蓮株高速全風(fēng)化花崗巖路基填料改良試驗(yàn)研究

張琦練， 張 軍， 李友云， 任貴政， 廖浩成

(1．湖南省蓮株高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 株洲 412000； 2．長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410114)

0 引言

全風(fēng)化花崗巖作為路基填料有遇水易崩解和軟化、自身抗沖刷能力差、難以壓實(shí)等特點(diǎn)[1]。如要運(yùn)用于工程中需對其工程特性和改良試驗(yàn)進(jìn)行研究。周援衡[2-3]、劉東明[4]等依托新建武廣高速鐵路工程，對清遠(yuǎn)段的全風(fēng)化花崗巖做了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明：全風(fēng)化花崗巖不能直接用于路基填筑，并借鑒了日本和我國改良土經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行了改良。侯江波[5]依托武廣客運(yùn)專線工程，進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)全風(fēng)化花崗巖具有工程特性差、強(qiáng)度指標(biāo)和承載能力低、水穩(wěn)定性能差等特征，而經(jīng)摻石灰和水泥改良后的全風(fēng)化花崗巖各種指標(biāo)均有所改善。廖浩成[6]結(jié)合瀏醴高速，對工程采用的全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行路用性能研究分析，并且進(jìn)行了現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。

全風(fēng)化花崗巖具有地區(qū)差異性，本文在借鑒前人研究基礎(chǔ)上[7-11]，通過室內(nèi)試驗(yàn)對蓮株高速改擴(kuò)建工程沿線的全風(fēng)化花崗巖及其水泥改良土的工程特性進(jìn)行研究，分析其路用性能。

1 工程概況

1.1 工程背景

蓮株高速升級改造工程是湖南省內(nèi)首個由二級公路改擴(kuò)建成高速公路的項目，起于湘、贛邊界蓮花沖，止于株洲市紅旗立交東，路線總長50.384km。該工程途經(jīng)全風(fēng)化花崗巖特殊巖土區(qū)，此類地質(zhì)易滑塌、坍塌，在這種工程條件下的改擴(kuò)建工程中，做好對全風(fēng)化花崗巖這一不良路基填料的分析和處置工作非常重要。

1.2 全風(fēng)化花崗巖工程特性

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》( JTG E40—2007) 要求[12]，對沿線取土進(jìn)行土工試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表1。

表1 全風(fēng)化花崗巖物理指標(biāo)Table 1 Physical indicators of fully weathered granite天然含水率ω/%液限ωL/%塑限ωp/%塑性指數(shù)Ip2141.922.819.1擊實(shí)試驗(yàn)CBR/%最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)K=96K=94K=9311.51.824.43.93.7

按照《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)[13]規(guī)定的公路填料的最小強(qiáng)度要求，該全風(fēng)化花崗巖僅滿足下路堤的填筑要求，若要填筑上路堤及路床部位，則需進(jìn)行改良處理。

2 全風(fēng)化花崗巖改良試驗(yàn)

本文采用金大力牌PC32.5普通硅酸鹽水泥，對全風(fēng)化花崗巖分別進(jìn)行摻加0%、4%、6%、8%這4種水泥摻量改良，進(jìn)行對比分析。

2.1 改良土界限含水率試驗(yàn)分析

嚴(yán)格遵循《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)的相關(guān)規(guī)定，利用液塑限聯(lián)合測定儀試驗(yàn)獲取全風(fēng)化花崗巖和4種不同水泥摻量改良土的液、塑限，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 水泥改良全風(fēng)化花崗巖界限含水率Figure 1 Boundary moisture content of cement modified fully weathered granite

從圖1可知，隨水泥摻量的提高，改良土液限WL有增大趨勢，但較緩，摻入6%水泥，改良土液限WL較素土的液限WL僅增大2%左右;當(dāng)水泥摻量達(dá)到8%時，改良土的液限WL反而比6%水泥改良土的液限WL小。塑限WP隨水泥摻量的提高，增大的趨勢則較顯著，特別當(dāng)水泥摻量小于6%，改良土塑限WP同水泥用量呈線性關(guān)系；水泥摻入量達(dá)到6%，改良土塑限WP增長了10%左右；然而，當(dāng)水泥摻入量達(dá)到6%后，隨水泥摻量的繼續(xù)提高，改良土塑限WL基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。塑性指數(shù)IP隨水泥摻量的增加，降低較為明顯，當(dāng)水泥摻量達(dá)到8%時，改良土塑性指數(shù)IP較素土的塑性指數(shù)IP減小了8.1%，摻入水泥改良后的全風(fēng)化花崗巖土體塑性明顯減小，其親水性明顯降低，路用性能得到了明顯提高。

2.2 改良土的重型沖擊試驗(yàn)分析

為分析全風(fēng)化花崗巖水泥改良土的壓實(shí)性能，本試驗(yàn)對0%、4%、6%、8%這4種水泥摻量下的全風(fēng)化花崗巖改良土進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，采用丙法擊實(shí)對水泥改良土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 最佳含水率與最大干密度Table 2 Optimal moisture content and maximum dry density摻加劑水泥摻量最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)0%11.51.82水泥4%12.81.846%13.61.858%14.51.87

