福建省永安市風(fēng)化砂巖路基填料的路用性能

何瑞冰

(黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

路基深挖高填在山區(qū)道路的修筑中非常普遍，因此在山區(qū)修筑路基時(shí)，對(duì)填料需求量大，同時(shí)運(yùn)輸成本高。在福建省永安市的道路建設(shè)中，爆破產(chǎn)生大量風(fēng)化砂巖，若能就地取材，用于當(dāng)?shù)氐缆仿坊钪?，將降低工程成本，有效保護(hù)環(huán)境。已有的大量研究表明：相較于其他路基填料、填石，風(fēng)化巖填料的強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差[1-2]。王甲飛等[3]在研究千枚巖路用性能時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)化千枚巖路基填料的路用性能受風(fēng)化程度影響較大，隨著風(fēng)化程度升高，其強(qiáng)度與穩(wěn)定性均大幅度降低。李燕[4]在研究風(fēng)化石灰?guī)r路基填料的壓實(shí)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化巖經(jīng)過充分壓實(shí)可以有效改善顆粒級(jí)配情況，保證足夠的壓實(shí)度。徐天明[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)河南山區(qū)風(fēng)化砂巖的穩(wěn)定性和強(qiáng)度均良好，無明顯的膨脹，可用于路基填筑。Miscevic等[6]在研究風(fēng)化填料的工程特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化填料在荷載的作用下，部分填料產(chǎn)生破碎，填充進(jìn)顆粒骨架，導(dǎo)致路基不均勻沉降。張建華[7]通過FLAC3D軟件模擬路基施工中的分層填筑，發(fā)現(xiàn)地基沉降最大的地方是路基中心處，且沉降值受到填土干密度、彈性模量和泊松比影響。Mestat等[8-15]認(rèn)為通過FLAC3D模擬路基在施工過程中的變形特征，能有效指導(dǎo)選用合適的路基填料。目前針對(duì)風(fēng)化砂巖路用性能的研究較少，且不同地域、不同風(fēng)化程度等因素，都會(huì)影響風(fēng)化砂巖的工程性能。因此，探究風(fēng)化砂巖填料的路用性能，能有效指導(dǎo)福建省永安市路基填筑與環(huán)境保護(hù)。

1 原材料風(fēng)化程度判定

材料取自福建省永安市北部FC市政道路工程，該路段屬205國道復(fù)線，道路全長910.038 m，項(xiàng)目按照城市主干道設(shè)計(jì)，行車速度40 km/h。依據(jù)項(xiàng)目鉆探發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的巖體主要有三種不同風(fēng)化程度的砂巖，分別為：黃褐色的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖石破碎，風(fēng)化裂隙很發(fā)育；灰黃色的中風(fēng)化砂巖，巖石破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育；灰白色微風(fēng)化砂巖，巖石較完整，有少量風(fēng)化裂隙。每種風(fēng)化程度的砂巖取樣后，按照《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》(DZ/T 0276—2015)測定其顆粒密度、含水率等物理性質(zhì)；按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)對(duì)風(fēng)化砂巖填料進(jìn)行顆粒分析、擊實(shí)試驗(yàn)等。通過全面的室內(nèi)試驗(yàn)分析，評(píng)估風(fēng)化砂巖的路用性能。

2 風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 物理性質(zhì)

取樣后在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室和黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院完成物理力學(xué)試驗(yàn)。由于強(qiáng)風(fēng)化砂巖呈碎塊狀，制樣時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖打磨成邊長為50 mm的立方體試件，中風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖按照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41—2005)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件制作。測試塊體密度時(shí)采用量積法，共準(zhǔn)備6個(gè)試件。將試件置于105 ℃的烘箱中放置24 h，再取出放置于干燥器中冷卻至室溫，稱量并計(jì)算塊體密度。顆粒密度則采用密度瓶法進(jìn)行測定，再由塊體密度和顆粒密度計(jì)算得出風(fēng)化砂巖的孔隙率。含水率和吸水率的指標(biāo)由烘干法和天然吸水率試驗(yàn)得到。風(fēng)化砂巖的物理性質(zhì)測試結(jié)果見表1。

表1 砂巖的基本物理指標(biāo)

如表1所示，隨著風(fēng)化程度的提高，塊體密度下降，而含水率逐步增大。這是由于風(fēng)化程度的提高伴隨著巖石破碎程度和風(fēng)化裂隙發(fā)育程度的提高，裂隙增多導(dǎo)致吸水率增加，密度降低。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

抗壓強(qiáng)度是體現(xiàn)巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。強(qiáng)風(fēng)化砂巖的鉆孔巖芯破碎，采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)在現(xiàn)場完成試驗(yàn)。中風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖可制成標(biāo)準(zhǔn)試件后采用壓力機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)設(shè)置以0.5 MPa/s的速率進(jìn)行加載，直至試件破壞，記錄試件破壞時(shí)的荷載并計(jì)算單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表2、3。

