蘭州地鐵紅砂巖重塑土的室內(nèi)試驗研究

楊 宏，馬 滔，朱彥鵬，楊校輝

(1.中鐵二十局集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實驗室， 甘肅 蘭州 730050；3.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)

紅砂巖在我國分布比較廣泛，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，在紅砂巖地區(qū)修建公路、地下軌道交通等工程時，考慮到建設(shè)投資和環(huán)境保護(hù)等因素，不可避免地需要把開挖出的紅砂巖作為工程材料加以利用，但紅砂巖遇水易崩解，強(qiáng)度下降較大，破碎后紅砂巖黏結(jié)性較差，所以對紅砂巖的改良回填研究具有重要的理論意義和工程實用價值。

目前對紅砂巖工程性質(zhì)的研究已經(jīng)取得了許多成果，祝艷波等[1]通過室內(nèi)試驗研究了紅層泥巖改良土工程特性，對比分析了水泥、石灰、粉煤灰的改良效果，得出水泥是其最佳改良劑。邱雪蓮等[2]通過使用化學(xué)改良劑對膨脹土邊坡進(jìn)行改良。甘文寧等[3]通過研究崩解性紅砂巖的路用性能，論證皖南山區(qū)紅砂巖作為路基填料的可行性。陳宇亮等[4]對紅砂巖填料路基進(jìn)行現(xiàn)場試驗，建立了動態(tài)模量與含水率、黏土含量和壓實度的回歸模型。張莎莎等[5]通過對不同路基的填筑工藝試驗和數(shù)值模擬分析得到泥質(zhì)軟巖混合料棄渣合適松鋪厚度和施工工藝。韋慧等[6]通過自制大型壓縮剪切儀對紅砂巖碎石土開展了一維大型壓縮試驗，得到紅砂巖的壓縮變形性狀。王浩宇等[7]對不同含水率的紅砂巖試樣進(jìn)行單軸沖擊試驗，并和干燥試樣進(jìn)行對比分析，表明含水率和沖擊荷載對動態(tài)抗壓強(qiáng)度和峰值有較大影響，而試樣峰值模量主要受含水率影響。曾昭田等[8]通過試驗研究了紅黏土抗拉強(qiáng)度和含水率的關(guān)系。錢普州等[9]將研發(fā)的聚合物水泥土壤加固劑用于紅層泥巖改良，提高了其抗壓強(qiáng)度、抗水性和耐疲勞性能。張通等[10]通過試驗和數(shù)值模擬研究了應(yīng)變速率對紅砂巖力學(xué)特性的影響。楊園野等[11]通過對含紅砂巖礫粒試驗路段的研究，分析驗證了不同碾壓機(jī)械和工藝對碾壓效果的影響。鄭廣輝等[12]分別對吸水紅砂巖試樣和干燥試樣進(jìn)行壓縮實驗，研究了水-巖-動力耦合作用下紅砂巖抗壓強(qiáng)度和變形等性質(zhì)。金解放等[13]為研究靜應(yīng)力對巖石應(yīng)力波傳播的影響，對紅砂巖進(jìn)行應(yīng)力波試驗，得到在不同靜應(yīng)力下應(yīng)力波的傳播衰減特性。聞名等[14]通過壓力試驗機(jī)對不同含水率紅砂巖試樣進(jìn)行了劈裂抗拉試驗，結(jié)合電鏡掃描結(jié)果得出紅砂巖破壞規(guī)律。

目前，對紅砂巖的改良研究多數(shù)添加水泥、石灰和粉煤灰，而考慮采用當(dāng)?shù)夭牧献鳛樘砑觿┑难芯枯^少。就地取材作為添加劑不僅保護(hù)環(huán)境，而且可以減少造價，對于進(jìn)一步研究紅砂巖重塑土的工程特性并實現(xiàn)工程實用價值具有重要意義。本文依托蘭州地鐵項目，結(jié)合區(qū)域性地質(zhì)特色，嘗試將西北地區(qū)分布廣泛的黃土作為改良劑，分別對添加黃土、水泥、石灰的紅砂巖重塑土進(jìn)行擊實試驗、直剪試驗和壓縮試驗，綜合對比分析其最大干密度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)和壓縮模量等，根據(jù)試驗結(jié)果推薦對蘭州地區(qū)紅砂巖改良效果較好的添加劑。

1 試驗材料

紅砂巖取自蘭州市地鐵一號線東方紅廣場站深基坑，屬于強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖，巖芯破碎，泥質(zhì)膠結(jié)。礦物成分以長石、石英等為主，紅砂巖擾動樣見圖1，其天然狀態(tài)物理力學(xué)性質(zhì)見表1。外加劑水泥為P·C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，石灰為川灰，黃土為干凈素黃土。

圖1 紅砂巖擾動樣

2 室內(nèi)試驗及分析

2.1 擊實試驗

將紅砂巖在實驗室破碎后，將其與黃土、水泥、石灰按預(yù)定配合比配料(不同土樣的配比及含水率見表2),紅砂巖含水率的選取依據(jù)參考文獻(xiàn)[3]。次日按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[15](TB 10102—2010)采用重型擊實制備試樣，擊實儀器為JDS-1型電動數(shù)控?fù)魧崈x,各試樣擊實曲線見圖2～圖4。

