鐘園，丁峰，廖奇麟，潘登，王章瓊

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢 430074

恩施紅層砂巖細(xì)粒土工程特性對(duì)比的試驗(yàn)研究

鐘園，丁峰，廖奇麟，潘登，王章瓊*

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢 430074

以恩施地區(qū)廣泛分布的紅砂巖細(xì)粒土為例，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析了5種典型紅砂巖細(xì)粒土在天然密度、天然含水量、顆粒級(jí)配、最優(yōu)含水量及抗剪強(qiáng)度等物理、力學(xué)特性方面的差異，并探討了物理性質(zhì)參數(shù)與力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系.結(jié)合工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬方法獲得不同紅砂巖細(xì)粒土作為填料時(shí)路基的沉降特性，探討了產(chǎn)生沉降差異的原因.結(jié)果表明：上述紅砂巖細(xì)粒土的物理、力學(xué)性質(zhì)有差別，作為填料時(shí)路基的沉降量有顯著差異，建議施工過程中選取土料時(shí)加以區(qū)分.

紅層砂巖；細(xì)粒土；工程特性；路基沉降

紅砂巖大多形成于中生代和新生代，成巖作用差，巖體膠結(jié)程度低，易風(fēng)化，在我國(guó)川、滇、皖、鄂、湘、內(nèi)蒙、粵、魯?shù)鹊鼐蟹植?，紅砂巖及其風(fēng)化后形成的細(xì)粒土是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的一類巖土體［1-2］.學(xué)者對(duì)紅層砂巖及其風(fēng)化土的工程特性進(jìn)行了大量研究，取得了豐富成果［3-8］.

由于成巖時(shí)物質(zhì)來(lái)源、沉積環(huán)境不同，不同地區(qū)、不同時(shí)期形成的巖石在礦物成分、結(jié)構(gòu)特征等方面存在差異，其風(fēng)化產(chǎn)物-殘積土的工程性質(zhì)也表現(xiàn)出不同特點(diǎn)［9］.同類或相似巖土體因成巖環(huán)境、風(fēng)化作用等條件的不同而表現(xiàn)出不同的物理、力學(xué)、水理特性，這一現(xiàn)象已被許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，并開展了大量巖土體工程特性對(duì)比試驗(yàn)研究.

楊虹［10］通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析了湖南、廣西兩地膨脹土的特性；王建軍［11］對(duì)襄樊地區(qū)兩種膨脹土進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)黃褐色膨脹土比灰色膨脹土具有較好的水穩(wěn)定性；滕珂［12］通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析了不同含水率情況下廣西南寧膨脹土與株洲紅黏土的壓縮蠕變特性；葛建［13］通過基質(zhì)吸力試驗(yàn)，對(duì)比了高液限紅黏土和含砂次生黏土的土水特征曲線；程克玲［14］對(duì)華中地區(qū)3種典型膨脹土和3種典型非膨脹土進(jìn)行CBR試驗(yàn)，得到不同類型土的CBR與壓實(shí)功關(guān)系；許豪［15］通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了膨脹土和紅黏土在完全相同試驗(yàn)條件下的一維壓縮蠕變特性以及回彈特性，得到了二者回彈量的差異.

恩施地區(qū)紅層砂巖廣泛分布，工程建設(shè)中常將紅砂巖細(xì)粒土作為路基填料.紅砂巖細(xì)粒土表觀特征（如顏色、顆粒組成等）種類較多，這些表觀特征不同的細(xì)粒土工程性質(zhì)差異性如何，是設(shè)計(jì)、施工中需要查明的問題.本文選取恩施地區(qū)5種典型紅砂巖細(xì)粒土，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比其物理、力學(xué)性質(zhì)的差異；結(jié)合在建公路工程，分析上述差異對(duì)路基沉降的影響，為該地區(qū)紅層砂巖細(xì)粒土物理、力學(xué)參數(shù)取值提供理論依據(jù)和參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣采集

本文試驗(yàn)采用的紅砂巖細(xì)粒土取自恩施市區(qū)某取土場(chǎng)，共選取5種典型紅砂巖細(xì)粒土，分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#，如圖1所示.

圖1 紅砂巖細(xì)粒土樣品Fig.1 Specimensof red sandstone fine-grained soil

1.2物理性質(zhì)試驗(yàn)

對(duì)土樣進(jìn)行天然密度、天然含水率、顆粒分析和擊實(shí)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)按公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTG E40—2007）進(jìn)行.

