皖南山區(qū)崩解性紅砂巖路用性能研究

甘文寧， 朱大勇， 劉拴奇， 姚華彥， 陳 清

（1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室，安徽 合肥 230009）

紅砂巖在我國分布比較廣泛，約占全國陸地總面積的8.61%，是土木工程建設(shè)中不可回避的一類巖土體［1］。合理利用紅砂巖，具有重要的經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益。已有紅砂巖的研究［2］表明，紅砂巖被挖掘或者爆破出來后，受大氣環(huán)境或干濕循環(huán)作用，易崩解碎裂、顆粒軟化或泥化，從而導致強度降低，抗沖刷、抗風化能力及工程穩(wěn)定性均變差，用作路基填料時施工質(zhì)量難以控制，常出現(xiàn)路基沉陷、路面開裂等工程病害問題，是一種不良的路基填料，因而公路建設(shè)中都盡可能避免采用。

對于紅砂巖路用性能主要有以下研究成果：文獻［3－8］對紅砂巖及其崩解物的物理力學性質(zhì)、路用性能以及影響因素等方面進行了研究，提出了紅砂巖的工程分類方法，得到了紅砂巖工程力學性質(zhì)指標，提出了以“預崩解－耙壓－碾壓”為核心的紅砂巖路基修筑技術(shù)、施工質(zhì)量控制方法和檢測措施等，探討了紅砂巖用作路基填料的可行性；文獻［9］研究了紅砂巖對水的敏感性影響因素，提出了紅砂巖填筑路基性能的改善措施；文獻［10］對紅砂巖風化土路基填料的力學特性進行了試驗研究，分析了其單位壓力－回彈變形、單位壓力－貫入量等變化關(guān)系；文獻［11］對紅砂巖崩解得到的紅砂土進行了路用性能的試驗研究，發(fā)現(xiàn)其壓實后具有良好的路用性能；而關(guān)于皖南地區(qū)紅砂巖的性質(zhì)，文獻［12－13］重點開展了湯口—屯溪段沿線紅砂巖的室內(nèi)浸水崩解試驗，對紅砂巖的崩解機理以及崩解土的路用性能等方面進行了較為深入的研究。

上述研究主要以紅砂巖崩解產(chǎn)物為研究對象，而關(guān)于直接機械破碎解小的崩解性紅砂巖填料的路用性能的研究則很少。皖南地區(qū)存在大量崩解性紅砂巖，修筑高等級公路過程中，若采用預崩解和摻灰改良等處理措施［4－8，14］，則會延長工期及提高成本。績溪—黃山高速01合同段采用預崩解措施難以滿足工期要求，因而擬采取不經(jīng)過預崩解措施。本文借鑒上述研究成果，結(jié)合該標段的施工工藝要求，不經(jīng)過預崩解或摻灰改良等措施，對該路段的紅砂巖機械破碎解小后直接加水配料，開展回彈模量、承載比和滲透性等路用性能的室內(nèi)試驗研究，初步論證其直接作為路基填料的可行性。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗樣品取自績溪至黃山高速01合同段沿線典型區(qū)域的采石場，代表性紅砂巖巖樣如圖1所示。由于紅砂巖分布具有地域差異性，其化學成分和物理性質(zhì)各不相同，且各種礦物含量的比例將直接影響紅砂巖的力學性質(zhì)，因此先對其進行巖礦鑒定，以初步掌握其礦物成分及結(jié)構(gòu)特征。

鑒定結(jié)果表明該路段的紅砂巖巖性及結(jié)構(gòu)復雜多樣，主要巖石類型有：① 泥質(zhì)長石石英細砂巖；② 鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖；③ 泥巖；④ 泥質(zhì)粉砂巖；⑤ 鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)粉砂巖；⑥ 鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)長石巖屑砂巖等。其中鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)長石巖屑砂巖最多，其次為鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)粉砂巖。塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)主要有粉砂－細砂結(jié)構(gòu)、粗碎屑結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、顯微鱗片結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)結(jié)構(gòu)等。

圖1 代表性紅砂巖巖樣

紅砂巖樣本的主要成分由粒屑和填隙物組成。粒屑主要包含石英、長石、巖屑、白云母、不透明礦物和泥晶灰?guī)r礫石等，在巖石中分布不均勻，局部含量高。其中體積分數(shù)最大的是石英，約為30%～50%，甚至高達55%；長石次之，其體積分數(shù)約為8%～20%；巖屑一般為5%～23%。石英多呈碎屑狀，相對集中分布于局部，少量零星分布；長石多呈次棱角、次圓狀，為絹云母化長石，新鮮者偶見；巖屑一般分為泥質(zhì)巖巖屑、粉砂泥質(zhì)巖巖屑和長英質(zhì)角巖巖屑，呈次棱角、次圓狀；白云母呈片狀，定向不明顯；不透明礦物呈次圓狀。

