王學(xué)斌,楊建輝

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

紅砂巖是指顏色呈紅色或褐色的泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等沉積巖,富含親水性黏土礦物和鐵質(zhì)氧化物,形成年代為侏羅紀(jì)到新近紀(jì)[1-2]。紅砂巖在路基工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,將其作為路基填料主要有兩種技術(shù)路徑:一是崩解成紅砂土后直接應(yīng)用于路基填筑;二是通過添加水泥、黃土、石灰等改良劑進行改良后再應(yīng)用于路基填筑。在第一種技術(shù)路徑下,紅砂巖經(jīng)過預(yù)崩解和壓實處理后,物理力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生改變。室內(nèi)物理力學(xué)試驗表明紅砂巖路基的回彈模量和承載比會隨著壓實度的增大呈線性增大,路基填筑高度也會影響紅砂巖壓實后的強度[3-4]。同時,紅砂巖路基填料的濕化軸向應(yīng)變會隨著應(yīng)力水平和圍壓的增加而顯著增加,軸向應(yīng)變隨著密度的增加而減小[5]。紅砂巖遇水易崩解,崩解物的顆粒粒徑和細顆粒含量也會影響紅砂巖路基的力學(xué)性質(zhì),如路基的動態(tài)水壓力、動彈性模量和阻尼比等[6-7]。因此紅砂巖崩解物的顆粒級配參數(shù)可以作為崩解指標(biāo)之一[8]。在第二種技術(shù)路徑下,通過添加水泥、黃土和石灰等材料來提高紅砂巖路基填料的力學(xué)性能。在干濕循環(huán)條件下,紅砂巖改良土的強度和彈性模量隨著水泥摻量的增加而提高,破壞形式由塑性逐漸向脆性轉(zhuǎn)變[9-11]。工程應(yīng)用中會將黃土與水泥配合使用,黃土能提高紅砂巖改良土的內(nèi)摩擦角,而水泥主要影響其黏聚力[12]。采用石灰對紅砂巖路基填料進行改良也是工程中常用的方法,石灰可以提高紅砂巖改良土的最大干密度和強度[13]。

紅砂巖崩解后直接作為路基填料是工程中常用的方法之一,但是由于紅砂巖遇水易軟化,容易引發(fā)道路病害。此外,各地區(qū)紅砂巖性質(zhì)差異較大,需結(jié)合各地區(qū)具體工程開展物理力學(xué)試驗研究。因此本研究依托G60滬昆高速公路拓寬工程浙贛界段路基工程,按崩解成紅砂土后直接應(yīng)用于路基填筑的技術(shù)路徑開展紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)研究,同時在現(xiàn)場路基試驗段開展紅砂巖路基壓實功與壓實度之間關(guān)系的研究。

1 室內(nèi)試驗

1.1 物理性質(zhì)研究

1.1.1 紅砂巖礦物成分

將3組紅砂巖研磨成樣品顆粒度小于300目的粉末試樣,利用XRD(X-ray diffraction,X射線衍射儀)進行成分分析,得到紅砂巖X射線衍射光譜圖,如圖1所示。由圖1可知,紅砂巖主要的礦物成分為石英、高嶺石、蒙脫石和伊利石等。其化學(xué)成分以SiO2為主,質(zhì)量分數(shù)為61.3%,除此之外,Al2O3質(zhì)量分數(shù)為12.36%,Fe2O3為6.21%,CaO為2.3%。蒙脫石和伊利石親水性強,是導(dǎo)致紅砂巖極易崩解的主要原因。

圖1 紅砂巖X射線衍射光譜圖

1.1.2 干濕循環(huán)條件下紅砂巖的耐崩解特性

依據(jù)GB/T 50123—2019 《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]和文獻[15-17]開展試驗研究。將紅砂巖制作成45～60 g的渾圓塊狀,放入烘箱中以105 ℃的溫度烘干至恒重,考慮紅砂巖極易崩解的性質(zhì),冷卻至室溫后進行1 min遇水耐崩解試驗,定義為1次干濕循環(huán)耐崩解試驗。循環(huán)次數(shù)N根據(jù)紅砂巖的崩解情況而定,完全崩解視作循環(huán)結(jié)束。計算每次干濕循環(huán)耐崩解試驗的質(zhì)量損失率,并將其定義為1 min耐崩解指數(shù)。