表2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

表3 單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50218—2014)對(duì)巖石堅(jiān)硬程度定性劃分的標(biāo)準(zhǔn)可知：微風(fēng)化砂巖的平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度值>50 MPa，屬于堅(jiān)硬巖；中風(fēng)化砂巖的平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為30～60 MPa，屬于較硬巖；強(qiáng)風(fēng)化砂巖的平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為15～30 MPa，屬于較軟巖。

3 風(fēng)化砂巖路基填料工程特性

3.1 級(jí)配組成

試驗(yàn)所采用的風(fēng)化砂巖填料是由爆破所得，需對(duì)材料中的大粒徑進(jìn)行破碎，再從破碎后的填料中隨機(jī)選取試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并注意在篩分過程中保證填料的干燥狀態(tài)。完成顆粒分析試驗(yàn)，繪制不同風(fēng)化程度砂巖樣本的顆粒曲線圖(見圖1)，并計(jì)算得出風(fēng)化砂巖填料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)(見表4)。

圖1 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表4 風(fēng)化砂巖的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知：強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖的不均勻系數(shù)大于10，級(jí)配良好；微風(fēng)化砂巖的級(jí)配不良。

3.2 壓實(shí)特性

依據(jù)圖1顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，取不同風(fēng)化程度的砂巖填料，每種風(fēng)化程度制作5個(gè)試件，并分別按照3%、4%、5%、6%、7%和8%加水悶料，選用4.5 kg擊錘完成擊實(shí)試驗(yàn)(Ⅱ-2)。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，中風(fēng)化砂巖的最大干密度值最大。

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

相較于強(qiáng)風(fēng)化山巖，中風(fēng)化砂巖的風(fēng)化程度較低，故密度大、孔隙小。微風(fēng)化砂巖由于風(fēng)化程度最低，抵抗破碎能力較強(qiáng)，過多的粗顆粒擠密形成骨架孔隙結(jié)構(gòu)，所以最大干密度值較小。此外，在擊實(shí)過程中，風(fēng)化程度越高的砂巖，破碎率越高，其中強(qiáng)風(fēng)化砂巖的破碎率達(dá)到43%。

3.3 承載比試驗(yàn)

選取不同風(fēng)化程度的砂巖制樣，按照每層擊實(shí)數(shù)為30、50、98，完成重型擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)試驗(yàn)后，將試樣浸水，記錄CBR(加州承載比)值隨浸水時(shí)間變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4、5所示。

圖3 擊實(shí)次數(shù)為30時(shí)浸水時(shí)間與CBR值關(guān)系圖

圖4 擊實(shí)次數(shù)為50時(shí)浸水時(shí)間與CBR值關(guān)系圖

圖5 擊實(shí)次數(shù)為98時(shí)浸水時(shí)間與CBR值關(guān)系圖

不同風(fēng)化程度的砂巖在標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)中得到的CBR值均符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)的要求。當(dāng)每層擊數(shù)為30～50時(shí)，風(fēng)化程度低的砂巖，抗擊能力較強(qiáng)。當(dāng)每層擊數(shù)達(dá)到98時(shí)，細(xì)顆粒填充進(jìn)粗顆粒形成的骨架，CBR值增大。尤其是粗顆粒含量較大的中、微風(fēng)化砂巖，CBR值增大的程度較大。此外，當(dāng)擊實(shí)數(shù)為30時(shí)，填料壓實(shí)不充分，CBR值在浸水時(shí)間增加時(shí)有明顯下降趨勢，隨著時(shí)間的增加，強(qiáng)、中、微風(fēng)化砂巖的CBR值分別下降27.46%、22.35%、29.83%。當(dāng)每層擊數(shù)為50時(shí)，浸水時(shí)間的增長對(duì)CBR值降低的影響逐漸減小。當(dāng)每層擊數(shù)增加到98時(shí)，不同風(fēng)化程度砂巖的CBR值均無明顯降低，浸水作用對(duì)其承載比無明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果說明，不同風(fēng)化程度的砂巖水穩(wěn)定性均良好，要保證風(fēng)化砂巖路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，需保證擊實(shí)強(qiáng)度，才能有良好的路用性能。

4 基于FLAC3D軟件的路基沉降模擬及穩(wěn)定性

4.1 有限元模型的建立及賦值

通過工程資料及現(xiàn)場情況調(diào)查，選取樁號(hào)K0+029.520位置處的橫截面，并作簡化處理，得出計(jì)算模型，如圖6。

圖6 K0+029.520橫斷面(單位：m)

