变质软岩路堤浸水载荷试验研究

2011-01-23侯超群王晓谋姜峰林

合肥工业大学学报(自然科学版) 2011年5期

侯超群, 王晓谋, 姜峰林

(1.长安大学公路学院,陕西西安 710064;2.合肥工业大学交通运输工程学院,安徽合肥 230009;3.广东冶金建筑设计研究院,广东广州 510080)

我国是一个多山国家,山区面积(含丘陵)约占国土面积的70%;居住人口5.8亿,约占全国总人口的45%。同时,山区是我国经济发展的重要组成部分,蕴藏着丰富的生态资源,是影响河流水文情势、旱涝灾害、水土流失、水源涵养的重要区域[1]。因此,山区的建设和发展在我国尤显重要。长期以来,我国山区经济发展滞后于沿海地区和平原地区,地形上的隆起区成为经济上的低谷区。研究表明,山区道路运输条件差、运营成本高是制约山区经济发展的一个重要因素[2]。山区的公路运输条件已不能适应当前社会经济发展的需要,亟需发展山区高速公路建设,改善山区交通不便、路况差的现状。

山区填筑路堤土源匮乏、运输不便,同时隧道开挖产生大量的隧道弃渣以及部分路段的路堑挖方和刷坡产生的废弃石料难以处置。因此,利用弃方石料填筑路堤既解决了上述问题,缓解公路建设对环境的压力,也是“资源节约和环境友好”的战略思想在公路工程建设中的具体体现。

柞(水)小(河)高速公路穿越秦岭山区,全线总长71.67 km,挖方约为5 419 616 m3,填方约为4 975 172 m3。如果将挖方石料用于路基填方,可达到节约投资和保护环境的双重效益。但该地区地质环境复杂,变质岩广布,岩质松散,风化强烈,抗侵蚀能力差。弃方石料用于填筑路堤的可行性、稳定性是工程建设中亟待解决的问题。

1 石料的基本性质

1.1 物质组成

该路段施工开挖的岩石主要为变质岩,现场选取了3种有代表性的岩样进行镜下分析,初步定名这3种典型的岩样为千枚状含黄铁矿片岩、千枚状变质灰岩以及千枚状石英片岩。其矿物组成见表1所列。

表1 3种填料矿物成分的质量分数及结构描述 %

由表1可知,3种岩石矿物颗粒较小,易风化,比表面积大;云母、绢云母等片状矿物遇水后膨胀,沿辟理面可能发生滑动;灰岩遇水(酸性的水)后可能发生岩溶;黄铁矿遇水会产生硫酸,进而腐蚀矿物中的方解石。

1.2 工程性质

容重、吸水率、单轴抗压强度以及膨胀性等实验数据见表2所列。

表2 岩样室内试验数据

实验结果表明,3种岩样干燥条件下强度较高,饱水后强度有所降低,软化系数为 0.44～0.52;所取岩样饱水后有微弱的膨胀性,这与其所含矿物有关。从岩石的强度来看,3种石料的饱和单轴抗压强大于15 MPa,满足填石路堤对填料强度的要求。

2 试验方案设计

目前,公路路基多以路基压实度和填料的CBR值作为检验路基强度的指标,同时也作为控制路基施工质量的重要指标。但是对于填石路基,压实度和CBR值则不甚适用。

路基顶面的回弹模量较好地反映了路基所具有的部分弹性性质,在我国3层体系路面设计理论中是一个重要的设计参数[3]。文献[4]已经给出了不同的自然区划和土质的回弹模量值的推荐值。但回弹模量值会影响路面设计的厚度,所以规范建议有条件时直接测定,并将回弹模量值作为控制施工质量的一个重要指标。

为此,分别以3种石料铺筑试验路段,通过载荷试验取得填石路基的回弹模量,为路面设计提供参数。同时,为反映变质软岩浸水变形特性,将载荷加至与路堤自重相当的条件下对试验路堤进行浸水,连续观测试验路堤浸水后的沉降变形,以研究其湿化变形规律。

2.1 试验路段的修筑

采用边坡、隧道开挖产生的弃方石料铺筑试验路,拟定修筑试验路段长 50 m,宽 10 m,高2.5 m。压实机械组合为20 t凸轮振动压路机碾压3遍,然后20 t光轮振动压路机碾压6遍。

试验路段控制每层施工厚度40 cm,填料最大粒径不超过15 cm。施工过程现场量测表明,压实效果较佳,压实后表面平整,无明显轮迹,最终连续两边沉降差小于2 mm。另外,凸轮振动压路机对某些大颗粒石料起到了破碎作用,改善了填料的级配。

2.2 承压板的选择

由于填料为弃方石料,粒径较黏土、砂土大。我国工程实践中常用30、50、75 cm 3种规格尺寸的圆形荷载板,公路土基回弹模量检测时多用直径30 cm圆形载荷板[5]。

