全風(fēng)化花崗巖路基填料物理改良強度特性研究

錢葉琳，劉曉義，2

（1.安徽省路橋工程集團有限責(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[2]的現(xiàn)場檢測試驗可知，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，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，隨著人們對粗粒土認識的加深，成本低廉且環(huán)保的物理改良法被提出。本文結(jié)合G318 青陽段（五星—清泉嶺）改建工程項目的全風(fēng)化花崗巖物理改良路基填料來研究這種混合料的強度特性。

G318 青陽段（五星—清泉嶺）改建工程項目位于安徽省池州市青陽縣縣城南部新城區(qū)，蓉城鎮(zhèn)境內(nèi)。線路全長8.59km，設(shè)計公路等級為一級公路，兼具城市道路功能，設(shè)計行車速度為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，硬塑～堅硬土狀、砂土狀。此項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，從而使其級配特性轉(zhuǎn)變?yōu)榇至Ｍ痢１疚囊赃@種摻拌料為研究對象，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)驗和借鑒。

1 填料的基本性質(zhì)

依據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)[7]，采用方孔篩分法對取自施工現(xiàn)場的摻拌料試樣進行顆粒分析試驗，得出試驗填料的級配參數(shù)如表1所示。

表1 摻拌料的級配參數(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黏性粗粒土。

由文獻[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來表示。并認為當(dāng)P5≈70%時填料的工程特性最好，此時填料中的粗顆粒可以形成完整的骨架，而細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%，表明其粗細顆粒含量相對較均勻。由擊實試驗測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)化花崗巖具有級配單一、黏粒含量極少、較低的黏結(jié)性和塑性及浸水震動后易液化等特征[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，壓實需要的能量較大，壓實難度也大，且極易松散。而碎石土（取自開挖出來經(jīng)破碎過的中風(fēng)化和微風(fēng)化的花崗巖）其顆粒組成幾乎均為粗顆粒，用這種破碎過的碎石土填筑路基，可以形成良好的骨架，但因其缺乏細顆粒，骨架的孔隙無法填充，其結(jié)構(gòu)形式為骨架孔隙型。

這兩種土料均不適合單獨用來填筑路基，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，細顆粒又能填充滿孔隙，從結(jié)構(gòu)形式來看，這是一種非常完美的結(jié)構(gòu)形式。由文獻[8]可知，這種結(jié)構(gòu)具有透水性強、抗壓強度高、壓實密度大、沉降變形小的特點，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。

3 研究方案

3.1 研究目的

本研究是針對G318 青陽段（五星—清泉嶺）改建工程項目已經(jīng)實施的改良材料進行強度特性研究，在物理改良之前已經(jīng)通過室內(nèi)顆粒分析試驗確定了施工摻配比，即以此摻配比摻拌的填料經(jīng)過現(xiàn)場碾壓試驗，其各項指標(biāo)均符合設(shè)計和規(guī)范的要求。因此，本研究的目的是了解該種填料的抗剪強度特性，進一步研究含水率、壓實度及最大粒徑對該種混合料強度的影響，以此為施工提供參考。

3.2 研究方法

進行室內(nèi)大型直剪試驗，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)采用大型直剪儀進行剪切試驗時，由于取原狀土樣試驗比較困難，所以一般都采用擾動土樣。

本試驗采用固結(jié)不排水快剪（固結(jié)快剪）試驗，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，測求土樣的抗剪強度參數(shù)c和φ值。

4 研究結(jié)果分析

4.1 抗剪強度參數(shù)

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

表2 摻拌料的抗剪強度參數(shù)

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

4.2 含水率對強度指標(biāo)的影響

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

由圖1可以看出，對于該種摻拌料，其抗剪強度φ隨著含水率的增大呈減小的趨勢。

表3 列出了抗剪強度φ 隨含水率變化的變化率。

表3 抗剪強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，抗剪強度φ僅減小了5.3%，這說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效果，填料的強度也不會受到多少影響，這驗證了路基填筑應(yīng)在最佳含水量時進行填筑。從圖1還可以看出，在最佳含水量左右3個百分點范圍內(nèi)，填料的強度變化范圍并不大，這也說明在施工時，可以適當(dāng)放寬填料的含水率要求。眾所周知，皖南地區(qū)屬于江南濕潤多雨氣候，填料含水率的放寬對于該種條件下加快施工進度非常有利。

圖1 抗剪強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，其抗剪強度φ有一定程度的減小，填料的含水率從干燥增至飽和時，其抗剪強度φ的減小幅度約為1/4。這說明當(dāng)填料處于飽和時，其抗剪強度將受到影響，從而影響整個路基的強度和穩(wěn)定性。因此在施工中，一定要注意嚴防路基受水浸泡，已完成的路基要做好排水、防滲措施；對于正在填筑的路基，待大雨過后，一定要晾曬徹底，方可進行上層填筑，同時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，隨著壓實系數(shù)的增大，抗剪強度φ的變化率呈減小的趨勢，即對水的敏感性在降低，這說明壓實系數(shù)的增大可以增強填料的水穩(wěn)定性，同時說明該種填料的水穩(wěn)定性良好。這對施工的意義在于：當(dāng)遇到線路上某個區(qū)域地基存在軟基或地基承載力不強時，應(yīng)當(dāng)增大此區(qū)域填土的壓實度，以減小此區(qū)域同相鄰區(qū)域的不均勻沉降。

4.3 壓實系數(shù)對強度指標(biāo)的影響

壓實系數(shù)對摻拌料抗剪強度的影響如圖2 所示。可以看出，無論填料的含水率如何，其抗剪強度φ隨著壓實系數(shù)的增大也呈增大的趨勢。

圖2 抗剪強度隨壓實系數(shù)的變化曲線

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

表4 抗剪強度隨壓實系數(shù)變化的變化率

4.4 最大粒徑對強度指標(biāo)的影響

眾多學(xué)者認為，在同等條件下，最大粒徑越大，抗剪強度φ越大。文獻[9]也得出強度指標(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，最大粒徑對強度指標(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，混合料的結(jié)構(gòu)為懸浮密實型，此時即使有少量的大粒徑顆粒存在，對抗剪強度的影響也不大，因為對于懸浮密實型結(jié)構(gòu)而言，其抗剪強度主要來自于顆粒之間的摩擦力。當(dāng)粗顆粒含量在30%～70%時，混合料的結(jié)構(gòu)由懸浮密實型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐嵭停藭r的抗剪強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[8]指出，當(dāng)混合料中粗顆粒含量P5約為70%時，混合料的結(jié)構(gòu)達到最佳骨架密實狀態(tài)；當(dāng)混合料中粗顆粒含量P5大于70%時，骨架中的孔隙缺乏細料填滿，混合料的結(jié)構(gòu)成了骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其抗剪強度反而降低。因此，最大粒徑不可單獨作為混合料強度的影響因素。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，過大粒徑的大顆粒的存在對填料壓實不利。

5 結(jié)論與建議

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

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

（2）改良料的抗剪強度φ隨著含水率的增大呈減小的趨勢，含水率從0增大到最佳含水率時，抗剪強度φ的減小程度較小，施工時可以放寬填料含水率3個百分點進行填筑；

（3）當(dāng)改良料飽和時，其抗剪強度φ將受到一定影響，從而對路基的強度和穩(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，嚴防路基受水浸泡；

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

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

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