1.3 力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

力學(xué)試驗(yàn)在武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)儀器為TSZ全自動(dòng)三軸儀，試驗(yàn)時(shí)采用不固結(jié)不排水條件控制.試驗(yàn)過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值時(shí)停止試驗(yàn)，如難達(dá)到明顯峰值，則采用應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力差作為峰值.

1.4 算例分析

為分析5種典型紅砂巖細(xì)粒土物理、力學(xué)性質(zhì)的差異對(duì)填筑路基的影響，以恩施市城區(qū)某一級(jí)公路改線工程路基為例，通過數(shù)值模擬方法對(duì)比分析采用上述不同紅砂巖細(xì)粒土作為填料時(shí)路基的沉降變形差異.

1.4.1 計(jì)算模型采用FLAC3D對(duì)路基填筑后的沉降變形進(jìn)行數(shù)值分析，建立的數(shù)值模擬模型分2層，下部為地基，長(zhǎng)200m，高50m，厚10m；上部為填土，底寬130m，頂寬100 m，高10 m.模型共計(jì)3 654個(gè)節(jié)點(diǎn)，15 664個(gè)單元體，如圖2所示.

圖2 填方路基數(shù)值分析模型（單位：m）Fig.2 Numericalmodelof fill subgrade（unit：m）

1.4.2 邊界條件對(duì)模型x方向約束兩個(gè)端面的水平位移，對(duì)底部約束垂直方向位移，對(duì)z方向前后兩個(gè)端面約束水平方向位移，其余均為自由邊界. 1.4.3材料參數(shù)材料密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)均采用上述室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果；根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，彈性模量分別為2.08MPa、2.03MPa、2.24MPa、2.18MPa、2.39MPa；泊松比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.3.

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性質(zhì)

物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical charactersof soil samples

試驗(yàn)結(jié)果表明：5組試樣天然密度差異明顯，1#、2#土約為2.0 g/cm3，3#、4#、5#土約為1.55 g/cm3，最大天然密度約為最小天然密度的1.37倍；天然含水率差異較明顯，由大到小依次為4#、5#、2#、1#、3#，最大值為9.33%（4#），最小值為7.03%（3#）；5組試樣最優(yōu)含水率較接近，約12%.

顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，5組試樣顆粒不均勻系數(shù)均小于5，均為級(jí)配不良土；4#為含細(xì)粒土砂，1#為中砂，2#、3#、5#為細(xì)砂.

圖3 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results ofparticle analysis test

2.2 力學(xué)性質(zhì)

通過不固結(jié)不排水試驗(yàn)，得到不同圍壓下試樣主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線，如圖4所示.

圖4 三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Curvesof deviator stressand axialstrain

由圖4可知，5種紅砂巖細(xì)粒土在圍壓較低（100 kPa、200 kPa）時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值差別不大；在圍壓較高（300 kPa）時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值差別明顯.其中圍壓為300 kPa時(shí)，1#、5#應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值對(duì)應(yīng)主應(yīng)力差值約800 kPa，其余試樣約600 kPa.

由圖4所示試驗(yàn)結(jié)果得到5種紅砂巖細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見表2.

表2 試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab.2 Shear strength of soil samples

由表2看出，5種紅砂巖細(xì)粒土的粘聚力差別較大，而內(nèi)摩擦角較為接近.粘聚力由大到小依次為4#、5#、3#、2#、1#，最大值30.7 kPa，約為最小值（15.9 kPa）的2倍；內(nèi)摩擦角最大值為32.6°（1#），最小值為29.2°（4#），二者相差約12%.

對(duì)于砂類土，內(nèi)摩擦角大小與粗粒組含量正相關(guān)，粘聚力與細(xì)粒含量正相關(guān).上述5種試樣中，1#為中砂，粗粒含量最高，因而粘聚力最小，內(nèi)摩擦角最大；4#為含細(xì)粒土砂，細(xì)粒含量最高，因而粘聚力最大，內(nèi)摩擦角最?。?#、3#、5#為細(xì)砂，其粗粒、細(xì)粒含量介于1#、4#之間，因而粘聚力和內(nèi)摩擦角大小也介于1#、4#之間.可見，土的物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)存在內(nèi)在聯(lián)系.

2.3 數(shù)值模擬模型計(jì)算

考慮到數(shù)值模擬模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，沉降最大的部位在路基頂面中軸線附近，為此，監(jiān)測(cè)路基頂面中點(diǎn)處變形量，為路基最大變形.采用不同土作為填料時(shí)路基頂面中線處沉降量計(jì)算結(jié)果見圖5.