填隙物主要有方解石、鐵染泥質(zhì)（含絹云母）和泥質(zhì)等。其中含量最多的為鐵染黏土礦物（含絹云母），其體積分數(shù)為10%～31%，個別高達56%和97%；方解石次之，為8%～25%，最高達40%。填隙物中鐵染現(xiàn)象明顯，黏土礦物基本呈隱晶質(zhì)；絹云母一般呈顯微鱗片狀；方解石呈他形粒狀鑲嵌分布于碎屑之間。

膠結(jié)物主要為泥質(zhì)和鈣質(zhì)，強度較低；膠結(jié)方式以基底式為主，顆粒之間不直接接觸，完全受泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)物包圍，強度較低，抗風化能力弱。

礦物成分統(tǒng)計結(jié)果見表1所列。

表1 紅砂巖巖樣礦物成分體積分數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果

部分微觀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 代表性紅砂巖微觀結(jié)構(gòu)

1.2 試驗方案

將取回的巖樣人工破碎得到最大粒徑不超過20mm的紅砂巖土，開展室內(nèi)的路用性能試驗。

紅砂巖填料的路用性能主要指標為回彈模量E、承載比（California bearing ratio，簡稱CBR）和滲透系數(shù)k等。本文主要研究含水率w及壓實度K對路用性能指標的影響。根據(jù)文獻［15］，采用重型Ⅱ－2法進行擊實試驗以求得最大干密度ρdmax及最佳含水率wop，并在此基礎(chǔ)上開展不同含水率及壓實度下的回彈模量、CBR和滲透性試驗，探討紅砂巖直接作為路基填料的可行性。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 原材料基本物理力學性質(zhì)

紅砂巖填料基本物理力學性質(zhì)指標見表2所列，干密度與含水率的關(guān)系曲線如圖3所示。

表2 基本物理力學性質(zhì)指標

圖3 干密度ρd與含水率w的關(guān)系曲線

由表 2 可知，wL＝26.2% ＜50%，IP＝10.5＜26，因此該紅砂巖試料屬于低液限粉質(zhì)黏土，可用作路基填料［16］；Cu＝7.83＞5，Cc＝2.49，1＜Cc＜3，因此該紅砂巖試料的級配良好。由圖3可得壓實后的最大干密度為2.107g／cm3，最佳含水率為8.8%。

2.2 回彈模量試驗

回彈模量是表征路基土強度的力學參數(shù)，是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)［17－18］，含水率是影響路基回彈模量的主要因素［19］。制備試件后采用承載板法測定回彈模量E，并分別探究回彈模量E與含水率w、壓實度K的變化關(guān)系。

2.2.1 回彈模量E與含水率w的變化關(guān)系

制備了壓實度K為96%，含水率w分別為4.8%、7.0%、8.3%、10.5%、12.4%的試樣開展回彈模量試驗，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出：① 紅砂巖填料的單位壓力P與回彈變形量l的關(guān)系曲線基本呈直線狀，說明紅砂巖填料壓實后具有彈性性質(zhì)；② 在同一壓實度下，隨著含水率的增大，曲線的斜率越來越大，說明含水率對回彈模量有顯著影響。

圖4 單位壓力P與回彈變形量l的關(guān)系曲線

圖5 回彈模量E與含水率w的關(guān)系曲線

由圖5可以看出：① 回彈模量與含水率具有明顯的相關(guān)性，回彈模量隨著含水率的增大而不斷減小，降幅先小后大，但總的下降趨勢近似線性；② 在最佳含水率8.8%附近，回彈模量不小于90MPa，滿足文獻［16］規(guī)定大于30～40MPa的要求，但當含水率為12.4%時，回彈模量卻低至13.692MPa。因此，在碾壓時應控制含水率在最佳含水率附近，對本試驗材料建議不超過11.0%，以便充分發(fā)揮路基填料的強度性能。

2.2.2 回彈模量E與壓實度K的變化關(guān)系

控制含水率w＝9.0%，通過調(diào)整擊實功，制備了壓實度K分別為99.7%、97.1%和95.0%的試樣開展回彈模量試驗，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：壓實度對紅砂巖填料壓實后的回彈模量有顯著的影響，隨著壓實度的增大，回彈模量值也逐漸增大，兩者存在一定的線性關(guān)系。

