黄土改良红砂岩的试验及路用性能研究

朱彦鹏，栗慧，杨校辉，杨奎斌，王海明

(1.兰州理工大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 甘肃 兰州 730050)

黄土改良红砂岩的试验及路用性能研究

(1.兰州理工大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 甘肃 兰州 730050)

兰州某地铁车站深基坑开挖遇到大量红砂岩，红砂岩直接作为路基填料会造成路基垮塌等工程事故。为了研究红砂岩作为路基填料的适宜性，以及对改良红砂岩最优配比及改良效果和工程性能进行研究。对不同配比及不同含水率的黄土-红纱岩改良土进行击实试验、直接剪切试验和固结压缩试验。试验结果表明：30%黄土掺量且含水率达到8%的红砂岩改良土的干密度达到最大值2.11 g/cm3；其抗剪强度指标内摩擦角和黏聚力得到大幅提高及其压缩性能得到改善，工程性能得到了一定提高。初步确定了改良红砂岩作为路基填料的可行性。

红砂岩；改良土；路基填料；抗剪强度；压缩性能

兰州地铁深基坑的开挖所遇到的大量红砂岩如何处理成为了如今兰州地铁修建的难题。大量的红砂岩被挖出如果处理不好会造成环境污染和生态破坏以及会提高工程造价，造成不必要的资源浪费。

本项目所遇到的红砂岩成岩作用差，遇水或扰动极易软化且呈现散沙状，暴露地表非常易风化和崩解，这些特性使红砂岩成为了不良路基填料。不良路基填料对于城市交通轨道的影响是巨大的，而且路基的挖方量很大，为了保护生态环境与减少工程消耗常常对天然土体进行改良，使其达到路基填筑标准的优质填料。而黄土是兰州地区随处可见的一种土体，所以使用黄土对红砂岩进行改良的研究以及对其路用性能的研究是具有巨大的经济效益和保护生态环境的意义。

根据有关红砂岩改良的现有文献可知祝艳波等[1]用石灰、水泥、粉煤灰改良红层泥岩并得出石灰改良红层泥岩的效果最佳的结论。廖崇高等[2]还对西南地区全—强风化砂岩工程特性进行了研究，并得出强风化砂岩遇水后软化、崩解，物理性能急剧降低的特性。陈湘亮等[3]对泥质粉砂岩改良土路基填料适宜性进行了试验分析，得出泥质粉砂岩不宜直接用作路基填料，必须进行改良处理的结论。目前红砂岩普遍被认为广泛集中于南部省区，对于西北地区所存在的红砂岩的研究尚有欠缺，并且对于红山岩的改良研究目前只有将石灰、水泥、粉煤灰等作为红砂岩的改良剂，而对于将黄土作为红砂岩的改良剂研究尚不完善。

综上所述，本次研究将黄土作为红砂岩的改良剂，对于不同含水率、不同黄土掺量的红砂岩改良土进行击实试验，研究其最大干密度和最优含水率的关系；将最优配比的红砂岩改良土进行直剪试验和固结压缩试验，研究其抗剪强度指标和压缩性能的变化，由此综合评价其改良效果和路用性能。

1 工程概况

因为红砂岩属于软质岩，其岩块作为路堤填料与其他颗粒及硬质岩碴填料不同，其粒径构成会随着碾压过程、裸露时间长短及含水情况而变化，为了使大量废弃红砂岩可以作为路基填料，则需要加入一定比例改良剂形成混合料对其相关性能进行分析，并初步判定风化红砂岩填筑路基的可行性。

2 试验方案

2.1 击实试验

通过查阅现有文献[4-14]，本文采用兰州地区黄土与现场取得的红砂岩掺拌，黄土按20%、30%、40%、60%、80%五组掺量，为了使试验结果具有代表性，将挖方现场不同典型部位的红砂岩与黄土混合、充分拌匀后，按照规程[15]对此配比的红砂岩改良土进行重型击实试验，研究不同黄土掺量红砂岩含水率不同时，改良土的最大干密度-最优含水率的变化规律。