地基高度為20 m，寬度為50 m，路基坡頂處寬度為20 m，坡度為1 ∶1.5從下而上用不同色度進(jìn)行分組(group)，分別為粉質(zhì)黏土層、填土層和填料層。使用Generate命令，采用六面體實(shí)體單元(brick)分別建立地基和路基的初始有限差網(wǎng)格，并在高度為20 m(z=20 m)的平面上使用“Attach”命令建立地基與路基的交界面(見圖7)。

圖7 網(wǎng)格劃分及建立交界面

采用的本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型，該模型可用于土體及巖體在剪切作用時(shí)的力學(xué)響應(yīng)，且所需參數(shù)較少，能有效提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。摩爾-庫侖模型使用時(shí)需賦予相應(yīng)的材料參數(shù)(見表5)。

表5 摩爾-庫侖模型所需基本參數(shù)

其中，粘聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比為室內(nèi)試驗(yàn)得到，體積模量和剪切模量是由彈性模量和泊松比計(jì)算所得，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式(1)、(2)中：K為體積模量；G為剪切模量；E為彈性模量；υ為泊松比。

模型將受到土體重力作用，因此需計(jì)算地基的初始平衡力。模擬地基初始位移時(shí)，對(duì)地基部分的填土層和粉質(zhì)黏土層分別賦予摩爾-庫侖模型及相應(yīng)參數(shù)，對(duì)路基部分賦予空模型(model null)，確保路基部分的網(wǎng)格不參與初始應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算。同時(shí)通過“fix”命令設(shè)定邊界條件，約束地基沿x軸方向的速度。最終計(jì)算得到自重下路基沉降云圖(見圖8)。

圖8 Z方向初始位移云圖

使用“initial”命令，將自重下的地基位移歸零，保留初始地基應(yīng)力，確保能更加直觀地觀察到填筑施工時(shí)，填料對(duì)地基應(yīng)力應(yīng)變的影響。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

路基的沉降變形包括施工階段沉降和工后沉降，其中施工階段的沉降較快。通過FLAC3D軟件模擬不同風(fēng)化程度的砂巖在路基填筑施工階段的沉降情況，采用分層填筑的方式模擬施工過程，每次填筑高度為1 m，并對(duì)該部分模型賦予相應(yīng)參數(shù)，每層填筑完畢都需進(jìn)行位移計(jì)算，施工完成后的沉降情況如圖9、10、11所示。

圖10 中風(fēng)化砂巖路基沉降云圖

圖11 微風(fēng)化砂巖路基沉降云圖

由圖9、10、11可知：

(1)隨著風(fēng)化程度的增加，路基的沉降值逐漸增大，微風(fēng)化砂巖路基的最大沉降值為50.105 mm，中風(fēng)化砂巖路基的最大沉降值為87.134 mm，強(qiáng)風(fēng)化砂巖路基的最大沉降值為118.68 mm。

(2)在施工中，路基中心線處的沉降值大于兩側(cè)的沉降值，選用風(fēng)化程度低的砂巖作為填料可以減小路基的不均勻沉降導(dǎo)致的路基變形。

5 結(jié) 論

本文采用單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)及FLAC3D數(shù)值模擬等對(duì)福建省永安市的風(fēng)化砂巖進(jìn)行了全面的室內(nèi)試驗(yàn)分析，得出該市的風(fēng)化砂巖可就地用于路基填筑，確認(rèn)其作為路基填料的工程特性與其風(fēng)化程度相關(guān)。

(1)風(fēng)化程度影響砂巖密度、吸水率等物理性質(zhì)。風(fēng)化程度越高，砂巖內(nèi)部的裂隙越多，導(dǎo)致其密度降低，吸水率升高。

(2)風(fēng)化程度影響砂巖的力學(xué)性質(zhì)。風(fēng)化程度對(duì)砂巖的飽水強(qiáng)度影響顯著，風(fēng)化程度高的砂巖，飽水強(qiáng)度衰減更為明顯。

(3)控制路基填料的最大干密度和最佳含水量對(duì)于路基整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此在選用風(fēng)化砂巖作為路基填料時(shí)，選用合適的顆粒級(jí)配有利于提高填料的最大干密度值，確保填筑后的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

(4)風(fēng)化砂巖路基填料的承載能力受擊數(shù)影響較大。充分壓實(shí)后，風(fēng)化砂巖的CBR值增幅明顯。

(5)路基沉降數(shù)值受風(fēng)化程度的影響顯著，采用風(fēng)化程度低的砂巖作為路基填料并充分壓實(shí)，可減小路基的不均勻沉降。

(6)測試結(jié)果表明，該市的風(fēng)化砂巖填料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足路基要求，可以就地取材，用于當(dāng)?shù)芈坊钪?/p>