共進行8組試驗,各組均進行3次試驗,紅砂巖原巖和3次干濕循環(huán)耐崩解試驗后的巖塊狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知,試塊在第1次干濕循環(huán)耐崩解試驗后仍然保持著塊狀結(jié)構(gòu),但在第2次干濕循環(huán)耐崩解試驗后已經(jīng)沒有成塊的試樣,最終在第3次干濕循環(huán)耐崩解試驗中完全崩解。紅砂巖1 min耐崩解指數(shù)見表1。由表1可知,紅砂巖第1次、第2次和第3次干濕循環(huán)1 min耐崩解指數(shù)約為64.68%、13.71%和0.82%,這說明紅砂巖的耐崩解能力極低。3次干濕循環(huán)耐崩解試驗崩解掉的部分分別為原巖質(zhì)量的35.12%、51.17%、12.89%,可見第2次干濕循環(huán)耐崩解試驗的崩解程度最大。其原因是紅砂巖在第1次干濕循環(huán)耐崩解試驗后,尚未崩解的巖塊吸收了大量的水分,在進行第2次干濕循環(huán)耐崩解試驗前對巖塊再次烘干,在這一過程中紅砂巖內(nèi)的水分被加熱蒸發(fā)會進一步擴張空隙,紅砂巖巖塊的吸水能力大于第1次干濕循環(huán)耐崩解試驗,導(dǎo)致其崩解程度增大。

圖2 紅砂巖原巖和3次干濕循環(huán)耐崩解試驗后的巖塊狀態(tài)

表1 紅砂巖1 min耐崩解指數(shù)

1.1.3 級配分析

對各次干濕循環(huán)耐崩解試驗后篩出的紅砂巖碎屑進行了篩分試驗,篩出部分顆粒級配曲線如圖3所示。由圖3可知,紅砂巖以粒徑小于1.25 mm的顆粒為主,占整體的95%以上,3組試樣的不均勻系數(shù)Cu分別為2.7、3.6、3.2,曲率系數(shù)Cc分別為1.27、1.11、0.86。將篩出的紅砂巖顆粒進行靜水崩解試驗,可以得到靜水崩解后的顆粒級配曲線,如圖4所示。由圖4可知,靜水崩解后的紅砂巖顆粒并未發(fā)生較大的改變,其不均勻系數(shù)Cu分別為3、3.49、3.53,曲率系數(shù)Cc分別為1.42、1.11、0.80,與靜水崩解前相近,這說明該地區(qū)的紅砂巖崩解至顆粒小于1.25 mm后其崩解性基本上消除,因此可以認為消解完成。

圖3 篩出部分顆粒級配曲線

圖4 篩出部分靜水崩解后的顆粒級配曲線

1.1.4 最佳含水率與最大干密度

將紅砂巖完全崩解形成的紅砂土采用重型擊實儀進行擊實試驗,依據(jù)JTG 3430—2020 《公路土工試驗規(guī)程》[18]要求采用干法制樣,按6%、8%、10%、12%、14%共5種含水率加水拌和均勻,分層擊實,每層各擊98次,擊實完成后烘干,測量烘干前后的質(zhì)量,共進行5組試驗。根據(jù)試驗結(jié)果得到紅砂土擊實曲線,如圖5所示,通過擬合曲線可計算得到紅砂土的最優(yōu)含水率為10.3%,最大干密度為1.87 g/cm3。

圖5 紅砂土擊實曲線

1.1.5 微觀結(jié)構(gòu)研究

采用SEM(scanning electron microscope,掃描電子顯微鏡)開展最優(yōu)含水率下?lián)魧嵲噳K微觀結(jié)構(gòu)研究,并和原巖的微觀結(jié)構(gòu)進行對比。紅砂巖原巖與最優(yōu)含水率下?lián)魧嵲噳K的SEM圖像(1 000倍)對比如圖6所示。由圖6可知,原巖內(nèi)部顆粒光滑,顆粒間存在大量孔隙,且原巖內(nèi)部顆粒自身存在大量裂隙。擊實的試塊相比原巖顆粒分布更均勻,連續(xù)性好,顆粒表面粗糙,呈現(xiàn)鋸齒狀,孔隙較少,且孔隙內(nèi)附著有更細小的紅砂巖顆粒,這些細小的顆粒將大顆粒黏結(jié)在一起,使強度和穩(wěn)定性都得到了提高。

