石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物路基填料的可行性室內(nèi)試驗(yàn)研究

李淵杰，李糧綱，余 雷

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院，武漢 430063)

京滬高速鐵路滬寧段穿越蘇州、無(wú)錫、常州及鎮(zhèn)江，多為地勢(shì)低平的東部沿海平原地區(qū)，優(yōu)質(zhì)填料缺乏。通過(guò)多次勘測(cè)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)南京至上海段沿線存在可利用的填料，如黏土，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物，碎石土等。滬寧段可供集中取土的料源地較少，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)鎮(zhèn)江石馬采石場(chǎng)石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的工程性質(zhì)進(jìn)行研究，判定石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物作為京滬高速鐵路路基填料的可行性，指導(dǎo)京滬高速鐵路的設(shè)計(jì)和施工。

日本20世紀(jì)60年代就開(kāi)始對(duì)軟巖填筑路基的可行性開(kāi)展了一定的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐［1］。但在道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了大量工后不均勻沉降，其主要原因是沉積軟巖發(fā)生粉化和表面淋濾后，在列車動(dòng)荷載作用下易于發(fā)生翻漿冒泥。

國(guó)內(nèi)鐵路、公路以及堆石壩工程等填方工程多采用不水解的堅(jiān)硬巖石顆粒作為填料，很少采用軟質(zhì)巖塊作填料［2］。本文針對(duì)京滬高速鐵路石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物特征進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其是否可作為填料進(jìn)行了研究。

1 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的礦物成分分析

石英二長(zhǎng)巖分布在江蘇鎮(zhèn)江市南及東南一帶，其全風(fēng)化物為灰黃夾灰白色，呈砂土狀，可見(jiàn)原巖結(jié)構(gòu)面。試驗(yàn)所用風(fēng)化物取自鎮(zhèn)江石馬采石場(chǎng)。

1.1 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的礦物成分分析試驗(yàn)

采用X-衍射分析石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物礦物成分，以探討石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物在風(fēng)化過(guò)程中的物性變化特征。石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的礦物成分 %

從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物礦物成分以石英和長(zhǎng)石為主，其次是蒙脫石和高嶺土等礦物，而且蒙脫石含量超過(guò)了7%，這說(shuō)明石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物具有一定的親水性，且具有較強(qiáng)的膨脹性，作為填料其水穩(wěn)性及耐久性均較差。

1.2 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的顆粒分析試驗(yàn)

土的顆粒組成是土類分類與描述的主要指標(biāo)，它決定了土的結(jié)構(gòu)特征。顆粒成分對(duì)石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的工程性質(zhì)有著非常大的影響。顆分試驗(yàn)采用篩分法，篩分法是利用一套孔徑不同的標(biāo)準(zhǔn)篩來(lái)分離一定量的砂土中與篩孔直徑相應(yīng)的粒組，而后稱量，計(jì)算各粒組的相對(duì)含量，確定砂土的粒度成分。

石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物顆粒分析級(jí)配曲線如圖1所示，顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物為粗砂，經(jīng)計(jì)算其不均勻系數(shù)為Cu=6.6，曲率系數(shù)為 Cc=0.7，級(jí)配不良，作為填料其工程性質(zhì)較差。

圖1 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物粒徑級(jí)配曲線

2 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)是模擬施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)條件，采用錘擊方法使土密度增大、強(qiáng)度提高、沉降變小的一種試驗(yàn)方法。擊實(shí)試驗(yàn)分輕型擊實(shí)試驗(yàn)和重型擊實(shí)試驗(yàn)兩種方法，本次試驗(yàn)采用重型擊實(shí)的方法。在制備試樣時(shí)，將石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物用木錘錘碎，過(guò)40 mm篩，按4分法準(zhǔn)備5份試樣，按2%～3%的級(jí)差分別加水并拌勻(悶料時(shí)間不少于24 h)，含水量以全風(fēng)化巖屑塑限含水量作參考。擊實(shí)試驗(yàn)分3層，每層擊數(shù)為98擊，試筒容積為2 177 cm3。

圖2為石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的擊實(shí)曲線，從曲線可知，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物最優(yōu)含水率為10.3%，最大干密度為1.98 g/cm3。從擊實(shí)曲線上還可以看到，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物含水量變化范圍控制在6.6%～13.5%以內(nèi)，對(duì)應(yīng)的干密度變化范圍在0.06 g/cm3以內(nèi)，范圍很小，與黏土相比，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物含水量對(duì)干密度的影響較小;如果取壓實(shí)系數(shù)Kh=0.95，對(duì)應(yīng)干密度為1.88 g/cm3，已超出圖2所示范圍，表明風(fēng)化物可壓實(shí)含水量范圍較大。

圖2 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的擊實(shí)曲線

3 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的承載比試驗(yàn)

CBR(California Bearing Ratio)即加州承載比，由美國(guó)加州公路局提出，CBR值就是試料貫入量達(dá)到2.5 mm或5.0 mm時(shí)的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度(7.0 MPa或10.5 MPa)的比值，是評(píng)定路基填料強(qiáng)度的主要指標(biāo)。在國(guó)外多采用CBR作為路面材料和路基土的設(shè)計(jì)參數(shù)。隨著國(guó)內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的完善，CBR試驗(yàn)越來(lái)越被設(shè)計(jì)及施工單位所重視，并已成為設(shè)計(jì)及施工參考依據(jù)之一。制備試件時(shí)，采用與重型擊實(shí)試驗(yàn)相同層數(shù)且每層相同的擊數(shù)，按路基施工時(shí)的最佳含水率和壓實(shí)系數(shù)分別為0.95、0.98、1.00制備三個(gè)試件，每個(gè)試件分三層，每層98擊，經(jīng)泡水4晝夜后得出CBR值，才是路基填料真正的強(qiáng)度值。