表2 重型擊實試驗計劃表

從圖2可以看出，不同含量水泥添加劑的最優(yōu)含水率均在9%左右，7%的水泥添加劑對應(yīng)最大干密度為1.92 g/cm3，9%的水泥干密度最小為1.85 g/cm3，原因是水泥含量增多后水化反應(yīng)吸收水分增多，并且形成土團(tuán)粒凝膠體更大，使擊實效果變差，干密度降低。由圖3擊實曲線可以看出添加黃土重塑土最優(yōu)含水率在8%左右，30%的黃土達(dá)到最大干密度2.11 g/cm3,超過水泥和石灰的最大干密度9.82%，擊實效果達(dá)到最佳。對于圖4石灰改良土擊實曲線，不同含量石灰的最優(yōu)含水率均在9%左右，且隨著石灰含量的增加最大干密度增大，9%石灰對應(yīng)最大干密度1.93 g/cm3。

圖2 水泥重塑土干密度與含水率變化關(guān)系

圖3 黃土重塑土干密度與含水率變化關(guān)系

圖4石灰重塑土干密度和含水率變化關(guān)系

2.2 直剪試驗

將三種改良土各自對應(yīng)最大干密度試樣用于剪切試驗，每組試驗四個平行試樣。剪切試驗采用ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，剪切速率為0.8 mm/min，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa以及400 kPa的垂直壓力，試樣在2 min～5 min內(nèi)剪壞，破壞后求得每組試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，直剪破壞后試樣見圖5，不同改良土樣剪切強(qiáng)度包絡(luò)線見圖6，直剪試驗結(jié)果見表3。

圖5 剪切破壞試樣

圖6 重塑土試樣剪切強(qiáng)度包絡(luò)線

從表3可以看出，水泥重塑樣的黏聚力最大，因為水化反應(yīng)生成的凝膠體增大了土顆粒之間的黏結(jié)；黃土黏聚力最低，內(nèi)摩擦角最大，原因是一方面從擊實曲線得到黃土的壓實效果最好,土體較密實；另一方面黃土和破碎后的紅砂巖顆?；旌虾螅咧g的相對約束作用增強(qiáng)，咬合作用也愈強(qiáng)，內(nèi)摩擦角也越大。

2.3 壓縮試驗

同樣將3種重塑土對應(yīng)的最大干密度試樣用于壓縮試驗，按50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa逐級加載，施加每級壓力后變形≤0.01 mm/h為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，按此步驟逐級加壓至試驗結(jié)束，記錄變形數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后迅速拆除儀器各部件。此次固結(jié)試驗共4個平行試驗，取200 kPa～300 kPa試驗平均值作為計算和繪圖依據(jù)。重塑土的壓縮曲線見圖7，改良土的壓縮性質(zhì)見表4。

表4 重塑土的壓縮性質(zhì)表

由表4可以看出水泥重塑樣的壓縮模量最大，因為隨著水泥水化反應(yīng)以及硬凝反應(yīng)的進(jìn)一步加大，逐漸生成了不溶于水的結(jié)晶化合物，在水和空氣中逐漸硬化，增大了水泥重塑試樣的壓縮模量；相比于水泥試樣的壓縮模量，黃土重塑試樣的壓縮模量明顯低于水泥試樣，但也達(dá)到了低壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)。

圖7重塑土的壓縮曲線

2.4 重塑土性質(zhì)對比分析

通過以上試驗看出不同添加劑重塑土的物理力學(xué)性質(zhì)各有優(yōu)劣。對于水泥重塑土，其黏聚力和壓縮模量達(dá)到最大；對于黃土重塑土，其最大干密度和內(nèi)摩擦角最大，壓縮模量也達(dá)到低壓縮性土標(biāo)準(zhǔn)；石灰重塑土樣性質(zhì)介于二者之間。綜合對比不同添加劑重塑土的工程性質(zhì)后：一方面在路基回填的過程中，填土的干密度越大壓實效果越好，壓縮模量大變形量就??；另一方面，從工程造價上考慮，添加水泥的回填土造價明顯高于添加黃土的回填土，經(jīng)濟(jì)性上較差。綜合對比分析后，推薦對紅砂巖回填土添加黃土進(jìn)行改良，由于添加黃土比例不高，并且在碾壓回填的工程中已基本消除其濕陷性，故其帶來的附加沉降基本可以忽略不計。

3 結(jié) 論

本文通過擊實試驗、直剪和壓縮試驗綜合對比了水泥重塑土、石灰重塑土和黃土重塑土的最大干密度、黏聚力和內(nèi)摩擦角以及變形模量等物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)論如下：

(1) 黃土重塑土的最優(yōu)含水率為8%，最大干密度為2.11 g/cm3；7%水泥最大干密度為1.92 g/cm3；9%石灰的最大干密度為1.93 g/cm3。

(2) 水泥重塑試樣由于水化反應(yīng)生成的凝膠體使土顆粒膠結(jié)作用增大，所以黏聚力最大，石灰重塑樣次之，黃土重塑樣最??；對于內(nèi)摩擦角，由于黃土重塑樣顆粒間約束作用增加所以內(nèi)摩擦角最大，水泥的次之，石灰的最小。

(3) 水泥重塑試樣的壓縮模量最大，其次是石灰的試樣，黃土的試樣最小，但經(jīng)過改良后黃土重塑樣已達(dá)到低壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 經(jīng)過物理力學(xué)性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性的綜合對比，推薦將黃土作為添加劑和紅砂巖一起作為回填料，一方面利用開挖后紅砂巖保護(hù)環(huán)境；另一方面在一定程度上減少工程造價。

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