風化砂作為路床填料的路用性能研究

王少文，閆振強，王立江，王浩，張新缸，胡文軍

（1.山東省公路橋梁建設有限公司，濟南 250000；2.山東建筑大學，濟南 250101）

1 引言

風化砂是地表巖層經過風化作用而產生的，耐久性相比于一般土料而言較差，物理力學性質較不穩定[1]。新臺高速XTSG-1標段自北向南經過魯中南中低山丘陵工程地質區，道路兩側分布有大量風化砂，價格低廉，若合理利用作為路基填料則可大量節省資金，降低工程造價，帶來巨大的經濟和環境效益[2～4]。目前，對于風化砂的研究大部分都聚焦于利用水泥或者石灰粉煤灰來對風化砂進行改良處理。郭應杰等[5]對風化砂的物理力學性質進行了試驗研究，對經水泥穩定后的效果和路用性能進行了探討，發現其強度增長較大，能夠滿足規范規定的強度要求。楊俊等[6～9]研究了水泥穩定風化砂和二灰穩定風化砂的路用性能。馬遠镈[10]研究了不同含泥量的水泥穩定風化砂的無側限抗壓強度，發現水泥和黏土摻量的增加均會使強度出現峰值。劉紅等[11]研究了二灰穩定風化砂的無側限抗壓強度特性的影響規律，發現其強度均滿足作為一級公路底基層的強度指標要求。

本文以風化砂為研究對象，通過試驗研究在建新臺高速XTSG-1標段沿線分布風化砂的顆粒組成、礦物成分、擊實特性、承載比特性和回彈模量，了解其物理力學性質，為更好地利用風化砂作為路床填料提供理論支撐。

2 風化砂的物理力學性質

2.1 礦物成分

通過XRD試驗得到該風化砂的主要礦物成分，Na(AlSi3O8)占比為63%，是其主要組成部分，它是鈉的鋁硅酸鹽，一種常見的長石礦物。其次為SiO2，占比為33%。

2.2 級配

本文取K5+200和K11+800兩個不同樁號的風化砂進行篩分試驗，篩分試驗結果如圖1所示。K5+200位置處的風化砂礫粒組含量為50.7%，大于50%，細粒含量為5%～15%，命名為含細粒土礫。不均勻系數Cu為12，曲率系數Cc為4.08，土中缺少中間粒組。K11+800樁號處的風化砂礫粒組含量為75.2%，大于50%，細粒含量＜5%，不均勻系數Cu為40，曲率系數Cc為2.5，為級配良好礫。根據以上2組取自不同樁號處的風化砂篩分結果及級配曲線，可知不同位置風化砂的級配存在明顯差異，且顆粒分布存在較大的不均一性。

圖1 K5+200、K11+800粒徑累計曲線

2.3 液塑限

本文對粒徑小于0.5mm的細粒土液塑限（K5+200）進行了試驗，得到結果是：液限為29.23，塑限為18.74，塑性指數IP為10.49，小于0.5mm細粒部分為粉質黏土。

3 試驗方案及結果分析

本文試驗試件制備及試驗方法均按照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》中相應規定進行，擊實試驗采用重型擊實，回彈模量試驗采用強度儀法。

3.1 風化砂擊實試驗結果及分析

2個樁號的風化砂的擊實曲線如圖2所示。經過非線性擬合之后，得到K5+200位置處風化砂最佳含水率為7.45%，最大干密度為2.224g/cm3，相關系數為0.9792； K11+800位置處風化砂最佳含水率8.63%，最大干密度為2.248g/cm3，相關系數為0.994 4。對不同風化砂取樣位置的擊實特性進行分析，由圖2可知，最佳含水率基本保持在約8%，最大干密度穩定在約2.2g/cm3。雖然不同位置處風化砂的級配差異性較大，但是其最佳含水率和最大干密度并不因其位置的不同而產生較大的差異。

圖2 K5+200、K11+80擬合擊實曲線

3.2 承載比試驗結果及分析

承載比是路基土和路面材料的強度指標，是柔性路面設計的主要參數之一。針對不同位置處的風化砂進行承載比試驗，試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 K5+200 CBR（98擊）測試值

圖 4 K11+800 CBR（98擊）測試值

當貫入量l=2.5mm時，試件1、試件2和試件3的CBR值分別為48.31%、46.20%和41.18%。當貫入量l=5mm時，試件1、試件2和試件3的CBR值分別為54.80%、55.97%和42.24%。采用5mm時的承載比，其平均值為51.00%。與K5+200處的風化砂相比，K11+800處風化砂的承載比提高了約6%，根據不同試件的測試結果，最小的承載比也基本上能夠達到40%。根據JTG D30—2015《公路路基設計規范》規定，高速公路上路床填料最小承載比為8%，試驗所用風化砂土樣的CBR值是遠遠大于規范要求的。

3.3 回彈模量試驗結果及分析

回彈模量是一個與土的性質、土的含水量以及土的密實程度具有一定相關性的函數，表示土基在彈性變形階段內，抵抗豎向變形的能力。本文對在K11+800位置取得風化砂進行了回彈模量試驗。平行試驗2和試驗3基本上保持一致，3級加載后的回彈變形分別為0.308、0.462、0.616和0.318、0.474、0.635，而平行試驗1進行加載后，回彈變形為0.391、0.587、0.782。相對于平行試驗2和試驗3，各級荷載下的回彈變形均有較大增加。計算回彈模量結果如圖5和圖6所示。

圖5 平行試驗下每級荷載的回彈模量

圖6 土的回彈模量

由圖5和圖6可以看出，平行試驗1的回彈模量均小于試驗2和試驗3，各個試驗每級荷載下的回彈模量基本相等。試驗1、試驗2和試驗3的回彈模量分別為4987MPa、6330MPa和6151MPa。試驗2和試驗3的回彈模量較試驗1分別提高了27%和23%。

4 結語

本文通過對風化砂進行物理力學性質的研究，主要得到如下結論：（1）本次試驗所用風化砂為礫，主要組成部分為鈉的鋁硅酸鹽，且取自不同位置的風化砂級配變異性比較大；（2）風化砂的最佳含水率在8%上下浮動，最大干密度在2.22～2.24g/cm3，與取樣的位置關系不大；（3）風化砂具有較好的CBR值，能達到40%及以上；其抗壓回彈模量也具有相當高的數值，能達到5822MPa。因此，以風化砂作為路床填料，其路用性能較為良好。