兰州地铁红砂岩重塑土的室内试验研究

2018-07-02朱彦鹏杨校辉

水利与建筑工程学报 2018年3期

杨宏，马滔，朱彦鹏，杨校辉

(1.中铁二十局集团有限公司, 甘肃兰州 730050；2.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃兰州 730050；3.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃兰州 730050)

红砂岩在我国分布比较广泛，随着我国基础建设的不断推进，在红砂岩地区修建公路、地下轨道交通等工程时，考虑到建设投资和环境保护等因素，不可避免地需要把开挖出的红砂岩作为工程材料加以利用，但红砂岩遇水易崩解，强度下降较大，破碎后红砂岩黏结性较差，所以对红砂岩的改良回填研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

目前对红砂岩工程性质的研究已经取得了许多成果，祝艳波等[1]通过室内试验研究了红层泥岩改良土工程特性，对比分析了水泥、石灰、粉煤灰的改良效果，得出水泥是其最佳改良剂。邱雪莲等[2]通过使用化学改良剂对膨胀土边坡进行改良。甘文宁等[3]通过研究崩解性红砂岩的路用性能，论证皖南山区红砂岩作为路基填料的可行性。陈宇亮等[4]对红砂岩填料路基进行现场试验，建立了动态模量与含水率、黏土含量和压实度的回归模型。张莎莎等[5]通过对不同路基的填筑工艺试验和数值模拟分析得到泥质软岩混合料弃渣合适松铺厚度和施工工艺。韦慧等[6]通过自制大型压缩剪切仪对红砂岩碎石土开展了一维大型压缩试验，得到红砂岩的压缩变形性状。王浩宇等[7]对不同含水率的红砂岩试样进行单轴冲击试验，并和干燥试样进行对比分析，表明含水率和冲击荷载对动态抗压强度和峰值有较大影响，而试样峰值模量主要受含水率影响。曾昭田等[8]通过试验研究了红黏土抗拉强度和含水率的关系。钱普州等[9]将研发的聚合物水泥土壤加固剂用于红层泥岩改良，提高了其抗压强度、抗水性和耐疲劳性能。张通等[10]通过试验和数值模拟研究了应变速率对红砂岩力学特性的影响。杨园野等[11]通过对含红砂岩砾粒试验路段的研究，分析验证了不同碾压机械和工艺对碾压效果的影响。郑广辉等[12]分别对吸水红砂岩试样和干燥试样进行压缩实验，研究了水-岩-动力耦合作用下红砂岩抗压强度和变形等性质。金解放等[13]为研究静应力对岩石应力波传播的影响，对红砂岩进行应力波试验，得到在不同静应力下应力波的传播衰减特性。闻名等[14]通过压力试验机对不同含水率红砂岩试样进行了劈裂抗拉试验，结合电镜扫描结果得出红砂岩破坏规律。

目前，对红砂岩的改良研究多数添加水泥、石灰和粉煤灰，而考虑采用当地材料作为添加剂的研究较少。就地取材作为添加剂不仅保护环境，而且可以减少造价，对于进一步研究红砂岩重塑土的工程特性并实现工程实用价值具有重要意义。本文依托兰州地铁项目，结合区域性地质特色，尝试将西北地区分布广泛的黄土作为改良剂，分别对添加黄土、水泥、石灰的红砂岩重塑土进行击实试验、直剪试验和压缩试验，综合对比分析其最大干密度、抗剪强度参数和压缩模量等，根据试验结果推荐对兰州地区红砂岩改良效果较好的添加剂。

1 试验材料

红砂岩取自兰州市地铁一号线东方红广场站深基坑，属于强风化红砂岩，岩芯破碎，泥质胶结。矿物成分以长石、石英等为主，红砂岩扰动样见图1，其天然状态物理力学性质见表1。外加剂水泥为P·C32.5复合硅酸盐水泥，石灰为川灰，黄土为干净素黄土。

