皖南山区崩解性红砂岩路用性能研究

2014-12-31甘文宁朱大勇刘拴奇姚华彦

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年2期

甘文宁，朱大勇，刘拴奇，姚华彦，陈清

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽土木工程结构与材料省级实验室，安徽合肥 230009）

红砂岩在我国分布比较广泛，约占全国陆地总面积的8.61%，是土木工程建设中不可回避的一类岩土体［1］。合理利用红砂岩，具有重要的经济、社会及环境效益。已有红砂岩的研究［2］表明，红砂岩被挖掘或者爆破出来后，受大气环境或干湿循环作用，易崩解碎裂、颗粒软化或泥化，从而导致强度降低，抗冲刷、抗风化能力及工程稳定性均变差，用作路基填料时施工质量难以控制，常出现路基沉陷、路面开裂等工程病害问题，是一种不良的路基填料，因而公路建设中都尽可能避免采用。

对于红砂岩路用性能主要有以下研究成果：文献［3－8］对红砂岩及其崩解物的物理力学性质、路用性能以及影响因素等方面进行了研究，提出了红砂岩的工程分类方法，得到了红砂岩工程力学性质指标，提出了以“预崩解－耙压－碾压”为核心的红砂岩路基修筑技术、施工质量控制方法和检测措施等，探讨了红砂岩用作路基填料的可行性；文献［9］研究了红砂岩对水的敏感性影响因素，提出了红砂岩填筑路基性能的改善措施；文献［10］对红砂岩风化土路基填料的力学特性进行了试验研究，分析了其单位压力－回弹变形、单位压力－贯入量等变化关系；文献［11］对红砂岩崩解得到的红砂土进行了路用性能的试验研究，发现其压实后具有良好的路用性能；而关于皖南地区红砂岩的性质，文献［12－13］重点开展了汤口—屯溪段沿线红砂岩的室内浸水崩解试验，对红砂岩的崩解机理以及崩解土的路用性能等方面进行了较为深入的研究。

上述研究主要以红砂岩崩解产物为研究对象，而关于直接机械破碎解小的崩解性红砂岩填料的路用性能的研究则很少。皖南地区存在大量崩解性红砂岩，修筑高等级公路过程中，若采用预崩解和掺灰改良等处理措施［4－8，14］，则会延长工期及提高成本。绩溪—黄山高速01合同段采用预崩解措施难以满足工期要求，因而拟采取不经过预崩解措施。本文借鉴上述研究成果，结合该标段的施工工艺要求，不经过预崩解或掺灰改良等措施，对该路段的红砂岩机械破碎解小后直接加水配料，开展回弹模量、承载比和渗透性等路用性能的室内试验研究，初步论证其直接作为路基填料的可行性。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验样品取自绩溪至黄山高速01合同段沿线典型区域的采石场，代表性红砂岩岩样如图1所示。由于红砂岩分布具有地域差异性，其化学成分和物理性质各不相同，且各种矿物含量的比例将直接影响红砂岩的力学性质，因此先对其进行岩矿鉴定，以初步掌握其矿物成分及结构特征。

鉴定结果表明该路段的红砂岩岩性及结构复杂多样，主要岩石类型有：① 泥质长石石英细砂岩；② 钙质泥质粉砂岩；③ 泥岩；④ 泥质粉砂岩；⑤ 铁染泥质钙质粉砂岩；⑥ 铁染泥质钙质长石岩屑砂岩等。其中铁染泥质钙质长石岩屑砂岩最多，其次为铁染泥质钙质粉砂岩。块状构造，结构主要有粉砂－细砂结构、粗碎屑结构、隐晶质结构、显微鳞片结构和泥质结构等。

图1 代表性红砂岩岩样

红砂岩样本的主要成分由粒屑和填隙物组成。粒屑主要包含石英、长石、岩屑、白云母、不透明矿物和泥晶灰岩砾石等，在岩石中分布不均匀，局部含量高。其中体积分数最大的是石英，约为30%～50%，甚至高达55%；长石次之，其体积分数约为8%～20%；岩屑一般为5%～23%。石英多呈碎屑状，相对集中分布于局部，少量零星分布；长石多呈次棱角、次圆状，为绢云母化长石，新鲜者偶见；岩屑一般分为泥质岩岩屑、粉砂泥质岩岩屑和长英质角岩岩屑，呈次棱角、次圆状；白云母呈片状，定向不明显；不透明矿物呈次圆状。

填隙物主要有方解石、铁染泥质（含绢云母）和泥质等。其中含量最多的为铁染黏土矿物（含绢云母），其体积分数为10%～31%，个别高达56%和97%；方解石次之，为8%～25%，最高达40%。填隙物中铁染现象明显，黏土矿物基本呈隐晶质；绢云母一般呈显微鳞片状；方解石呈他形粒状镶嵌分布于碎屑之间。

胶结物主要为泥质和钙质，强度较低；胶结方式以基底式为主，颗粒之间不直接接触，完全受泥质、钙质胶结物包围，强度较低，抗风化能力弱。

矿物成分统计结果见表1所列。

表1 红砂岩岩样矿物成分体积分数统计分析结果

部分微观结构图如图2所示。

图2 代表性红砂岩微观结构

1.2 试验方案

将取回的岩样人工破碎得到最大粒径不超过20mm的红砂岩土，开展室内的路用性能试验。

红砂岩填料的路用性能主要指标为回弹模量E、承载比（California bearing ratio，简称CBR）和渗透系数k等。本文主要研究含水率w及压实度K对路用性能指标的影响。根据文献［15］，采用重型Ⅱ－2法进行击实试验以求得最大干密度ρdmax及最佳含水率wop，并在此基础上开展不同含水率及压实度下的回弹模量、CBR和渗透性试验，探讨红砂岩直接作为路基填料的可行性。