圖6 紅砂巖原巖與最優(yōu)含水率下?lián)魧嵲噳K的SEM圖像(1 000倍)對比

1.2 抗剪強度研究

為研究紅砂巖消解形成的紅砂土壓實后的抗剪強度,將其按最優(yōu)含水率(10.3%)制成土樣,并分5層擊實,制備尺寸為高80 mm、直徑39.1 mm及干密度為1.87 g/cm3(±0.02 g/cm3)的圓柱體試樣。進行4組三軸固結(jié)不排水試驗,分別施加50、75、100、125 kPa有效圍壓進行K0固結(jié),采用動三軸儀自帶的K0固結(jié)模塊進行非等向固結(jié),每組3個試樣。以0.08%/min的剪切速率進行標(biāo)準(zhǔn)三軸剪切試驗,試樣軸向應(yīng)變達到20%時終止試驗,紅砂土三軸固結(jié)不排水剪切試驗方案見表2。

表2 紅砂土三軸固結(jié)不排水剪切試驗方案

不同有效圍壓下3個試件中抗剪強度居中的紅砂土試樣主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知:曲線初始階段大致上為直線;當(dāng)應(yīng)變達到2%左右時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始表現(xiàn)出非線性,隨后進入彈塑性強化階段;應(yīng)變達到10%～15%時(σ1-σ3)達到峰值。

圖7 主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線

根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則,可得不同圍壓條件下試件莫爾圓的端點坐標(biāo)(其中(σ1+σ3)f/2為橫坐標(biāo);(σ1-σ3)f/2為縱坐標(biāo)),并繪制Kf強度線及強度指標(biāo),如圖8所示。由圖8可知壓實紅砂土的黏聚力c為22.39 kPa,內(nèi)摩擦角φ為31.95°,與其他土體相比屬于強度較高的土體,這說明紅砂巖崩解后再壓實具備了較高的強度。

圖8 Kf強度線及強度指標(biāo)

2 紅砂巖路基壓實功研究

2.1 智能壓實設(shè)備

現(xiàn)場壓實功研究需利用智能壓實設(shè)備采集壓實軌跡、壓實速度等相關(guān)數(shù)據(jù),智能壓實設(shè)備具有實時壓實引導(dǎo)、壓實遍數(shù)顯示及統(tǒng)計、軌跡監(jiān)控、速度監(jiān)控、壓實報告輸出等功能,其核心技術(shù)是壓實相關(guān)信息的采集、分析和傳遞,智能壓實系統(tǒng)[19]如圖9所示。該系統(tǒng)通過壓路機上的外置攝像頭、實時動態(tài)測量技術(shù)系統(tǒng)(real-time kinematic,RTK)、壓路機內(nèi)置的GPS定位系統(tǒng),采集壓路機的行進速度、壓路機鋼輪的角速度、壓實面積、壓實遍數(shù),并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器接收到這些數(shù)據(jù)后分析壓路機所做的壓實功、壓實軌跡,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進一步分析生成壓實報告,再將這些數(shù)據(jù)反饋至客戶端,由此技術(shù)員可以判斷壓路機行進速度、壓路機前進軌跡等參數(shù)是否需要調(diào)控,以監(jiān)控路基壓實情況。

圖9 智能壓實系統(tǒng)

理論上壓實相同體積的路基所需要的能量是一定的,因此當(dāng)土體含水率、填土厚度、壓實軌跡等因素相同時,可通過壓路機所做的壓實功來判斷路基壓實情況。

2.2 壓實功計算方法

G60滬昆高速公路改擴建工程使用了XS263J型振動壓路機,圖10為壓路機鋼輪工作原理示意圖。圖10中:M0為中鋼輪質(zhì)量;m0為偏心體質(zhì)量;e0為偏心距;ω0為角速度;Fd為偏心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激振力;A0為鋼輪的振幅;f為振動頻率;v為壓路機行駛速度;s為壓路機行駛的距離。

圖10 壓路機鋼輪工作原理示意圖

裝配在壓路機上的GPS定位系統(tǒng)和外置攝像頭能夠?qū)崟r監(jiān)測壓路機的運動軌跡、行駛速度v、壓實距離s。根據(jù)壓路機鋼輪的運動方程,可得偏心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激振力[20]。

(1)

理想情況下振動壓路機行進單位距離的壓實功如下:

(2)

2.3 壓實功與壓實度關(guān)系分析

XS263J型振動壓路機部分參數(shù)見表3。為了簡化壓實功和路基壓實度關(guān)系的研究,將式(2)中的振動頻率f設(shè)定為27 Hz,振幅A0設(shè)定為1.9 mm,激振力Fd設(shè)定為405 kN。將行駛速度取1.8、2.7、3.6 km/h,每種速度下碾壓8遍,碾壓長度為10 m。試驗中除壓實速度不同外,其他工況因素都保持一致,包括含水率、填土厚度、壓實軌跡等,并且還在試驗前進行了預(yù)壓以確保初始的壓實度一致。

