紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)及其路基壓實(shí)功研究

王學(xué)斌,楊建輝

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

紅砂巖是指顏色呈紅色或褐色的泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等沉積巖,富含親水性黏土礦物和鐵質(zhì)氧化物,形成年代為侏羅紀(jì)到新近紀(jì)[1-2]。紅砂巖在路基工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,將其作為路基填料主要有兩種技術(shù)路徑:一是崩解成紅砂土后直接應(yīng)用于路基填筑;二是通過(guò)添加水泥、黃土、石灰等改良劑進(jìn)行改良后再應(yīng)用于路基填筑。在第一種技術(shù)路徑下,紅砂巖經(jīng)過(guò)預(yù)崩解和壓實(shí)處理后,物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)表明紅砂巖路基的回彈模量和承載比會(huì)隨著壓實(shí)度的增大呈線(xiàn)性增大,路基填筑高度也會(huì)影響紅砂巖壓實(shí)后的強(qiáng)度[3-4]。同時(shí),紅砂巖路基填料的濕化軸向應(yīng)變會(huì)隨著應(yīng)力水平和圍壓的增加而顯著增加,軸向應(yīng)變隨著密度的增加而減小[5]。紅砂巖遇水易崩解,崩解物的顆粒粒徑和細(xì)顆粒含量也會(huì)影響紅砂巖路基的力學(xué)性質(zhì),如路基的動(dòng)態(tài)水壓力、動(dòng)彈性模量和阻尼比等[6-7]。因此紅砂巖崩解物的顆粒級(jí)配參數(shù)可以作為崩解指標(biāo)之一[8]。在第二種技術(shù)路徑下,通過(guò)添加水泥、黃土和石灰等材料來(lái)提高紅砂巖路基填料的力學(xué)性能。在干濕循環(huán)條件下,紅砂巖改良土的強(qiáng)度和彈性模量隨著水泥摻量的增加而提高,破壞形式由塑性逐漸向脆性轉(zhuǎn)變[9-11]。工程應(yīng)用中會(huì)將黃土與水泥配合使用,黃土能提高紅砂巖改良土的內(nèi)摩擦角,而水泥主要影響其黏聚力[12]。采用石灰對(duì)紅砂巖路基填料進(jìn)行改良也是工程中常用的方法,石灰可以提高紅砂巖改良土的最大干密度和強(qiáng)度[13]。

紅砂巖崩解后直接作為路基填料是工程中常用的方法之一,但是由于紅砂巖遇水易軟化,容易引發(fā)道路病害。此外,各地區(qū)紅砂巖性質(zhì)差異較大,需結(jié)合各地區(qū)具體工程開(kāi)展物理力學(xué)試驗(yàn)研究。因此本研究依托G60滬昆高速公路拓寬工程浙贛界段路基工程,按崩解成紅砂土后直接應(yīng)用于路基填筑的技術(shù)路徑開(kāi)展紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)研究,同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)路基試驗(yàn)段開(kāi)展紅砂巖路基壓實(shí)功與壓實(shí)度之間關(guān)系的研究。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 物理性質(zhì)研究

1.1.1 紅砂巖礦物成分

將3組紅砂巖研磨成樣品顆粒度小于300目的粉末試樣,利用XRD(X-ray diffraction,X射線(xiàn)衍射儀)進(jìn)行成分分析,得到紅砂巖X射線(xiàn)衍射光譜圖,如圖1所示。由圖1可知,紅砂巖主要的礦物成分為石英、高嶺石、蒙脫石和伊利石等。其化學(xué)成分以SiO2為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.3%,除此之外,Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.36%,Fe2O3為6.21%,CaO為2.3%。蒙脫石和伊利石親水性強(qiáng),是導(dǎo)致紅砂巖極易崩解的主要原因。