由表2可知，隨著水泥用量的增大，水泥改良土的最佳含水率逐漸提高。當(dāng)水泥摻量從4%增到8%時，改良土的最佳含水量由12.8%增大至14.5%，增長規(guī)律較為明顯。改良土的最大干密度與水泥摻量呈正相關(guān)，當(dāng)水泥用量從4%提高到8%時，改良土的最大干密度從1.84g/cm3增大至1.87g/cm3。經(jīng)水泥改良后的土體試樣最佳含水率和最大干密度這2種指標(biāo)均比改良前有所增大，2種指標(biāo)與水泥摻灰比之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 水泥改良土最佳含水率、最大干密度與摻灰比關(guān)系曲線Figure 2 Curve of optimum moisture content, maximum dry density and ash ratio of cement modified soil

2.3 改良土CBR試驗(yàn)分析

試驗(yàn)著重分析壓實(shí)度、水泥摻量對水泥改良土CBR的改善效果，在最優(yōu)含水率下制成不同水泥摻量(4%、6%、8%)和不同擊實(shí)功(30擊、50擊、98擊)下的改良土試件，養(yǎng)護(hù)7 d，測定在浸水4 d時的CBR值。不同擊實(shí)功和不同水泥摻量下的水泥改良土試件CBR試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，不同壓實(shí)度和不同摻灰比的水泥改良全風(fēng)化花崗巖的CBR值如表3和圖4所示。

由圖3可以看出，在浸水狀態(tài)下水泥改良土試件所能承受的壓力與貫入量呈正相關(guān)，但當(dāng)貫入量達(dá)到一定數(shù)值后，隨貫入量繼續(xù)增大，其所能承受的壓力逐漸趨于穩(wěn)定，尤其是在低壓實(shí)度、低水泥摻量下更為明顯。這是因?yàn)楦牧纪猎嚰趬簩?shí)度不足、水泥摻量較低的情況下，水泥與土體中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的晶體和凝膠成分較少，土顆粒間接觸又相對松散，水泥土硬化后的強(qiáng)度相對較低，當(dāng)改良試件的貫入量達(dá)到一定量時，試件容易產(chǎn)生受壓破壞。

(a) 4%水泥改良30擊 (b) 4%水泥改良50擊 (c) 4%水泥改良98擊

(g) 8%水泥改良30擊(h) 8%水泥改良50擊(i) 8%水泥改良98擊

表3 不同壓實(shí)度、不同摻灰比下水泥改良全風(fēng)化花崗巖的CBR試驗(yàn)結(jié)果Table 4 CBR test data of cement modified fully weathered granite with different compaction degree and dif-ferent ash ratio類別不同壓實(shí)度%時的CBR值10096949390最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)未改良土樣7.14.43.93.72.911.51.824%水泥改良7.74.64.23.93.012.81.846%水泥改良8.64.94.44.13.313.61.858%水泥改良12.58.66.86.03.314.51.87

由表3可知：經(jīng)過水泥改良后的全風(fēng)化花崗巖試件，各壓實(shí)度下的CBR值均得到一定程度的提高。按照《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)規(guī)定的道路填料的最小強(qiáng)度可知：經(jīng)4%水泥處理的全風(fēng)化花崗巖在壓實(shí)度為94%時，CBR值為4.2，滿足上路堤(94區(qū))部位填筑；但當(dāng)壓實(shí)度高于94%時，其CBR值不能滿足路基路床(96區(qū))部位的填筑。6%水泥處理的全風(fēng)化花崗巖在各種壓實(shí)度下的CBR值均比4%水泥處理的全風(fēng)化花崗巖的高，但在壓實(shí)度為96%時，其CBR值為4.9小于規(guī)范規(guī)定的5，所以6%水泥處理的全風(fēng)化花崗巖改良土也僅符合路基93區(qū)和94區(qū)部分的填筑，不能用來填筑路基的路床部分。8%水泥處理的全風(fēng)化花崗巖在壓實(shí)度分別為96%、94%、93%時，相應(yīng)的CBR值分別為8.6、6.8、6.0，均大于規(guī)范規(guī)定的公路填料的最小強(qiáng)度。因此可以得出：8%水泥改良的全風(fēng)化花崗巖可以用于填筑路基的各個部位。

由圖4可知：在壓實(shí)度不變時，隨著水泥用量的不斷增大，改良土的CBR值逐漸增大。水泥用量達(dá)到6%前，這種增長趨勢較平緩；水泥用量高于6%后，隨水泥摻量繼續(xù)增大，CBR值增長趨勢明顯。另外，當(dāng)水泥用量不變時，水泥改良土的壓實(shí)度與CBR值呈正相關(guān)關(guān)系，壓實(shí)度越高，改良土CBR值越大，改良效果越明顯。

圖4 水泥改良土CBR值與摻灰比關(guān)系曲線Figure 4 Curve of CBR value and ash ratio of cement improved soil

