黃土改良紅砂巖的試驗(yàn)及路用性能研究

朱彥鵬，栗慧，楊校輝，楊奎斌，王海明

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心， 甘肅 蘭州 730050)

黃土改良紅砂巖的試驗(yàn)及路用性能研究

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心， 甘肅 蘭州 730050)

蘭州某地鐵車站深基坑開挖遇到大量紅砂巖，紅砂巖直接作為路基填料會(huì)造成路基垮塌等工程事故。為了研究紅砂巖作為路基填料的適宜性，以及對改良紅砂巖最優(yōu)配比及改良效果和工程性能進(jìn)行研究。對不同配比及不同含水率的黃土-紅紗巖改良土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)和固結(jié)壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：30%黃土摻量且含水率達(dá)到8%的紅砂巖改良土的干密度達(dá)到最大值2.11 g/cm3；其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和黏聚力得到大幅提高及其壓縮性能得到改善，工程性能得到了一定提高。初步確定了改良紅砂巖作為路基填料的可行性。

紅砂巖；改良土；路基填料；抗剪強(qiáng)度；壓縮性能

蘭州地鐵深基坑的開挖所遇到的大量紅砂巖如何處理成為了如今蘭州地鐵修建的難題。大量的紅砂巖被挖出如果處理不好會(huì)造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞以及會(huì)提高工程造價(jià)，造成不必要的資源浪費(fèi)。

本項(xiàng)目所遇到的紅砂巖成巖作用差，遇水或擾動(dòng)極易軟化且呈現(xiàn)散沙狀，暴露地表非常易風(fēng)化和崩解，這些特性使紅砂巖成為了不良路基填料。不良路基填料對于城市交通軌道的影響是巨大的，而且路基的挖方量很大，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境與減少工程消耗常常對天然土體進(jìn)行改良，使其達(dá)到路基填筑標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)填料。而黃土是蘭州地區(qū)隨處可見的一種土體，所以使用黃土對紅砂巖進(jìn)行改良的研究以及對其路用性能的研究是具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意義。

根據(jù)有關(guān)紅砂巖改良的現(xiàn)有文獻(xiàn)可知祝艷波等[1]用石灰、水泥、粉煤灰改良紅層泥巖并得出石灰改良紅層泥巖的效果最佳的結(jié)論。廖崇高等[2]還對西南地區(qū)全—強(qiáng)風(fēng)化砂巖工程特性進(jìn)行了研究，并得出強(qiáng)風(fēng)化砂巖遇水后軟化、崩解，物理性能急劇降低的特性。陳湘亮等[3]對泥質(zhì)粉砂巖改良土路基填料適宜性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出泥質(zhì)粉砂巖不宜直接用作路基填料，必須進(jìn)行改良處理的結(jié)論。目前紅砂巖普遍被認(rèn)為廣泛集中于南部省區(qū)，對于西北地區(qū)所存在的紅砂巖的研究尚有欠缺，并且對于紅山巖的改良研究目前只有將石灰、水泥、粉煤灰等作為紅砂巖的改良劑，而對于將黃土作為紅砂巖的改良劑研究尚不完善。

綜上所述，本次研究將黃土作為紅砂巖的改良劑，對于不同含水率、不同黃土摻量的紅砂巖改良土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，研究其最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系；將最優(yōu)配比的紅砂巖改良土進(jìn)行直剪試驗(yàn)和固結(jié)壓縮試驗(yàn)，研究其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和壓縮性能的變化，由此綜合評價(jià)其改良效果和路用性能。

1 工程概況

因?yàn)榧t砂巖屬于軟質(zhì)巖，其巖塊作為路堤填料與其他顆粒及硬質(zhì)巖碴填料不同，其粒徑構(gòu)成會(huì)隨著碾壓過程、裸露時(shí)間長短及含水情況而變化，為了使大量廢棄紅砂巖可以作為路基填料，則需要加入一定比例改良劑形成混合料對其相關(guān)性能進(jìn)行分析，并初步判定風(fēng)化紅砂巖填筑路基的可行性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