图1 红砂岩扰动样

2 室内试验及分析

2.1 击实试验

将红砂岩在实验室破碎后，将其与黄土、水泥、石灰按预定配合比配料(不同土样的配比及含水率见表2),红砂岩含水率的选取依据参考文献[3]。次日按照《铁路工程土工试验规程》[15](TB 10102—2010)采用重型击实制备试样，击实仪器为JDS-1型电动数控击实仪,各试样击实曲线见图2～图4。

表2 重型击实试验计划表

从图2可以看出，不同含量水泥添加剂的最优含水率均在9%左右，7%的水泥添加剂对应最大干密度为1.92 g/cm3，9%的水泥干密度最小为1.85 g/cm3，原因是水泥含量增多后水化反应吸收水分增多，并且形成土团粒凝胶体更大，使击实效果变差，干密度降低。由图3击实曲线可以看出添加黄土重塑土最优含水率在8%左右，30%的黄土达到最大干密度2.11 g/cm3,超过水泥和石灰的最大干密度9.82%，击实效果达到最佳。对于图4石灰改良土击实曲线，不同含量石灰的最优含水率均在9%左右，且随着石灰含量的增加最大干密度增大，9%石灰对应最大干密度1.93 g/cm3。

图2 水泥重塑土干密度与含水率变化关系

图3 黄土重塑土干密度与含水率变化关系

图4石灰重塑土干密度和含水率变化关系

2.2 直剪试验

将三种改良土各自对应最大干密度试样用于剪切试验，每组试验四个平行试样。剪切试验采用ZJ型四联应变控制式直剪仪，剪切速率为0.8 mm/min，分别施加100 kPa、200 kPa、300 kPa以及400 kPa的垂直压力，试样在2 min～5 min内剪坏，破坏后求得每组试样的黏聚力和内摩擦角，直剪破坏后试样见图5，不同改良土样剪切强度包络线见图6，直剪试验结果见表3。

图5 剪切破坏试样

图6 重塑土试样剪切强度包络线

从表3可以看出，水泥重塑样的黏聚力最大，因为水化反应生成的凝胶体增大了土颗粒之间的黏结；黄土黏聚力最低，内摩擦角最大，原因是一方面从击实曲线得到黄土的压实效果最好,土体较密实；另一方面黄土和破碎后的红砂岩颗粒混合后，二者之间的相对约束作用增强，咬合作用也愈强，内摩擦角也越大。

2.3 压缩试验

同样将3种重塑土对应的最大干密度试样用于压缩试验，按50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa逐级加载，施加每级压力后变形≤0.01 mm/h为稳定标准，按此步骤逐级加压至试验结束，记录变形数据，试验结束后迅速拆除仪器各部件。此次固结试验共4个平行试验，取200 kPa～300 kPa试验平均值作为计算和绘图依据。重塑土的压缩曲线见图7，改良土的压缩性质见表4。

表4 重塑土的压缩性质表

由表4可以看出水泥重塑样的压缩模量最大，因为随着水泥水化反应以及硬凝反应的进一步加大，逐渐生成了不溶于水的结晶化合物，在水和空气中逐渐硬化，增大了水泥重塑试样的压缩模量；相比于水泥试样的压缩模量，黄土重塑试样的压缩模量明显低于水泥试样，但也达到了低压缩性土的标准。

图7重塑土的压缩曲线

2.4 重塑土性质对比分析

通过以上试验看出不同添加剂重塑土的物理力学性质各有优劣。对于水泥重塑土，其黏聚力和压缩模量达到最大；对于黄土重塑土，其最大干密度和内摩擦角最大，压缩模量也达到低压缩性土标准；石灰重塑土样性质介于二者之间。综合对比不同添加剂重塑土的工程性质后：一方面在路基回填的过程中，填土的干密度越大压实效果越好，压缩模量大变形量就小；另一方面，从工程造价上考虑，添加水泥的回填土造价明显高于添加黄土的回填土，经济性上较差。综合对比分析后，推荐对红砂岩回填土添加黄土进行改良，由于添加黄土比例不高，并且在碾压回填的工程中已基本消除其湿陷性，故其带来的附加沉降基本可以忽略不计。