)求土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ值。

4 研究結(jié)果分析

4.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

本試驗(yàn)是先測(cè)定在最佳含水量情況下、壓實(shí)度分別為0.93 和0.96 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；然后在相同條件下，向剪切盒內(nèi)注水使試樣飽和，再測(cè)定飽和狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 摻拌料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

從表2中可以看出，此種摻拌料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)表現(xiàn)出的特點(diǎn)為：黏聚力均較小，內(nèi)摩擦角均較大。即便在飽和時(shí)，其內(nèi)摩擦角φ 都大于30°，這說(shuō)明該種摻拌料具有較好的抗剪強(qiáng)度特性。

4.2 含水率對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

對(duì)于粗粒土來(lái)說(shuō)，因其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的黏聚力c值非常小，對(duì)于抗剪強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，其影響并不大，因此可僅用內(nèi)摩擦角φ值來(lái)代表土樣的抗剪強(qiáng)度。含水率對(duì)摻拌填料抗剪強(qiáng)度的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，對(duì)于該種摻拌料，其抗剪強(qiáng)度φ隨著含水率的增大呈減小的趨勢(shì)。

表3 列出了抗剪強(qiáng)度φ 隨含水率變化的變化率。

表3 抗剪強(qiáng)度隨含水率變化的變化率

由表3可知，當(dāng)含水率從0增至6.3%時(shí)，抗剪強(qiáng)度φ僅減小了5.3%，這說(shuō)明在最佳含水量狀態(tài)下填筑路基，既可以得到較好的壓實(shí)效果，填料的強(qiáng)度也不會(huì)受到多少影響，這驗(yàn)證了路基填筑應(yīng)在最佳含水量時(shí)進(jìn)行填筑。從圖1還可以看出，在最佳含水量左右3個(gè)百分點(diǎn)范圍內(nèi)，填料的強(qiáng)度變化范圍并不大，這也說(shuō)明在施工時(shí)，可以適當(dāng)放寬填料的含水率要求。眾所周知，皖南地區(qū)屬于江南濕潤(rùn)多雨氣候，填料含水率的放寬對(duì)于該種條件下加快施工進(jìn)度非常有利。

圖1 抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化曲線

當(dāng)填料的含水率從6.3%增至16.9%（飽和）時(shí)，其抗剪強(qiáng)度φ有一定程度的減小，填料的含水率從干燥增至飽和時(shí)，其抗剪強(qiáng)度φ的減小幅度約為1/4。這說(shuō)明當(dāng)填料處于飽和時(shí)，其抗剪強(qiáng)度將受到影響，從而影響整個(gè)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此在施工中，一定要注意嚴(yán)防路基受水浸泡，已完成的路基要做好排水、防滲措施；對(duì)于正在填筑的路基，待大雨過(guò)后，一定要晾曬徹底，方可進(jìn)行上層填筑，同時(shí)每壓完一層都要做好排水工作，防止突降大雨浸泡填筑層。

由表3還可以看出，隨著壓實(shí)系數(shù)的增大，抗剪強(qiáng)度φ的變化率呈減小的趨勢(shì)，即對(duì)水的敏感性在降低，這說(shuō)明壓實(shí)系數(shù)的增大可以增強(qiáng)填料的水穩(wěn)定性，同時(shí)說(shuō)明該種填料的水穩(wěn)定性良好。這對(duì)施工的意義在于：當(dāng)遇到線路上某個(gè)區(qū)域地基存在軟基或地基承載力不強(qiáng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)增大此區(qū)域填土的壓實(shí)度，以減小此區(qū)域同相鄰區(qū)域的不均勻沉降。

4.3 壓實(shí)系數(shù)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

壓實(shí)系數(shù)對(duì)摻拌料抗剪強(qiáng)度的影響如圖2 所示?？梢钥闯觯瑹o(wú)論填料的含水率如何，其抗剪強(qiáng)度φ隨著壓實(shí)系數(shù)的增大也呈增大的趨勢(shì)。

圖2 抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)系數(shù)的變化曲線

由表4 可以看出，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)由0.93 增大至0.96時(shí)，無(wú)論在何種含水率狀態(tài)，摻拌料的抗剪強(qiáng)度變化率均在20%左右。這一方面說(shuō)明了增大壓實(shí)系數(shù)可以增大路基強(qiáng)度，另一方面說(shuō)明該種摻拌料具有一定的水穩(wěn)定性，同時(shí)證明了直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

表4 抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)系數(shù)變化的變化率

4.4 最大粒徑對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

眾多學(xué)者認(rèn)為，在同等條件下，最大粒徑越大，抗剪強(qiáng)度φ越大。文獻(xiàn)[9]也得出強(qiáng)度指標(biāo)隨最大粒徑的增大而增大的結(jié)論。但是需要指出的是：最大粒徑的影響是有限的，最大粒徑對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響還與粗顆粒含量P5在混合料中占的比例有關(guān)。當(dāng)粗顆粒含量小于30%時(shí)，混合料的結(jié)構(gòu)為懸浮密實(shí)型，此時(shí)即使有少量的大粒徑顆粒存在，對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響也不大，因?yàn)閷?duì)于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)而言，其抗剪強(qiáng)度主要來(lái)自于顆粒之間的摩擦力。當(dāng)粗顆粒含量在30%～70%時(shí)，混合料的結(jié)構(gòu)由懸浮密實(shí)型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐?shí)型，此時(shí)的抗剪強(qiáng)度除了顆粒之間的摩擦力外，還出現(xiàn)了一種新的力——咬合力，咬合力在角礫土中發(fā)揮的作用更大。文獻(xiàn)[8]指出，當(dāng)混合料中粗顆粒含量P5約為70%時(shí)，混合料的結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳骨架密實(shí)狀態(tài)；當(dāng)混合料中粗顆粒含量P5大于70%時(shí)，骨架中的孔隙缺乏細(xì)料填滿，混合料的結(jié)構(gòu)成了骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其抗剪強(qiáng)度反而降低。因此，最大粒徑不可單獨(dú)作為混合料強(qiáng)度的影響因素。在施工中，摻拌料的最大粒徑按照規(guī)范的規(guī)定控制即可，過(guò)大粒徑的大顆粒的存在對(duì)填料壓實(shí)不利。

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)大型直剪試驗(yàn)探索了某全風(fēng)化花崗巖物理改良路基填料的抗剪強(qiáng)度特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）該改良料具有較好的抗剪強(qiáng)度特性，表現(xiàn)為黏聚力c均較小，內(nèi)摩擦角φ均較大；

（2）改良料的抗剪強(qiáng)度φ隨著含水率的增大呈減小的趨勢(shì)，含水率從0增大到最佳含水率時(shí)，抗剪強(qiáng)度φ的減小程度較小，施工時(shí)可以放寬填料含水率3個(gè)百分點(diǎn)進(jìn)行填筑；

（3）當(dāng)改良料飽和時(shí)，其抗剪強(qiáng)度φ將受到一定影響，從而對(duì)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成一定影響，因此施工中一定要做好排水、防滲措施，嚴(yán)防路基受水浸泡；

（4）改良料的抗剪強(qiáng)度φ隨著壓實(shí)系數(shù)的增大呈增大的趨勢(shì)，壓實(shí)系數(shù)的增大可以增強(qiáng)填料的水穩(wěn)定性；

（5）最大粒徑對(duì)改良料強(qiáng)度的影響是有限的，對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響與粗顆粒含量P5在混合料中占的比例有關(guān)，不可單獨(dú)作為混合料強(qiáng)度的影響因素。

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