根据规程[15]将兰州地区黄土按照改良配比要求与现场红砂岩混合，充分搅拌均匀后称取红砂岩改良土湿土6 kg，按照预定的含水率喷水闷料24 h。击实筒内径为152 mm，高为116 mm，容积为2 103.9 cm3。将红砂岩改良土湿土分5层，每层56击在重型击实仪上进行击实试验，两层交界处用拉毛器拉毛，以使层间土粒均匀连接。完成红砂岩改良土击实试验，得到最大干密度及最优含水率，并绘制击实曲线。

2.2 直剪试验

根据击实试验结果按照最优含水率和最大干密度配比掺拌黄土掺量为30%及含水率为8%的红砂岩改良土，闷料24 h后，采用重型击实仪按照标准重型击实试验击实。脱模制样，取4个土样用于直剪试验。将试样依次装入剪切盒，采用四联应变控制式直剪仪进行，按规程[15]分别施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向力进行快速剪切试验。剪切速率为0.8 mm/min，试样在3 min～5 min内被剪切破坏，绘制测得的τ-Δl曲线，并确定对应的抗剪强度s值，从而绘出库仑强度包线。

2.3 压缩试验

为了明确最优含水率和最大干密度下黄土改良红砂岩后的的压缩特性，故进行对于红砂岩改良土的固结压缩试验。

按照最优含水率和最大干密度配比掺拌红砂岩改良土，喷水焖料24 h后进行击实，脱模制样，用环刀取3组土样使用固结仪进行固结压缩试验，按50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa逐级加载，每级荷载保持时间≥12 h，记录变形数据。

3 试验结果分析

3.1 最大含水率和最大干密度关系分析

从图1各组红砂岩改良土的试验结果可以看出黄土掺量在30%时改良土的最大干密度值达到最大值2.11 g/cm3，最优含水率为8%。随着黄土掺量的继续增加，最大干密度呈下降的趋势,但最优含水率上升。

图1改良土干密度与含水率变化关系

从试验结果中确认黄土掺量为30%的改良土试验效果最好，为进一步研究最优配合的黄土掺量，将增加对黄土掺量25%、35%混和料在不同含水率下的击实试验，试验结果如图2所示。

图2黄土掺量20%、25%、30%、35%改良土干密度与含水率变化关系

从图2可以看出在黄土掺量未达到30%之前，改良土干密度呈上升趋势，在黄土掺量超过30%之后改良土干密度呈下降趋势。因此黄土掺量30%的改良土在含水率8%的情况下干密度最大，击实效果最好。

3.2 改良土抗剪强度分析

土体沿着内部的滑动面发生剪切破坏，在该滑动面上产生的应力就是抗剪强度。土体的抗剪强度是工程中重要的力学指标，抗剪强度按照公式

τf=c+σtanφ

(1)

计算，由公式(1)可知，黏聚力c和内摩角φ是反映抗剪强度的重要指标。土的内摩擦角反映了土颗粒间的相互作用会产生一定的摩擦特性，主要包括土颗粒的表面摩擦力和颗粒间的咬合力，而土的黏聚力主要来源于颗粒内部之间相互吸引而产生的应力。最优配比混合料试验结果见表1。由地勘报告可知红砂岩原状土的各抗剪强度指标，见表2。通过表1与表2比较确定黄土改良后的红砂岩的黏聚力与内摩擦角与红砂岩原状土相比较有着显著提高，这是由于通过黄土改善了红砂岩土粒间的胶结作用并且增强了红砂岩土粒间的摩擦力，说明黄土改良后的红砂岩的抗剪强度得到很好的改善(见图3)。

表1 最优配比混合料直剪试验结果

表2 原状土直剪试验结果

图3库仑强度包线

3.3 改良土压缩性能分析

土体在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。固结试验结果见表3。由地勘报告已知红砂岩原状土的压缩特性，见表4。由表3与表4相比较我们可以得知，红砂岩改良土的压缩性能被较大提高，通过表3可以得知红山岩改良土的压缩系数α1-2<0.1 MPa-1、压缩指数Cc<0.2和压缩模量Es>15 MPa，确定了经黄土改良后的红砂岩改良土是低压缩性土，改良效果较好。

