氣孔構(gòu)造玄武巖填料壓實(shí)質(zhì)量控制方法研究

劉江波，周師凱，田 軍，曲詩(shī)章，劉曉明

(1.?？谑惺姓こ淘O(shè)計(jì)研究院，海南 ?？?570100； 2.湖南省張桑高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 張家界 427000； 3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

1 概述

氣孔狀是典型的巖漿巖構(gòu)造之一[1-2]。氣孔狀巖漿巖在全球分布廣泛。在海南省火山地區(qū)地表廣泛分布?xì)饪讟?gòu)造玄武巖，在這些區(qū)域修筑道路需采用這類巖石作為填料，這類氣孔構(gòu)造玄武巖屬于巖漿巖，成巖材料質(zhì)地堅(jiān)硬，本應(yīng)為“硬質(zhì)巖”，但由于存在大量氣孔，巖石整體強(qiáng)度低于30 MPa，因此又屬于軟質(zhì)巖。路基壓實(shí)質(zhì)量對(duì)道路的安全、高效運(yùn)營(yíng)有著重要影響[3-4]，這種質(zhì)硬的軟巖之前研究較少，又由于其巖塊密度因氣孔含量不同差異顯著，按常規(guī)填石路堤的固體體積率測(cè)試又不合適，因此深入研究氣孔構(gòu)造玄武巖軟質(zhì)巖填料路基的壓實(shí)質(zhì)量控制方法顯得很有必要。為了控制路基的壓實(shí)質(zhì)量，藺彪[5]等利用靜力貫入測(cè)定路基壓實(shí)度，盛安連[6]等、蘇衛(wèi)國(guó)[7]等、張宜洛[8]等利用瞬態(tài)沖擊法測(cè)定路基壓實(shí)度，金書濱[9]等采用動(dòng)土應(yīng)力值來評(píng)價(jià)填石路基壓實(shí)效果，劉麗萍[10]等提出采用空隙率法及考慮粗粒料含量的改進(jìn)最大干容重理論計(jì)算法來分析土石混合料的壓實(shí)情況，而相關(guān)規(guī)范規(guī)定對(duì)于硬質(zhì)巖填石路堤的檢測(cè)參數(shù)為固體體積率[11]。

對(duì)于這類成巖材料堅(jiān)硬但整體強(qiáng)度較低、密度變異大的氣孔構(gòu)造玄武巖填料的壓實(shí)質(zhì)量控制方法尚未見研究成果。本文以?？谑械湫偷臍饪讟?gòu)造玄武巖填料為研究對(duì)象，通過開展現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)，然后采用灌水法測(cè)試、沉降觀測(cè)等方法對(duì)路基壓實(shí)前后的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合顆粒級(jí)配分析來探討硬質(zhì)軟巖填料的壓實(shí)質(zhì)量控制方法，希望本研究能深化相關(guān)技術(shù)工作者對(duì)特殊路基填料的理解。

2 路基填料和壓實(shí)工藝

2.1 氣孔狀玄武巖填料

如圖1所示氣孔狀玄武巖是取自海南省?？谑械闹械蕊L(fēng)化玄武巖，呈灰色、灰褐色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，氣孔狀構(gòu)造，主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、輝石和橄欖石等。裂隙稍發(fā)育，巖石材質(zhì)堅(jiān)硬，但樣品巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣的飽和抗壓強(qiáng)度區(qū)間為21.36～29.72 MPa，屬軟質(zhì)巖。

圖1 氣孔構(gòu)造玄武巖

2.2 壓實(shí)設(shè)備及壓實(shí)工藝

為了研究此類巖石填料的壓實(shí)特性，開展了現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)?？紤]到玄武巖的質(zhì)地、力學(xué)強(qiáng)度特征，根據(jù)碾壓試驗(yàn)路段的測(cè)試結(jié)果及已有填石路基壓實(shí)施工經(jīng)驗(yàn)[12]，試驗(yàn)采用靜壓及振動(dòng)壓實(shí)相結(jié)合并輔以沖擊壓實(shí)的碾壓方式進(jìn)行碾壓，壓實(shí)設(shè)備有18～22 t壓路機(jī)及SD30T沖擊碾壓機(jī)(最大瞬間沖擊功率30 kJ)?，F(xiàn)場(chǎng)工作流程為：在現(xiàn)場(chǎng)的水文環(huán)境、地質(zhì)情況勘察以及可能需要的臨時(shí)排水裝置設(shè)施安裝等項(xiàng)目落實(shí)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣—填料開挖及裝運(yùn)—填料逐層填筑—逐層攤鋪整平—碾壓—壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)，并按要求在碾壓方案確定前進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，依據(jù)規(guī)范要求[13]，關(guān)鍵施工控制技術(shù)要求有：①路堤填料粒徑盡量控制在400 mm以內(nèi)，并不宜超過層厚的2/3。對(duì)于粒徑過大的進(jìn)行二次破碎，直到滿足最大粒徑要求。②路床底面以下400 mm內(nèi)，填料粒徑控制在150 mm以內(nèi)，路床填料粒徑需控制在100 mm以內(nèi)，填料應(yīng)分層攤平，當(dāng)石料性質(zhì)差異性比較大時(shí)，不同性質(zhì)的石料應(yīng)分層分段填筑。③碾壓組合為：先靜壓2遍，然后進(jìn)行弱振2遍，強(qiáng)振3遍，再用壓路機(jī)靜壓1遍，檢測(cè)壓實(shí)質(zhì)量合格后進(jìn)行沖擊碾壓施工，以進(jìn)一步驗(yàn)證壓實(shí)質(zhì)量，壓路機(jī)運(yùn)行速度為2～4 km/h。碾壓過程中同步進(jìn)行沉降觀測(cè)，路基壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 路基壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)