綜上，壓實(shí)度與水泥摻量是影響水泥改良土改良效果的2個重要指標(biāo)，僅靠提升水泥摻量來改良全風(fēng)化花崗巖既不經(jīng)濟(jì)，效果也不是很明顯。因此用水泥處理全風(fēng)化花崗巖填料時，應(yīng)綜合考慮水泥摻量和壓實(shí)度，使改良效果得到更好的提升。

2.4 改良土強(qiáng)度、剛度試驗(yàn)

a.抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

利用TSZ全自動三軸儀對不同水泥用量(0%、4%、6%、8%)和不同含水率的全風(fēng)化花崗巖水泥改良土試樣分別在100、200、300 kPa的圍壓下進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)，本次試驗(yàn)著重考慮水泥改良土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與水泥摻灰比、含水率之間的關(guān)系，各水泥摻量下的試件養(yǎng)護(hù)時間為7 d。

b.回彈模量試驗(yàn)。

與強(qiáng)度試驗(yàn)方法類似，得到不同摻灰比改良的試件在對應(yīng)壓實(shí)度下的回彈模量隨含水率的變化規(guī)律。

由于下路堤填筑采用未改良全風(fēng)化花崗巖，上路堤填筑采用4%水泥改良土，路床填筑采用8%水泥改良土，因此本文僅列出0%、4%、8%水泥改良土在對應(yīng)壓實(shí)度、含水率下的數(shù)據(jù)，見表4～表6。

表4 未改良全風(fēng)化花崗巖壓實(shí)度為93%時的強(qiáng)度、剛度參數(shù)Table 4 Strength and stiffness parameters of unmodified full weathered granite with a compaction of 93%含水率/%粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)回彈模量/MPa9.543.221.277.311.5(最佳)41.522.183.513.538.520.868.215.536.218.959.717.233.414.553.219.529.66.750.5

表5 4%水泥改良全風(fēng)化花崗巖壓實(shí)度為94%時的強(qiáng)度、剛度參數(shù)Table 5 Strength and stiffness parameters when the com-paction degree of 4% cement modified fully weathered granite is 94%含水率/%粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)回彈模量/MPa10.864.725.4112.512.8(最佳)62.426.2118.214.858.525.2101.916.855.222.690.818.849.519.278.120.844.912.671.4

表6 8%水泥改良全風(fēng)化花崗巖壓實(shí)度為96%時的強(qiáng)度、剛度參數(shù)Table 6 Strength and stiffness parameters of 8% cement modified fully weathered granite with a compac-tion of 96%含水率/%粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)回彈模量/MPa12.597.527.5169.714.5(最佳)94.628.6175.416.589.227.2160.118.584.524.2148.220.576.520.9135.522.569.715.2126.8

從表4～表6中可以看出：在同樣狀態(tài)下，經(jīng)水泥改良后的全風(fēng)化花崗巖黏聚力和內(nèi)摩擦角均高于改良土前，黏聚力與摻灰比基本呈線性增加的關(guān)系，當(dāng)水泥用量達(dá)到8%時，改良土的粘聚力是素土樣品的2～3倍；同粘聚力相比，內(nèi)摩擦角隨水泥用量的增加幅度較為緩慢，改良前、后全風(fēng)化花崗巖的內(nèi)摩擦角變化不明顯。隨著含水率提高，全風(fēng)化花崗巖的粘聚力呈降低的情況；內(nèi)摩擦角卻表現(xiàn)先增大再減小的趨勢，且在最佳含水率處有最大值；全風(fēng)化花崗巖的回彈模量也呈先增大再減小的情況，并于最佳含水率附近獲得最大值。而隨著摻灰比的增加，全風(fēng)化花崗巖回彈模量提升較為顯著。

3 結(jié)論

本文結(jié)合蓮株高速改擴(kuò)建工程，對全風(fēng)化花崗巖路基填料進(jìn)行水泥改良，并對其改良后的工程特性進(jìn)行分析，所得結(jié)論如下：

a.通過對全風(fēng)化花崗巖素土的土工試驗(yàn)可以得出：未改良的全風(fēng)化花崗巖僅滿足下路堤(93區(qū))填筑的要求。

b.通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)可知：水泥改良全風(fēng)化花崗巖試樣的最佳含水率、最大干密度均比改良前有所增大。

c.通過室內(nèi)CBR試驗(yàn)得出：水泥改良全風(fēng)化花崗巖在各壓實(shí)度下的CBR值均得到了提高，且4%水泥改良土滿足上路堤(94區(qū))的填筑要求，6%水泥改良土雖然CBR值較4%時有所提高，但仍然不滿足路床(96區(qū))的填筑要求，而8%水泥改良土可用于填筑路基的各個部位。

d.改良土的粘聚力、內(nèi)摩擦角、回彈模量隨水泥用量的增大而不斷增大，但內(nèi)摩擦角增加不明顯。隨含水率的提高，改良土的粘聚力逐漸降低，內(nèi)摩擦角和回彈模量則呈先增大后減小的趨勢，且在最佳含水率處獲得最大值。