表3 XS263J型振動壓路機部分參數(shù)

假定壓路機處于理想狀態(tài),在同一行駛速度下壓實功恒定,根據(jù)式(2)可得3種速度下的行駛單位距離壓實功W1、W2、W3分別為41.553、27.702、20.776 kJ。每次壓實結(jié)束后用灌砂法對路基進行壓實度檢測,各行駛速度下壓實度與壓實遍數(shù)的關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11可知,隨著壓實遍數(shù)的增加,路基壓實度增大,不同速度下的壓實度逐漸趨于一致;在遍數(shù)少時增加較快,遍數(shù)多時增加幅度趨緩;壓實遍數(shù)相同時速度越慢壓實度越大。

圖11 壓實遍數(shù)與壓實度關(guān)系曲線

由于壓實功和壓實遍數(shù)成正比,因此由圖11可得到不同速度下壓實度與壓實功的關(guān)系曲線,如圖12所示。由圖12可知,不同壓實速度下的壓實度與壓實功關(guān)系曲線分布基本上接近,這說明盡管壓實速度不同,但在同一壓實功情況下壓實度相差不大,因此可用壓實功來判斷路基壓實度情況。根據(jù)圖12中各速度下的坐標(biāo)點擬合得到紅砂巖路基壓實功與壓實度的關(guān)系曲線,如圖13所示。由圖13可知,壓實功與壓實度呈指數(shù)相關(guān),基于此可得到紅砂巖路基壓實功與壓實度K的關(guān)系函數(shù)方程:

圖12 不同速度下壓實度與壓實功的關(guān)系曲線

圖13 壓實功與壓實度的關(guān)系曲線

K=97.5-17×0.98W。

(3)

該試驗段路基壓實度要求達到95%以上,則通過式(3)可計算出單位距離路基所需的壓實功約為140 kJ。因此在施工過程中控制單位距離路基壓實功達到140 kJ以上,就可以初步確保壓實效果達到設(shè)計要求。

2.4 現(xiàn)場試驗段路基質(zhì)量檢測

對該試驗段紅砂巖路基進行壓實,并對路基進行加州承載比(California bearing ratio,CBR)強度檢測。依據(jù)JTG/T 3610—2019 《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[21],高速公路路基CBR值不小于8%。檢測結(jié)果CBR-干密度曲線如圖14所示,現(xiàn)場試驗段路基CBR值為13.6%的強度,這符合該項目的設(shè)計要求,因此將紅砂巖應(yīng)用于路基填筑,并通過壓實功檢測壓實度的方法是可行的。

圖14 CBR-干密度曲線

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)干濕循環(huán)耐崩解試驗、擊實試驗、SEM掃描試驗、標(biāo)準(zhǔn)三軸剪切試驗,并結(jié)合G60滬昆高速公路金華互通至浙贛界段TJ04標(biāo)段試驗段路基開展紅砂巖路基壓實功研究,可得出以下結(jié)論:

1) 該地區(qū)的紅砂巖極易崩解,水活性極強。將紅砂巖崩解至超過95%的顆粒小于1.25 mm粒徑時,便趨于穩(wěn)定,不易破碎,因此可將該值視為紅砂巖消解完成的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2) 通過室內(nèi)試驗得到了崩解后的紅砂巖的最優(yōu)含水率為10.3%,最大干密度為1.87 g/cm3,此時其黏聚力c為22.39 kPa,內(nèi)摩擦角φ為31.95°,具備了較高的強度,可以作為路基填料。

3) 現(xiàn)場試驗表明,在填料含水率、填土厚度、壓實路徑等完全相同的工況下可以用壓實功來判斷路基壓實度情況,并得到了紅砂巖路基壓實功與壓實度指數(shù)函數(shù)關(guān)系方程。試驗段紅砂巖單位距離路基壓實功達到140 kJ后,壓實度可達95%。

4) 試驗段路基CBR檢測結(jié)果表明,路基強度滿足設(shè)計要求,說明紅砂巖消解處理后可以作為路基填料使用,在同一工況下通過壓實功判斷路基壓實度的方法是可行的,本工程案例可為其他路基工程壓實度檢測方面提供技術(shù)參考。