2 试验结果及分析

2.1 原材料基本物理力学性质

红砂岩填料基本物理力学性质指标见表2所列，干密度与含水率的关系曲线如图3所示。

表2 基本物理力学性质指标

图3 干密度ρd与含水率w的关系曲线

由表 2 可知，wL＝26.2% ＜50%，IP＝10.5＜26，因此该红砂岩试料属于低液限粉质黏土，可用作路基填料［16］；Cu＝7.83＞5，Cc＝2.49，1＜Cc＜3，因此该红砂岩试料的级配良好。由图3可得压实后的最大干密度为2.107g／cm3，最佳含水率为8.8%。

2.2 回弹模量试验

回弹模量是表征路基土强度的力学参数，是路面结构设计的主要参数［17－18］，含水率是影响路基回弹模量的主要因素［19］。制备试件后采用承载板法测定回弹模量E，并分别探究回弹模量E与含水率w、压实度K的变化关系。

2.2.1 回弹模量E与含水率w的变化关系

制备了压实度K为96%，含水率w分别为4.8%、7.0%、8.3%、10.5%、12.4%的试样开展回弹模量试验，结果如图4、图5所示。

由图4可以看出：① 红砂岩填料的单位压力P与回弹变形量l的关系曲线基本呈直线状，说明红砂岩填料压实后具有弹性性质；② 在同一压实度下，随着含水率的增大，曲线的斜率越来越大，说明含水率对回弹模量有显著影响。

图4 单位压力P与回弹变形量l的关系曲线

图5 回弹模量E与含水率w的关系曲线

由图5可以看出：① 回弹模量与含水率具有明显的相关性，回弹模量随着含水率的增大而不断减小，降幅先小后大，但总的下降趋势近似线性；② 在最佳含水率8.8%附近，回弹模量不小于90MPa，满足文献［16］规定大于30～40MPa的要求，但当含水率为12.4%时，回弹模量却低至13.692MPa。因此，在碾压时应控制含水率在最佳含水率附近，对本试验材料建议不超过11.0%，以便充分发挥路基填料的强度性能。

2.2.2 回弹模量E与压实度K的变化关系

控制含水率w＝9.0%，通过调整击实功，制备了压实度K分别为99.7%、97.1%和95.0%的试样开展回弹模量试验，结果如图6所示。由图6可以看出：压实度对红砂岩填料压实后的回弹模量有显著的影响，随着压实度的增大，回弹模量值也逐渐增大，两者存在一定的线性关系。

图6 回弹模量E与压实度K的关系曲线

2.3 CBR试验

CBR是用于评定路基土和路面材料的强度指标［20］。为了探究CBR、浸水膨胀量Q、吸水量X与压实度K的变化关系，在同一含水率w＝9.0%下制备3种干密度的试件，每层击数分别为30、50、98次。试验结果如图7、图8所示。

图7 单位压力P与贯入量lq的关系曲线

图8 CBR、浸水膨胀量Q、吸水量X与压实度K的关系曲线

由图7可以看出：① 贯入量随贯入力的变化过程可分为弹性和塑性2个阶段，当荷载较小时，其贯入变形处于弹性阶段，贯入力与贯入量呈一定的线性变化关系；当荷载增大时，贯入变形由弹性阶段向塑性阶段发展，贯入力与贯入量则呈非线性变化关系；② 随着击实次数的增多，即压实度越大，红砂岩填料贯入变形的弹性阶段持续得越久，而塑性阶段则出现得越迟，可见当压实度达到一定或较高时，在一定压力作用下红砂岩填料具有较大范围的弹性。

由图8a可以看出：①红砂岩填料经压实后，3种不同干密度的击实试样测得的CBR值均较高，95%压实度的CBR值能达到30%以上，完全满足文献［16］的要求，说明其抵抗破坏的能力较好；② 随着压实度的增大，CBR值呈线性递增的变化趋势。

由图8b和图8c可以看出：压实度对浸水膨胀量和吸水量的影响规律基本一致，表现为压实度越大，浸水膨胀量和吸水量越小，均呈近似直线的变化趋势，说明其水稳定性随压实度的提高而逐渐增强，这主要是由于压实度的增高使得土体颗粒之间的孔隙减小，即减小了土体的储水空间，表现为吸水量的降低。因此，从路基填料的长期稳定性来看，红砂岩填料碾压时应尽量控制压实度达到最佳，将吸水量和膨胀量的不良影响尽可能降到最低。

2.4 渗透性

为了研究渗透系数k与压实度K、孔隙比e的变化关系，采用变水头法开展同一含水率（w＝8.9%）、不同压实度（K分别为99.6%、96.9%、94.9%、92.8%）下饱和试件的渗透试验，结果如图9、图10所示。

由图9可知：① 红砂岩填料的渗透系数随着压实度的增大而线性减小，这主要是由于随着压实度的增大，土中孔隙变小，孔隙水压力增大，孔径曲折度变大，毛细作用产生表面张力，减缓甚至阻止自由水在土颗粒间的流动，导致渗透系数减小；② 在压实度92%～100%范围内，渗透系数k均小于6×10－6cm／s，其抗渗性能很好，说明压实度对填料孔隙和渗透性起有效控制作用。

由图10可以看出：渗透系数随着孔隙比的增大而呈线性增大的趋势，主要原因是随着孔隙比的增大，土中孔隙体积变大，孔隙水压力变小，缩小了自由水压力与孔隙水压力的数值差距，加速自由水在土颗粒间的流动，导致渗透系数变大。