圖6 回彈模量E與壓實度K的關(guān)系曲線

2.3 CBR試驗

CBR是用于評定路基土和路面材料的強度指標［20］。為了探究CBR、浸水膨脹量Q、吸水量X與壓實度K的變化關(guān)系，在同一含水率w＝9.0%下制備3種干密度的試件，每層擊數(shù)分別為30、50、98次。試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 單位壓力P與貫入量lq的關(guān)系曲線

圖8 CBR、浸水膨脹量Q、吸水量X與壓實度K的關(guān)系曲線

由圖7可以看出：① 貫入量隨貫入力的變化過程可分為彈性和塑性2個階段，當荷載較小時，其貫入變形處于彈性階段，貫入力與貫入量呈一定的線性變化關(guān)系；當荷載增大時，貫入變形由彈性階段向塑性階段發(fā)展，貫入力與貫入量則呈非線性變化關(guān)系；② 隨著擊實次數(shù)的增多，即壓實度越大，紅砂巖填料貫入變形的彈性階段持續(xù)得越久，而塑性階段則出現(xiàn)得越遲，可見當壓實度達到一定或較高時，在一定壓力作用下紅砂巖填料具有較大范圍的彈性。

由圖8a可以看出：①紅砂巖填料經(jīng)壓實后，3種不同干密度的擊實試樣測得的CBR值均較高，95%壓實度的CBR值能達到30%以上，完全滿足文獻［16］的要求，說明其抵抗破壞的能力較好；② 隨著壓實度的增大，CBR值呈線性遞增的變化趨勢。

由圖8b和圖8c可以看出：壓實度對浸水膨脹量和吸水量的影響規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為壓實度越大，浸水膨脹量和吸水量越小，均呈近似直線的變化趨勢，說明其水穩(wěn)定性隨壓實度的提高而逐漸增強，這主要是由于壓實度的增高使得土體顆粒之間的孔隙減小，即減小了土體的儲水空間，表現(xiàn)為吸水量的降低。因此，從路基填料的長期穩(wěn)定性來看，紅砂巖填料碾壓時應盡量控制壓實度達到最佳，將吸水量和膨脹量的不良影響盡可能降到最低。

2.4 滲透性

為了研究滲透系數(shù)k與壓實度K、孔隙比e的變化關(guān)系，采用變水頭法開展同一含水率（w＝8.9%）、不同壓實度（K分別為99.6%、96.9%、94.9%、92.8%）下飽和試件的滲透試驗，結(jié)果如圖9、圖10所示。

由圖9可知：① 紅砂巖填料的滲透系數(shù)隨著壓實度的增大而線性減小，這主要是由于隨著壓實度的增大，土中孔隙變小，孔隙水壓力增大，孔徑曲折度變大，毛細作用產(chǎn)生表面張力，減緩甚至阻止自由水在土顆粒間的流動，導致滲透系數(shù)減??；② 在壓實度92%～100%范圍內(nèi)，滲透系數(shù)k均小于6×10－6cm／s，其抗?jié)B性能很好，說明壓實度對填料孔隙和滲透性起有效控制作用。

由圖10可以看出：滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而呈線性增大的趨勢，主要原因是隨著孔隙比的增大，土中孔隙體積變大，孔隙水壓力變小，縮小了自由水壓力與孔隙水壓力的數(shù)值差距，加速自由水在土顆粒間的流動，導致滲透系數(shù)變大。

圖9 滲透系數(shù)k與壓實度K的關(guān)系曲線

圖10 滲透系數(shù)k與孔隙比e的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)巖礦鑒定結(jié)果可初判皖南山區(qū)紅砂巖巖性及結(jié)構(gòu)復雜多樣，多屬黏土類，黏土礦物含量較高，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，強度低，抗風化能力弱。

（2）含水率對紅砂巖填料回彈模量的影響較大，回彈模量值隨著含水率的增大而減小，兩者存在一定的線性關(guān)系，因此碾壓時應控制填料的含水率在一定范圍之內(nèi)，使路基的回彈模量值大于30～40MPa，以保證路基的強度和穩(wěn)定性。

（3）壓實度與紅砂巖填料的強度及水穩(wěn)性有良好的關(guān)系，隨著壓實度的增大，紅砂巖填料壓實后的回彈模量及CBR呈線性遞增趨勢，而浸水膨脹量、吸水量及滲透系數(shù)則呈線性遞減趨勢，即其強度和水穩(wěn)定性均隨壓實度的增大而增強。

（4）室內(nèi)試驗研究表明：未經(jīng)預崩解直接破碎的紅砂巖土在滿足一定含水率、壓實度等關(guān)鍵控制指標的情況下，路用性能指標均能達到高等級公路的使用要求，可以直接用作路基填料。

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