3 壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)

3.1 灌水法

考慮填料粒徑較大，采用灌水法進(jìn)行密度試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范要求[14]，在同一區(qū)域內(nèi)整平場(chǎng)地，分別在壓實(shí)前后現(xiàn)場(chǎng)人工挖出直徑約為1.2 m試坑，如圖3所示。記錄壓實(shí)前后試坑中儲(chǔ)水質(zhì)量及挖出的土體質(zhì)量，即可得出試坑體積及密度，測(cè)試結(jié)果數(shù)值見表1。

圖3 灌水法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

表1 灌水法試驗(yàn)結(jié)果Table1 Testresultsofirrigationmethod壓實(shí)前后灌水體積/L試坑土體質(zhì)量/kg天然密度/(103kg·m-3)壓實(shí)前322.18493.921.53壓實(shí)后316.69545.131.72

3.2 沉降觀測(cè)

在碾壓過程中，同時(shí)進(jìn)行路堤表面沉降觀測(cè)，以掌握路基變形特征。在各測(cè)點(diǎn)位置每壓實(shí)一次記錄一次測(cè)點(diǎn)高程，計(jì)算出同一試驗(yàn)段同一斷面不同測(cè)點(diǎn)的平均分級(jí)沉降量及累計(jì)沉降量，選取代表性“碾壓遍數(shù)-沉降量”數(shù)據(jù)繪于圖4中。

圖4 碾壓遍數(shù)與沉降量關(guān)系

如圖4所示：隨著碾壓遍數(shù)的增加，路堤表面累計(jì)沉降逐漸增大后趨于平穩(wěn)，碾壓過程中初始靜壓2遍沉降增加顯著，表明此時(shí)松鋪填料被碾壓，填料孔隙顯著減?。浑S后的弱振2遍，粗粒被進(jìn)一步填充，沉降差變化較穩(wěn)定；緊接著進(jìn)行強(qiáng)振3遍，強(qiáng)振初始分級(jí)沉降量明顯增加，此時(shí)壓實(shí)作用影響變大，部分巨粒轉(zhuǎn)為粗粒后沉降繼續(xù)發(fā)展，填料被進(jìn)一步壓密，沉降量逐漸趨于穩(wěn)定至最后一次強(qiáng)振，分級(jí)沉降變?yōu)? mm左右。最后進(jìn)行靜壓一遍，路基平整、總沉降基本不變，沉降差在2 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求[9-10]。

4 壓實(shí)前后的級(jí)配特征

4.1 顆粒級(jí)配變化

普通軟質(zhì)巖填料在壓實(shí)過程中，總是伴隨著顆粒級(jí)配的變化，為此本研究對(duì)氣孔構(gòu)造玄武巖填料碾壓前后的顆粒級(jí)配進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試樣品為灌水法挖出的固體。逐級(jí)篩分后，記錄填料粒徑及其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，然后繪制顆粒級(jí)配曲線。如圖5所示為篩分后按粒組堆好的填料，圖6為篩分后繪制的填料顆粒級(jí)配曲線。

圖5 填料篩分現(xiàn)場(chǎng)

圖6 填料級(jí)配曲線

從圖6定性來看，碾壓前后填料的顆粒級(jí)配差異并不顯著，將各粒組整理如表2所示。

表2 填料不同組分含量Table2 Differentcomponentcontentsoffillingmaterials試驗(yàn)情況細(xì)顆粒含量/%細(xì)粒組/%粗粒組/%巨粒組/%壓實(shí)前3.490.0317.8282.15壓實(shí)后2.840.0126.4073.59

從表2可知壓實(shí)后，巨粒組含量減少量約為8.56%，而粗粒組含量增加約為8.58%。將5 mm作為粗、細(xì)顆粒的分界粒徑[14]，而細(xì)顆粒填料含量并未出現(xiàn)大的波動(dòng)。