圖1 紅砂巖X射線(xiàn)衍射光譜圖

1.1.2 干濕循環(huán)條件下紅砂巖的耐崩解特性

依據(jù)GB/T 50123—2019 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]和文獻(xiàn)[15-17]開(kāi)展試驗(yàn)研究。將紅砂巖制作成45～60 g的渾圓塊狀,放入烘箱中以105 ℃的溫度烘干至恒重,考慮紅砂巖極易崩解的性質(zhì),冷卻至室溫后進(jìn)行1 min遇水耐崩解試驗(yàn),定義為1次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)。循環(huán)次數(shù)N根據(jù)紅砂巖的崩解情況而定,完全崩解視作循環(huán)結(jié)束。計(jì)算每次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)的質(zhì)量損失率,并將其定義為1 min耐崩解指數(shù)。

共進(jìn)行8組試驗(yàn),各組均進(jìn)行3次試驗(yàn),紅砂巖原巖和3次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)后的巖塊狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知,試塊在第1次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)后仍然保持著塊狀結(jié)構(gòu),但在第2次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)后已經(jīng)沒(méi)有成塊的試樣,最終在第3次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)中完全崩解。紅砂巖1 min耐崩解指數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知,紅砂巖第1次、第2次和第3次干濕循環(huán)1 min耐崩解指數(shù)約為64.68%、13.71%和0.82%,這說(shuō)明紅砂巖的耐崩解能力極低。3次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)崩解掉的部分分別為原巖質(zhì)量的35.12%、51.17%、12.89%,可見(jiàn)第2次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)的崩解程度最大。其原因是紅砂巖在第1次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)后,尚未崩解的巖塊吸收了大量的水分,在進(jìn)行第2次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)前對(duì)巖塊再次烘干,在這一過(guò)程中紅砂巖內(nèi)的水分被加熱蒸發(fā)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張空隙,紅砂巖巖塊的吸水能力大于第1次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn),導(dǎo)致其崩解程度增大。

圖2 紅砂巖原巖和3次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)后的巖塊狀態(tài)

表1 紅砂巖1 min耐崩解指數(shù)

1.1.3 級(jí)配分析

對(duì)各次干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)后篩出的紅砂巖碎屑進(jìn)行了篩分試驗(yàn),篩出部分顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知,紅砂巖以粒徑小于1.25 mm的顆粒為主,占整體的95%以上,3組試樣的不均勻系數(shù)Cu分別為2.7、3.6、3.2,曲率系數(shù)Cc分別為1.27、1.11、0.86。將篩出的紅砂巖顆粒進(jìn)行靜水崩解試驗(yàn),可以得到靜水崩解后的顆粒級(jí)配曲線(xiàn),如圖4所示。由圖4可知,靜水崩解后的紅砂巖顆粒并未發(fā)生較大的改變,其不均勻系數(shù)Cu分別為3、3.49、3.53,曲率系數(shù)Cc分別為1.42、1.11、0.80,與靜水崩解前相近,這說(shuō)明該地區(qū)的紅砂巖崩解至顆粒小于1.25 mm后其崩解性基本上消除,因此可以認(rèn)為消解完成。

圖3 篩出部分顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

圖4 篩出部分靜水崩解后的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

1.1.4 最佳含水率與最大干密度

將紅砂巖完全崩解形成的紅砂土采用重型擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),依據(jù)JTG 3430—2020 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]要求采用干法制樣,按6%、8%、10%、12%、14%共5種含水率加水拌和均勻,分層擊實(shí),每層各擊98次,擊實(shí)完成后烘干,測(cè)量烘干前后的質(zhì)量,共進(jìn)行5組試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到紅砂土擊實(shí)曲線(xiàn),如圖5所示,通過(guò)擬合曲線(xiàn)可計(jì)算得到紅砂土的最優(yōu)含水率為10.3%,最大干密度為1.87 g/cm3。

圖5 紅砂土擊實(shí)曲線(xiàn)