由于本文工程中的填料粒径较大(2～8 cm),为较好地反映填石路基的回弹模量,保证实验结果的可靠性,试验中采用直径75 cm的大尺寸载荷板。

2.3 加载方案

试验路段修筑完成后,根据设计填方高度选择配重。首先检测路基的回弹模量,采用逐级加载、卸载的方法,测出每级荷载下的回弹变形,通过计算求其回弹模量[6]。

由于文献[5]中没有关于直径75 cm的大载荷板的规定,工程实践中也鲜有这方面的经验可供借鉴。因此,本试验需专门制定加载等级,具体荷载分级见表3所列。

表3 荷载分级

测试过程中,加载、卸载稳定标准以及沉降的测读频率参照文献[7]。当回弹变形达到1 mm时,结束填石路基回弹模量的测试工作。该部分试验数据可分析得到试验段路基的回弹模量。

为模拟路堤自重,继续加载(连续加载)直到荷载达到与路堤自重相当的压强。该过程采用载荷试验中慢速法的加荷方式和沉降观测频率。

2.4 路堤湿化变形

荷载达到与设计填土高度相当的压强并变形稳定后,对试验点进行注水,保持表层存在自由水面,浸水时间不少于24 h,使试验点处的路堤得到充分的浸湿。在承压板边缘对称布置4个百分表对沉降变形进行观测,浸水沉降变形的控制标准为连续2个12 h内的变形量不超过1 mm。

3 试验数据分析

3.1 回弹模量

根据现场回弹模量试验测得各级压力下的回弹变形,路堤的回弹模量计算公式为:

其中,D=75 cm,为载荷板直径;Pi为回弹模量试验中的各级压力值;Li为各级压力Pi相应的回弹变形值。

路基的回弹模量不但是路面设计的基本参数,更是衡量路基质量的基本指标。国外用回弹模量E0和现场CBR值作为评价路基强度指标者居多。有的国家要求E0≥30 MPa,德国要求E0＞45 MPa,奥地利要求E0＞30 MPa[3]。在我国要求E0＞30 MPa,重交通、特重交通公路 E0＞30 MPa[4]。

试验结果得到3个试验点的路基回弹模量分别为 79、85、93 MPa,平均值为 91.7 MPa。试验路基现场测试回弹模量值满足规范要求。对于填石路堤,由于现场以压实度和CBR值来检测压实质量不可行,可以将回弹模量作为检测填石路基施工质量的标准。

3.2 浸水条件下变形规律

填料浸水后颗粒间受到水的润滑,在自重及外荷作用下将重新排列,改变原来的结构使竖向变形,因此,路基长期浸水或路面开裂地表水入渗都会产生湿化变形,导致路基沉降。已有研究表明,人工填筑的堆石体、风化砂和黏性土等在浸湿条件下,都存在不同程度的湿化变形[8,9]。

现场3组浸水载荷试验沉降-时间曲线如图1所示。试验结果表明,试验路堤在荷载不变的条件下,随着水的渗入,填料将发生湿化变形,竖向变形有增大的趋势,但变形量不大,最大变形量不超过2.5 mm。由于3#试验点表层石料较破碎,碾压后在顶面形成一层渗透性低的泥质皮层,减缓了水分渗入路堤的速度,造成最大湿化变形推迟。

从石料的力学性质分析,产生上述湿化变形是石料强度软化特性的反映。3种石料软化系数为0.44～0.52,岩石的软化降低了其变形模量,由此产生的湿化变形是由岩石本身的工程性质引起的。另外,水的润滑作用降低了颗粒间的咬合作用,引起颗粒错动,造成颗粒的重新组合,形成更加致密的结构,这部分变形是由颗粒结构重组引起的。

图1 路基湿化变形随时间的变化

试验结果表明,最大湿化曲线存在不同程度的反弹,3组试验曲线都有相同的趋势。这表明填料在浸水湿化进程中存在膨胀变形,这部分膨胀变形达到最大湿化变形量的42%～47%。湿化变形中出现的膨胀现象反映了岩石中云母、绢云母等片状矿物遇水后发生体胀,这是由于矿物颗粒较小、易风化、比表面积大等因素引起的膨胀变形造成的。

产生膨胀变形的另一个原因是,岩石在饱水条件下,随着时间的延长,空隙率增加,颗粒间变得松散,结构变得疏松多孔,最后会由初始相对比较紧密、强度较高的粒状、致密条块状结构转变为疏松多孔的团絮状和花瓣状结构,显示软岩遇水后膨胀变形的特征。岩石浸水后,虽然弹性模量降低,但不会产生更大的压缩应变,应变向反方向发展,即膨胀应变,其大小与压缩应变大致相当,处于同一量级[10],这与试验结果相吻合。