4.2 壓實(shí)前后填料級(jí)配特征分析

無粘性填料的級(jí)配特征是決定其物理性質(zhì)的關(guān)鍵因素，直到分形理論的出現(xiàn)，如何表征填料級(jí)配的特征一直是個(gè)難題。分形理論由MANDELBROT[15]提出，是研究不規(guī)則幾何形狀、復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具[16]。分形理論在填料方面有廣泛的應(yīng)用，如舒志樂[17]等通過試驗(yàn)分析說明土石混合體在統(tǒng)計(jì)意義上具有自相似性。周榮[18]等研究了級(jí)配分形維與粗粒填料壓實(shí)特性的相關(guān)性，陳镠芬[19]等分析了粗粒土級(jí)配分形維與縮尺后顆粒級(jí)配分形維的關(guān)系并利用分形維對(duì)顆粒破碎情況進(jìn)行了定量分析。1992年TYLER和WHEATCRAFT[20]從“質(zhì)量-粒徑”分布角度提出可以方便計(jì)算級(jí)配分形維數(shù)的計(jì)算式(1)，為分形維的計(jì)算開辟新途徑。

(1)

式中：R為某一特征粒徑；r為粒徑小于R的任一顆粒粒徑，RL為最大粒徑；M(r

將壓實(shí)前后氣孔構(gòu)造玄武巖填料的級(jí)配曲線表達(dá)成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)形式，并在此條件下對(duì)兩個(gè)級(jí)配曲線進(jìn)行線性擬合，得到填料的分形曲線如圖7所示，由此可得壓實(shí)前后填料的分形維數(shù)分別為2.132和2.201。

圖7 填料級(jí)配分形曲線

結(jié)果表明，壓實(shí)后填料的分形維雖有所提高，但提高不大。說明在壓實(shí)過程中，填料的級(jí)配結(jié)構(gòu)變化不大。

5 適用壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法討論

在粗粒料填筑體的壓實(shí)質(zhì)量控制方法中，采用灌水法檢測(cè)路基固體體積率是一種常用的方法。如表1所示，壓實(shí)前后現(xiàn)場(chǎng)路基填料密度增加，但是要用灌水法測(cè)填料密度計(jì)算固體體積率，則還需要粗粒料本身的表觀密度。對(duì)于氣孔構(gòu)造的軟質(zhì)玄武巖這是困難的，因?yàn)閹r石中存在大量封閉氣孔導(dǎo)致軟質(zhì)玄武巖的密度變化很大，在極端的情況下，這類軟質(zhì)玄武巖甚至可以浮在水面(此時(shí)，稱為浮石)。如圖1、圖5所示，觀察填料粒徑大小的分布及形狀特征發(fā)現(xiàn)，玄武巖填料有氣孔發(fā)育并且氣孔分布不均，在此情況下很難通過試驗(yàn)得到該氣孔狀玄武巖填料的固體體積，因此不宜采用固體體積率控制路基填料壓實(shí)效果。所以，軟質(zhì)玄武巖填料壓實(shí)質(zhì)量不適合采用灌水法檢測(cè)。

雖然顆粒分析表明壓實(shí)作用主要是將少部分巨粒破碎，但是填料壓實(shí)前后分形維的穩(wěn)定性表明，路基壓實(shí)過程中的沉降來自顆粒間空隙的減小，并非顆粒破碎。因此采用沉降觀測(cè)來控制壓實(shí)質(zhì)量是可行的。由于顆粒結(jié)構(gòu)不發(fā)生顯著變化，壓實(shí)作用多體現(xiàn)在令其移動(dòng)到更穩(wěn)定的位置，而不是將其破碎，所以每一遍壓實(shí)作用，都將使得路堤力學(xué)強(qiáng)度提高，直至完全穩(wěn)定。壓實(shí)過程中填料逐漸穩(wěn)定的過程，在變形上可以反映出來，體現(xiàn)為沉降觀測(cè)值趨于穩(wěn)定的特征，所以對(duì)于軟質(zhì)玄武巖填料，結(jié)合合適的壓實(shí)設(shè)備、施工工藝采用沉降觀測(cè)法控制其壓實(shí)質(zhì)量的結(jié)果是可信的。

6 結(jié)論

氣孔構(gòu)造玄武巖具有成巖材料質(zhì)地堅(jiān)硬、整體強(qiáng)度低的特點(diǎn)，是一種硬質(zhì)軟巖，本文在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過灌水法、沉降法檢測(cè)，結(jié)合壓實(shí)前后的顆粒級(jí)配測(cè)試及分形理論分析，得到以下結(jié)論：

a.基于分形理論分析表明，壓實(shí)前后分形維沒有明顯變化，因此常見的壓實(shí)機(jī)械和功能不能改變本文所研究氣孔構(gòu)造玄武巖的顆粒狀態(tài)。

b.強(qiáng)度20～30 MPa之間的氣孔狀玄武巖填料路基的壓實(shí)質(zhì)量可以結(jié)合合適的壓實(shí)設(shè)備、施工工藝，采用沉降觀測(cè)法來控制。

因此，對(duì)于氣孔構(gòu)造玄武巖路堤的質(zhì)量評(píng)價(jià)有效方法是沉降測(cè)量法，建議此類路堤施工中，采用沉降觀測(cè)法獲取壓實(shí)工藝參數(shù)后，嚴(yán)格按壓實(shí)工藝施工作為壓實(shí)質(zhì)量控制方法。