通過查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)[4-14]，本文采用蘭州地區(qū)黃土與現(xiàn)場取得的紅砂巖摻拌，黃土按20%、30%、40%、60%、80%五組摻量，為了使試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，將挖方現(xiàn)場不同典型部位的紅砂巖與黃土混合、充分拌勻后，按照規(guī)程[15]對此配比的紅砂巖改良土進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，研究不同黃土摻量紅砂巖含水率不同時(shí)，改良土的最大干密度-最優(yōu)含水率的變化規(guī)律。

根據(jù)規(guī)程[15]將蘭州地區(qū)黃土按照改良配比要求與現(xiàn)場紅砂巖混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓Q取紅砂巖改良土濕土6 kg，按照預(yù)定的含水率噴水悶料24 h。擊實(shí)筒內(nèi)徑為152 mm，高為116 mm，容積為2 103.9 cm3。將紅砂巖改良土濕土分5層，每層56擊在重型擊實(shí)儀上進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，兩層交界處用拉毛器拉毛，以使層間土粒均勻連接。完成紅砂巖改良土擊實(shí)試驗(yàn)，得到最大干密度及最優(yōu)含水率，并繪制擊實(shí)曲線。

2.2 直剪試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果按照最優(yōu)含水率和最大干密度配比摻拌黃土摻量為30%及含水率為8%的紅砂巖改良土，悶料24 h后，采用重型擊實(shí)儀按照標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)。脫模制樣，取4個(gè)土樣用于直剪試驗(yàn)。將試樣依次裝入剪切盒，采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行，按規(guī)程[15]分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向力進(jìn)行快速剪切試驗(yàn)。剪切速率為0.8 mm/min，試樣在3 min～5 min內(nèi)被剪切破壞，繪制測得的τ-Δl曲線，并確定對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度s值，從而繪出庫侖強(qiáng)度包線。

2.3 壓縮試驗(yàn)

為了明確最優(yōu)含水率和最大干密度下黃土改良紅砂巖后的的壓縮特性，故進(jìn)行對于紅砂巖改良土的固結(jié)壓縮試驗(yàn)。

按照最優(yōu)含水率和最大干密度配比摻拌紅砂巖改良土，噴水燜料24 h后進(jìn)行擊實(shí)，脫模制樣，用環(huán)刀取3組土樣使用固結(jié)儀進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，按50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa逐級加載，每級荷載保持時(shí)間≥12 h，記錄變形數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 最大含水率和最大干密度關(guān)系分析

從圖1各組紅砂巖改良土的試驗(yàn)結(jié)果可以看出黃土摻量在30%時(shí)改良土的最大干密度值達(dá)到最大值2.11 g/cm3，最優(yōu)含水率為8%。隨著黃土摻量的繼續(xù)增加，最大干密度呈下降的趨勢,但最優(yōu)含水率上升。

圖1改良土干密度與含水率變化關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果中確認(rèn)黃土摻量為30%的改良土試驗(yàn)效果最好，為進(jìn)一步研究最優(yōu)配合的黃土摻量，將增加對黃土摻量25%、35%混和料在不同含水率下的擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2黃土摻量20%、25%、30%、35%改良土干密度與含水率變化關(guān)系

從圖2可以看出在黃土摻量未達(dá)到30%之前，改良土干密度呈上升趨勢，在黃土摻量超過30%之后改良土干密度呈下降趨勢。因此黃土摻量30%的改良土在含水率8%的情況下干密度最大，擊實(shí)效果最好。

3.2 改良土抗剪強(qiáng)度分析

土體沿著內(nèi)部的滑動(dòng)面發(fā)生剪切破壞，在該滑動(dòng)面上產(chǎn)生的應(yīng)力就是抗剪強(qiáng)度。土體的抗剪強(qiáng)度是工程中重要的力學(xué)指標(biāo)，抗剪強(qiáng)度按照公式

τf=c+σtanφ

(1)

計(jì)算，由公式(1)可知，黏聚力c和內(nèi)摩角φ是反映抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)。土的內(nèi)摩擦角反映了土顆粒間的相互作用會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦特性，主要包括土顆粒的表面摩擦力和顆粒間的咬合力，而土的黏聚力主要來源于顆粒內(nèi)部之間相互吸引而產(chǎn)生的應(yīng)力。最優(yōu)配比混合料試驗(yàn)結(jié)果見表1。由地勘報(bào)告可知紅砂巖原狀土的各抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表2。通過表1與表2比較確定黃土改良后的紅砂巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角與紅砂巖原狀土相比較有著顯著提高，這是由于通過黃土改善了紅砂巖土粒間的膠結(jié)作用并且增強(qiáng)了紅砂巖土粒間的摩擦力，說明黃土改良后的紅砂巖的抗剪強(qiáng)度得到很好的改善(見圖3)。