1.1.5 微觀結(jié)構(gòu)研究

采用SEM(scanning electron microscope,掃描電子顯微鏡)開(kāi)展最優(yōu)含水率下?lián)魧?shí)試塊微觀結(jié)構(gòu)研究,并和原巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。紅砂巖原巖與最優(yōu)含水率下?lián)魧?shí)試塊的SEM圖像(1 000倍)對(duì)比如圖6所示。由圖6可知,原巖內(nèi)部顆粒光滑,顆粒間存在大量孔隙,且原巖內(nèi)部顆粒自身存在大量裂隙。擊實(shí)的試塊相比原巖顆粒分布更均勻,連續(xù)性好,顆粒表面粗糙,呈現(xiàn)鋸齒狀,孔隙較少,且孔隙內(nèi)附著有更細(xì)小的紅砂巖顆粒,這些細(xì)小的顆粒將大顆粒黏結(jié)在一起,使強(qiáng)度和穩(wěn)定性都得到了提高。

圖6 紅砂巖原巖與最優(yōu)含水率下?lián)魧?shí)試塊的SEM圖像(1 000倍)對(duì)比

1.2 抗剪強(qiáng)度研究

為研究紅砂巖消解形成的紅砂土壓實(shí)后的抗剪強(qiáng)度,將其按最優(yōu)含水率(10.3%)制成土樣,并分5層擊實(shí),制備尺寸為高80 mm、直徑39.1 mm及干密度為1.87 g/cm3(±0.02 g/cm3)的圓柱體試樣。進(jìn)行4組三軸固結(jié)不排水試驗(yàn),分別施加50、75、100、125 kPa有效圍壓進(jìn)行K0固結(jié),采用動(dòng)三軸儀自帶的K0固結(jié)模塊進(jìn)行非等向固結(jié),每組3個(gè)試樣。以0.08%/min的剪切速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸剪切試驗(yàn),試樣軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)終止試驗(yàn),紅砂土三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 紅砂土三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)方案

不同有效圍壓下3個(gè)試件中抗剪強(qiáng)度居中的紅砂土試樣主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知:曲線(xiàn)初始階段大致上為直線(xiàn);當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2%左右時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)開(kāi)始表現(xiàn)出非線(xiàn)性,隨后進(jìn)入彈塑性強(qiáng)化階段;應(yīng)變達(dá)到10%～15%時(shí)(σ1-σ3)達(dá)到峰值。

圖7 主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,可得不同圍壓條件下試件莫爾圓的端點(diǎn)坐標(biāo)(其中(σ1+σ3)f/2為橫坐標(biāo);(σ1-σ3)f/2為縱坐標(biāo)),并繪制Kf強(qiáng)度線(xiàn)及強(qiáng)度指標(biāo),如圖8所示。由圖8可知壓實(shí)紅砂土的黏聚力c為22.39 kPa,內(nèi)摩擦角φ為31.95°,與其他土體相比屬于強(qiáng)度較高的土體,這說(shuō)明紅砂巖崩解后再壓實(shí)具備了較高的強(qiáng)度。

圖8 Kf強(qiáng)度線(xiàn)及強(qiáng)度指標(biāo)