表3 固结试验数据

表4 红砂岩原状土压缩性能指标

这是由于将黄土掺入红砂岩中试红砂岩的性质发生了变化，红砂岩的孔隙率有所降低，所以红砂岩的压缩性降低。

4 结 论

(1) 在黄土掺量未达到30%之前，改良土的干密度呈上升趋势，在黄土掺量超过30%之后改良土干密度呈下降趋势。红砂岩改良土在黄土掺量达到30%且含水率达到8%时其干密度达到最大值。

(2) 在确认黄土-红砂岩混合料最大干密度和最优含水率的前提下对最优配比的红砂岩改良土进行直接剪切和固结压缩试验，确定了红砂岩经黄土改良后，其抗剪强度有了明显提高，并且红砂岩的压缩性能得到了很大提升。

(3) 通过对红砂岩改良土进行击实、直剪和固结试验，证明了最优配比的红砂岩改良土具有很好的抗剪强度和压缩性能，其不良特性被改善以及路用性能得到了提升，初步证明了红砂岩作为路基填料的可行性。

[1] 祝艳波,余宏明,杨艳霞,等.红层泥岩改良土特性室内试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(2):425-432.

[2] 廖崇高,谢春庆,潘 凯,等.西南地区全—强风化红层砂岩工程特性试验研究[J].路基工程,2016(6):117-124．

[3] 陈湘亮，王永和，王灿辉,等.泥质粉砂岩改良土路基填料适宜性试验分析[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(10):4287-4293.

[4] 朱彦鹏,杨校辉,周 勇,等.基于含水量和干密度影响的压实土抗剪强度试验[J].兰州理工大学学报,2016,42(6):114-120.

[5] 张莎莎，杨晓华，王明皎,等.泥质软岩土石混合料弃渣路用性能研究[J].公路交通科技,2015,32(2):55-59.

[6] 袁明月,张福海,陈 翔,等.钢渣微粉改良膨胀土室内试验研究[J].水利与建筑工程学报,2017,15(2):81-85.

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[13] 王迎春,陈 剑,等.红层软岩微观结构与抗剪强度关系实验分析[J].现代地质,2013,27(3):738-742.

[14] 李硕标,陈 剑,易国丁,等.红层岩石微观特性与抗压强度关系试验研究[J].工程勘察,2013(3):1-5.

[15] 中华人民共和国铁道部.铁路工程土工试验规程TB 10102—2010[S].北京:中国铁道出版社,2010.

ExperimentalStudyonMixingRedSandstonewithLoessanditsPerformance

ZHU Yanpeng1,2, LI Huijun1,2, YANG Xiaohui1,2, YANG Kuibin1,2, WANG Haiming1,2

(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China； 2.WesternCivilEngineeringResearchCenterofDisasterPreventionandMitigation,TheMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

A large number of red sandstone is excavated in the deep excavation of a subway station in Lanzhou. There will be subgrade collapse and engineering accidents if the red sandstone is directly used as the subgrade filler. In order to test the suitability of red sandstone as a subgrade filler and determine the optimal matching and improvement effect and engineering properties of improved red sandstone. The compaction test, direct shear test and consolidation compression test are carried out when mixing red sandstone with loess by different ratio and water content. Results of the trial indicated that the dry density of improved red sandstone with 30% loess and 8% water reached a maximum of 2.11 g/cm3; the angle of internal friction and cohesion of the shear strength index are improved greatly and its compression performance is improved. Therefore, the feasibility of improved red sandstone as subgrade filler is preliminarily determined.

redstandstone;improvedsoil;roadbedfilling;shearstrength;compressionperformance

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.003

2017-06-28

2017-08-03

教育部长江学者和创新团队发展计划项目(ITR1368)；甘肃省创新研究群体计划项目(121ORJA003)

朱彦鹏(1960—)，男，甘肃庆阳人，教授，博士生导师，主要从事滑坡泥石流结构防治、黄土地基处理、黄土与湿陷性支挡结构分析与设计、高层建筑深基坑支护和工程事故分析与处理等领域的研究。 E-mail：zhuyp@163.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0012—04