表1 最優(yōu)配比混合料直剪試驗(yàn)結(jié)果

表2 原狀土直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖3庫侖強(qiáng)度包線

3.3 改良土壓縮性能分析

土體在壓力作用下體積縮小的特性稱為土的壓縮性。固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表3。由地勘報(bào)告已知紅砂巖原狀土的壓縮特性，見表4。由表3與表4相比較我們可以得知，紅砂巖改良土的壓縮性能被較大提高，通過表3可以得知紅山巖改良土的壓縮系數(shù)α1-2<0.1 MPa-1、壓縮指數(shù)Cc<0.2和壓縮模量Es>15 MPa，確定了經(jīng)黃土改良后的紅砂巖改良土是低壓縮性土，改良效果較好。

表3 固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 紅砂巖原狀土壓縮性能指標(biāo)

這是由于將黃土摻入紅砂巖中試紅砂巖的性質(zhì)發(fā)生了變化，紅砂巖的孔隙率有所降低，所以紅砂巖的壓縮性降低。

4 結(jié) 論

(1) 在黃土摻量未達(dá)到30%之前，改良土的干密度呈上升趨勢，在黃土摻量超過30%之后改良土干密度呈下降趨勢。紅砂巖改良土在黃土摻量達(dá)到30%且含水率達(dá)到8%時(shí)其干密度達(dá)到最大值。

(2) 在確認(rèn)黃土-紅砂巖混合料最大干密度和最優(yōu)含水率的前提下對最優(yōu)配比的紅砂巖改良土進(jìn)行直接剪切和固結(jié)壓縮試驗(yàn)，確定了紅砂巖經(jīng)黃土改良后，其抗剪強(qiáng)度有了明顯提高，并且紅砂巖的壓縮性能得到了很大提升。

(3) 通過對紅砂巖改良土進(jìn)行擊實(shí)、直剪和固結(jié)試驗(yàn)，證明了最優(yōu)配比的紅砂巖改良土具有很好的抗剪強(qiáng)度和壓縮性能，其不良特性被改善以及路用性能得到了提升，初步證明了紅砂巖作為路基填料的可行性。

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ExperimentalStudyonMixingRedSandstonewithLoessanditsPerformance

ZHU Yanpeng1,2, LI Huijun1,2, YANG Xiaohui1,2, YANG Kuibin1,2, WANG Haiming1,2

(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China； 2.WesternCivilEngineeringResearchCenterofDisasterPreventionandMitigation,TheMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

A large number of red sandstone is excavated in the deep excavation of a subway station in Lanzhou. There will be subgrade collapse and engineering accidents if the red sandstone is directly used as the subgrade filler. In order to test the suitability of red sandstone as a subgrade filler and determine the optimal matching and improvement effect and engineering properties of improved red sandstone. The compaction test, direct shear test and consolidation compression test are carried out when mixing red sandstone with loess by different ratio and water content. Results of the trial indicated that the dry density of improved red sandstone with 30% loess and 8% water reached a maximum of 2.11 g/cm3; the angle of internal friction and cohesion of the shear strength index are improved greatly and its compression performance is improved. Therefore, the feasibility of improved red sandstone as subgrade filler is preliminarily determined.

redstandstone;improvedsoil;roadbedfilling;shearstrength;compressionperformance

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.003

2017-06-28

2017-08-03

教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(ITR1368)；甘肅省創(chuàng)新研究群體計(jì)劃項(xiàng)目(121ORJA003)

朱彥鵬(1960—)，男，甘肅慶陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事滑坡泥石流結(jié)構(gòu)防治、黃土地基處理、黃土與濕陷性支擋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、高層建筑深基坑支護(hù)和工程事故分析與處理等領(lǐng)域的研究。 E-mail：zhuyp@163.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0012—04