恩施紅層砂巖細粒土工程特性對比的試驗研究

鐘園，丁峰，廖奇麟，潘登，王章瓊

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北武漢 430074

恩施紅層砂巖細粒土工程特性對比的試驗研究

鐘園，丁峰，廖奇麟，潘登，王章瓊*

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北武漢 430074

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

紅層砂巖；細粒土；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，巖體膠結程度低，易風化，在我國川、滇、皖、鄂、湘、內(nèi)蒙、粵、魯?shù)鹊鼐蟹植?，紅砂巖及其風化后形成的細粒土是工程建設中經(jīng)常遇到的一類巖土體［1-2］.學者對紅層砂巖及其風化土的工程特性進行了大量研究，取得了豐富成果［3-8］.

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

楊虹［10］通過室內(nèi)試驗，對比分析了湖南、廣西兩地膨脹土的特性；王建軍［11］對襄樊地區(qū)兩種膨脹土進行大量試驗研究，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)試驗對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］通過基質吸力試驗，對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］對華中地區(qū)3種典型膨脹土和3種典型非膨脹土進行CBR試驗，得到不同類型土的CBR與壓實功關系；許豪［15］通過室內(nèi)試驗研究了膨脹土和紅黏土在完全相同試驗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，工程建設中常將紅砂巖細粒土作為路基填料.紅砂巖細粒土表觀特征（如顏色、顆粒組成等）種類較多，這些表觀特征不同的細粒土工程性質差異性如何，是設計、施工中需要查明的問題.本文選取恩施地區(qū)5種典型紅砂巖細粒土，通過室內(nèi)試驗對比其物理、力學性質的差異；結合在建公路工程，分析上述差異對路基沉降的影響，為該地區(qū)紅層砂巖細粒土物理、力學參數(shù)取值提供理論依據(jù)和參考.

1 試驗部分

1.1 試樣采集

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

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

1.2物理性質試驗

對土樣進行天然密度、天然含水率、顆粒分析和擊實試驗，室內(nèi)試驗按公路土工試驗規(guī)程（JTG E40—2007）進行.

1.3 力學性質試驗

力學試驗在武漢工程大學資源與土木工程學院中心實驗室完成，試驗儀器為TSZ全自動三軸儀，試驗時采用不固結不排水條件控制.試驗過程中應力-應變曲線達到峰值時停止試驗，如難達到明顯峰值，則采用應變15%對應的應力差作為峰值.

1.4 算例分析

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

1.4.1 計算模型采用FLAC3D對路基填筑后的沉降變形進行數(shù)值分析，建立的數(shù)值模擬模型分2層，下部為地基，長200m，高50m，厚10m；上部為填土，底寬130m，頂寬100 m，高10 m.模型共計3 654個節(jié)點，15 664個單元體，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 邊界條件對模型x方向約束兩個端面的水平位移，對底部約束垂直方向位移，對z方向前后兩個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)試驗結果；根據(jù)三軸試驗結果，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)驗取0.3.

2 結果與討論

2.1 物理性質

物理性質試驗結果見表1.

表1 土的物理性質指標Tab.1 Physical charactersof soil samples

試驗結果表明：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%.

顆粒分析試驗結果如圖3所示，根據(jù)土工試驗規(guī)程，5組試樣顆粒不均勻系數(shù)均小于5，均為級配不良土；4#為含細粒土砂，1#為中砂，2#、3#、5#為細砂.

圖3 顆粒分析試驗結果Fig.3 Results ofparticle analysis test

2.2 力學性質

通過不固結不排水試驗，得到不同圍壓下試樣主應力差與軸向應變曲線，如圖4所示.

圖4 三軸試驗應力-應變曲線Fig.4 Curvesof deviator stressand axialstrain

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

由圖4所示試驗結果得到5種紅砂巖細粒土的抗剪強度參數(shù)，見表2.

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

由表2看出，5種紅砂巖細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%.

對于砂類土，內(nèi)摩擦角大小與粗粒組含量正相關，粘聚力與細粒含量正相關.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#為含細粒土砂，細粒含量最高，因而粘聚力最大，內(nèi)摩擦角最小；2#、3#、5#為細砂，其粗粒、細粒含量介于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，土的物理性質與力學性質存在內(nèi)在聯(lián)系.

2.3 數(shù)值模擬模型計算

考慮到數(shù)值模擬模型為對稱結構，沉降最大的部位在路基頂面中軸線附近，為此，監(jiān)測路基頂面中點處變形量，為路基最大變形.采用不同土作為填料時路基頂面中線處沉降量計算結果見圖5.

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

對比5種土的物理性質參數(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)律有明顯相關性，但較大密度與較小密度在數(shù)值上并非2倍關系.

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，從而導致作為路基填料時，1#、2#土沉降量顯著大于3#、4#、5#土.

3 結語

通過室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬，對恩施地區(qū)5種典型紅砂巖細粒土的工程特性進行了對比，得到以下結論：

1）5種典型紅砂巖細粒土天然含水率接近，天然密度差異明顯，均為級配不良均粒土.不固結不排水條件下，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）探討了土的抗剪強度參數(shù)與土顆粒組成之間的關系，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#為含細粒土砂，細粒含量最高，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，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粒土的工程特性差異明顯，在設計、施工過程中應加以區(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

武漢工程大學第十屆大學生校長基金（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.恩施紅層砂巖細粒土工程特性對比的試驗研究［J］.武漢工程大學學報，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.