2 紅砂巖路基壓實(shí)功研究

2.1 智能壓實(shí)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)功研究需利用智能壓實(shí)設(shè)備采集壓實(shí)軌跡、壓實(shí)速度等相關(guān)數(shù)據(jù),智能壓實(shí)設(shè)備具有實(shí)時(shí)壓實(shí)引導(dǎo)、壓實(shí)遍數(shù)顯示及統(tǒng)計(jì)、軌跡監(jiān)控、速度監(jiān)控、壓實(shí)報(bào)告輸出等功能,其核心技術(shù)是壓實(shí)相關(guān)信息的采集、分析和傳遞,智能壓實(shí)系統(tǒng)[19]如圖9所示。該系統(tǒng)通過(guò)壓路機(jī)上的外置攝像頭、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)(real-time kinematic,RTK)、壓路機(jī)內(nèi)置的GPS定位系統(tǒng),采集壓路機(jī)的行進(jìn)速度、壓路機(jī)鋼輪的角速度、壓實(shí)面積、壓實(shí)遍數(shù),并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器接收到這些數(shù)據(jù)后分析壓路機(jī)所做的壓實(shí)功、壓實(shí)軌跡,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析生成壓實(shí)報(bào)告,再將這些數(shù)據(jù)反饋至客戶(hù)端,由此技術(shù)員可以判斷壓路機(jī)行進(jìn)速度、壓路機(jī)前進(jìn)軌跡等參數(shù)是否需要調(diào)控,以監(jiān)控路基壓實(shí)情況。

圖9 智能壓實(shí)系統(tǒng)

理論上壓實(shí)相同體積的路基所需要的能量是一定的,因此當(dāng)土體含水率、填土厚度、壓實(shí)軌跡等因素相同時(shí),可通過(guò)壓路機(jī)所做的壓實(shí)功來(lái)判斷路基壓實(shí)情況。

2.2 壓實(shí)功計(jì)算方法

G60滬昆高速公路改擴(kuò)建工程使用了XS263J型振動(dòng)壓路機(jī),圖10為壓路機(jī)鋼輪工作原理示意圖。圖10中:M0為中鋼輪質(zhì)量;m0為偏心體質(zhì)量;e0為偏心距;ω0為角速度;Fd為偏心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激振力;A0為鋼輪的振幅;f為振動(dòng)頻率;v為壓路機(jī)行駛速度;s為壓路機(jī)行駛的距離。

圖10 壓路機(jī)鋼輪工作原理示意圖

裝配在壓路機(jī)上的GPS定位系統(tǒng)和外置攝像頭能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)壓路機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、行駛速度v、壓實(shí)距離s。根據(jù)壓路機(jī)鋼輪的運(yùn)動(dòng)方程,可得偏心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激振力[20]。

(1)

理想情況下振動(dòng)壓路機(jī)行進(jìn)單位距離的壓實(shí)功如下:

(2)

2.3 壓實(shí)功與壓實(shí)度關(guān)系分析

XS263J型振動(dòng)壓路機(jī)部分參數(shù)見(jiàn)表3。為了簡(jiǎn)化壓實(shí)功和路基壓實(shí)度關(guān)系的研究,將式(2)中的振動(dòng)頻率f設(shè)定為27 Hz,振幅A0設(shè)定為1.9 mm,激振力Fd設(shè)定為405 kN。將行駛速度取1.8、2.7、3.6 km/h,每種速度下碾壓8遍,碾壓長(zhǎng)度為10 m。試驗(yàn)中除壓實(shí)速度不同外,其他工況因素都保持一致,包括含水率、填土厚度、壓實(shí)軌跡等,并且還在試驗(yàn)前進(jìn)行了預(yù)壓以確保初始的壓實(shí)度一致。

表3 XS263J型振動(dòng)壓路機(jī)部分參數(shù)

假定壓路機(jī)處于理想狀態(tài),在同一行駛速度下壓實(shí)功恒定,根據(jù)式(2)可得3種速度下的行駛單位距離壓實(shí)功W1、W2、W3分別為41.553、27.702、20.776 kJ。每次壓實(shí)結(jié)束后用灌砂法對(duì)路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè),各行駛速度下壓實(shí)度與壓實(shí)遍數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖11所示。由圖11可知,隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加,路基壓實(shí)度增大,不同速度下的壓實(shí)度逐漸趨于一致;在遍數(shù)少時(shí)增加較快,遍數(shù)多時(shí)增加幅度趨緩;壓實(shí)遍數(shù)相同時(shí)速度越慢壓實(shí)度越大。

圖11 壓實(shí)遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線(xiàn)