由圖5可知：5種土作為填料時(shí)，路基沉降量大體可以分為兩組.一組是1#、2#土，對(duì)應(yīng)的路基沉降量較大，分別為0.606 m、0.572 m；另一組是3#、4#、5#土，對(duì)應(yīng)的沉降量較小，分別為0.290m、0.303m、0.275m．1#、2#土對(duì)應(yīng)的沉降量約為3#、4#、5#土的2倍.

對(duì)比5種土的物理性質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，1#、2#土密度較大，約為2.0 g/cm3；3#、4#、5#土密度較小，約為1.55 g/cm3，這與路基沉降變形規(guī)律有明顯相關(guān)性，但較大密度與較小密度在數(shù)值上并非2倍關(guān)系.

圖5 填方路基中心沉降量Fig.5 Settlementof fill subgrade center

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因可能是，在數(shù)值計(jì)算中，土在自重作用下的沉降變形受密度與變形參數(shù)的共同影響.三軸試驗(yàn)得到5種土的彈性模量分別為2.08 MPa、2.03 MPa、2.24 MPa、2.18 MPa、2.39MPa，1#、2#土彈性模量均較小，3#、4#、5#土彈性模量均較大.即1#、2#土密度較大且彈性模量較小，3#、4#、5#土密度較大且彈性模量均較大，從而導(dǎo)致作為路基填料時(shí)，1#、2#土沉降量顯著大于3#、4#、5#土.

3 結(jié)語(yǔ)

通過室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬，對(duì)恩施地區(qū)5種典型紅砂巖細(xì)粒土的工程特性進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1）5種典型紅砂巖細(xì)粒土天然含水率接近，天然密度差異明顯，均為級(jí)配不良均粒土.不固結(jié)不排水條件下，5種土粘聚力最大值為30.7 kPa（4#），最小值為15.9 kPa（1#）；內(nèi)摩擦角最大值為32.6°（1#），最小值為29.2°（4#）.

2）探討了土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與土顆粒組成之間的關(guān)系，1#為中砂，粗粒含量最高，因而粘聚力最小，內(nèi)摩擦角最大；4#為含細(xì)粒土砂，細(xì)粒含量最高，因而粘聚力最大，內(nèi)摩擦角最?。黄渌翗咏橛?#、4#之間.

3）不同性狀紅砂巖細(xì)粒土在路基填土中沉降量存在明顯差異，密度和變形參數(shù)是影響沉降量的重要因素，作為路基填料時(shí)，土在自重作用下的沉降變形受密度與變形參數(shù)的共同影響.

4）本文選取的5種典型恩施紅砂巖細(xì)粒土的工程特性差異明顯，在設(shè)計(jì)、施工過程中應(yīng)加以區(qū)分.

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本文編輯：苗變

Com parative Test on Engineering Characteristicsof Red Sandstone Fine-G rained Soils in Enshi

ZHONG Yuan，D ING Feng，LIAO Qilin，PAN Deng，WANG Zhangqiong*
Schoolof Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 40074，China

Taking red sandstone fine-grained soil widespread in Enshi，Hubei province as a case，both the physical and mechanical properties of five typical red sandstone fine grained soil，including natural density，natural water content，particle size distribution，optimum water content and shear strength were comparatively analyzed by laboratory tests，and the inner relationship between the physical and mechanical property parameters was also discussed.Combined with engineering cases，we explored the settlement characteristics of roadbed filled by the five red sandstone fine-grained soil，and the cause that leads to different settlement.The results show that the settlementof the roadbedmay be significantly differentwhen the red sandstone fine-grained soil is used as the filler.It is recommended that we should distinguish the soil material in the construction process.

red sandstone；fine-grained soils；engineering characteristics；subgrade settlement

P642.13+9

：Adoi：10.3969/j.issn.1674?2869.2017.01.0011

1674-2869（2017）01-0064-05

2016-08-03

武漢工程大學(xué)第十屆大學(xué)生校長(zhǎng)基金（2015029）

鐘園，本科生.E-mail：zy19937@163.com

*通訊作者：王章瓊，博士，講師.E-mail：wzqcug@163.com

鐘園，丁峰，廖奇麟，等.恩施紅層砂巖細(xì)粒土工程特性對(duì)比的試驗(yàn)研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（1）：64-68. ZHONG Y，DING F，LIAOQ L，etal.Comparative teston engineering characteristicsof red sandstone fine-grained soils in enshi［J］.JournalofWuhan Institute of Technology，2017，39（1）：64-68.