由于壓實(shí)功和壓實(shí)遍數(shù)成正比,因此由圖11可得到不同速度下壓實(shí)度與壓實(shí)功的關(guān)系曲線(xiàn),如圖12所示。由圖12可知,不同壓實(shí)速度下的壓實(shí)度與壓實(shí)功關(guān)系曲線(xiàn)分布基本上接近,這說(shuō)明盡管壓實(shí)速度不同,但在同一壓實(shí)功情況下壓實(shí)度相差不大,因此可用壓實(shí)功來(lái)判斷路基壓實(shí)度情況。根據(jù)圖12中各速度下的坐標(biāo)點(diǎn)擬合得到紅砂巖路基壓實(shí)功與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(xiàn),如圖13所示。由圖13可知,壓實(shí)功與壓實(shí)度呈指數(shù)相關(guān),基于此可得到紅砂巖路基壓實(shí)功與壓實(shí)度K的關(guān)系函數(shù)方程:

圖12 不同速度下壓實(shí)度與壓實(shí)功的關(guān)系曲線(xiàn)

圖13 壓實(shí)功與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(xiàn)

K=97.5-17×0.98W。

(3)

該試驗(yàn)段路基壓實(shí)度要求達(dá)到95%以上,則通過(guò)式(3)可計(jì)算出單位距離路基所需的壓實(shí)功約為140 kJ。因此在施工過(guò)程中控制單位距離路基壓實(shí)功達(dá)到140 kJ以上,就可以初步確保壓實(shí)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段路基質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)該試驗(yàn)段紅砂巖路基進(jìn)行壓實(shí),并對(duì)路基進(jìn)行加州承載比(California bearing ratio,CBR)強(qiáng)度檢測(cè)。依據(jù)JTG/T 3610—2019 《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[21],高速公路路基CBR值不小于8%。檢測(cè)結(jié)果CBR-干密度曲線(xiàn)如圖14所示,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段路基CBR值為13.6%的強(qiáng)度,這符合該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求,因此將紅砂巖應(yīng)用于路基填筑,并通過(guò)壓實(shí)功檢測(cè)壓實(shí)度的方法是可行的。

圖14 CBR-干密度曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)耐崩解試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、SEM掃描試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)三軸剪切試驗(yàn),并結(jié)合G60滬昆高速公路金華互通至浙贛界段TJ04標(biāo)段試驗(yàn)段路基開(kāi)展紅砂巖路基壓實(shí)功研究,可得出以下結(jié)論:

1) 該地區(qū)的紅砂巖極易崩解,水活性極強(qiáng)。將紅砂巖崩解至超過(guò)95%的顆粒小于1.25 mm粒徑時(shí),便趨于穩(wěn)定,不易破碎,因此可將該值視為紅砂巖消解完成的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到了崩解后的紅砂巖的最優(yōu)含水率為10.3%,最大干密度為1.87 g/cm3,此時(shí)其黏聚力c為22.39 kPa,內(nèi)摩擦角φ為31.95°,具備了較高的強(qiáng)度,可以作為路基填料。

3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,在填料含水率、填土厚度、壓實(shí)路徑等完全相同的工況下可以用壓實(shí)功來(lái)判斷路基壓實(shí)度情況,并得到了紅砂巖路基壓實(shí)功與壓實(shí)度指數(shù)函數(shù)關(guān)系方程。試驗(yàn)段紅砂巖單位距離路基壓實(shí)功達(dá)到140 kJ后,壓實(shí)度可達(dá)95%。

4) 試驗(yàn)段路基CBR檢測(cè)結(jié)果表明,路基強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,說(shuō)明紅砂巖消解處理后可以作為路基填料使用,在同一工況下通過(guò)壓實(shí)功判斷路基壓實(shí)度的方法是可行的,本工程案例可為其他路基工程壓實(shí)度檢測(cè)方面提供技術(shù)參考。