石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物CBR試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，為了了解浸水作用的影響，本次試驗(yàn)做了未浸水條件下的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)壓實(shí)系數(shù) Kh取0.95～1.00時(shí)，CBR值的范圍在7.8% ～18.8%之間，參照高速公路標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，試驗(yàn)值不符合路基填料要求。

試驗(yàn)結(jié)果還表明，水對(duì)石英二長(zhǎng)巖風(fēng)化物的CBR值有顯著的影響，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)Kh為0.95時(shí)，浸水后的強(qiáng)度值僅為未浸水強(qiáng)度值的44%。隨著壓實(shí)系數(shù)的增加，其影響趨弱。

CBR強(qiáng)度值隨壓實(shí)系數(shù)的提高而增加，如圖3所示，提高壓實(shí)度能顯著改善石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的力學(xué)性能。

表2 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物CBR試驗(yàn)結(jié)果 %

圖3 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物CBR值與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系

4 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的物理改良室內(nèi)試驗(yàn)

考慮到石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物級(jí)配不良，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，CBR強(qiáng)度值偏低，因此進(jìn)行了石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的室內(nèi)改良試驗(yàn)。改良方法是采用摻入粗集料的物理改良方法，粗集料為湖州角礫土，組成顆粒以角礫為主，不均勻系數(shù) Cu為16.17，曲率系數(shù)Cc為2.64，角礫土級(jí)配曲線如圖4所示。

圖4 改良用粗集料粒徑級(jí)配曲線

在室內(nèi)共進(jìn)行了不同摻入比(10%、15%、20%、25%)的顆粒分析、擊實(shí)和CBR試驗(yàn)，分析不同摻入比的改良效果。

4.1 顆粒分析試驗(yàn)

改良前后的石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物顆粒組成試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物改良前后顆粒組成試驗(yàn)

從顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，摻入粗集料后，不均勻系數(shù)隨粗集料摻入量的增加而增加，由11.24增加到13.71。曲率系數(shù)相對(duì)改良前也略有增加，由0.99增加到1.15。且加入粗集料后，風(fēng)化物＞2 mm的含量得到明顯變化，大約占總成分的 35% ～40%，小于0.075 mm的含量也略有減少，風(fēng)化物由粗砂變?yōu)榈[砂，工程性質(zhì)得到改善。

4.2 擊實(shí)試驗(yàn)

改良后石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物改良后擊實(shí)指標(biāo)

石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物摻入粗集料后，最優(yōu)含水量隨摻入比的增加而減少，由9.7%減小到8.6%，最大干密度隨摻入比的增加而增加，由2.10 g/cm3增加到2.14 g/cm3，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的壓實(shí)工程特性得到提高。

4.3 承載比試驗(yàn)

石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物改良前后承載比試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，CBR值與粗集料摻入量的關(guān)系如圖5所示。

表5 改良后石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物承載比試驗(yàn)結(jié)果(Kh=0.95)

由表5可以看出，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物摻入粗集料后，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)Kh為0.95時(shí)，CBR值比改良前有明顯提高，由改良前的7.8%增加到44.3%。由圖5可知，當(dāng)摻入量在10% ～25%之間時(shí)，CBR值隨摻入量的增長(zhǎng)近似呈線性關(guān)系。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及合理經(jīng)濟(jì)因素，可以考慮取粗集料摻入比為15% ～20%進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)。

圖5 CBR值與粗集料摻入量的關(guān)系

5 結(jié)論

1)從礦物成分試驗(yàn)結(jié)果分析可知，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物具有一定親水性，而且具有較強(qiáng)的膨脹性，作為填料其水穩(wěn)性及耐久性均較差。

2)石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:風(fēng)化物為粗砂，不均勻系數(shù) Cu=6.6，曲率系數(shù) Cc=0.7，級(jí)配不良，工程性質(zhì)較差。從改良后的石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，摻入粗集料后，風(fēng)化物從粗砂變?yōu)榈[砂，工程性質(zhì)得到明顯改善。

3)石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物含水量的變化范圍控制在6.6%～13.5%以內(nèi)，對(duì)應(yīng)的干密度變化范圍在0.06 g/cm3以內(nèi)，范圍很小，與黏土相比，石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物含水量對(duì)干密度的影響較小;如果取壓實(shí)系數(shù)Kh=0.95，對(duì)應(yīng)干密度為1.88 g/cm3，試驗(yàn)表明風(fēng)化物可壓實(shí)含水量范圍較大。石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物摻入粗集料后，最優(yōu)含水量隨摻入比的增加而減少，最大干密度隨摻入比的增加略有增加，風(fēng)化物的壓實(shí)工程特性得到提高。

4)試驗(yàn)結(jié)果還表明，水對(duì)石英二長(zhǎng)巖風(fēng)化物的CBR值有顯著的影響，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，浸水后的強(qiáng)度值僅為未浸水強(qiáng)度的44%。隨著壓實(shí)系數(shù)的增加，其影響趨弱。CBR強(qiáng)度值隨壓實(shí)系數(shù)提高而增加，提高壓實(shí)度能顯著改善石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物的力學(xué)性能。

5)石英二長(zhǎng)巖全風(fēng)化物摻入粗集料改良后CBR值比改良前明顯提高，當(dāng)摻入量在10% ～25%之間時(shí)，強(qiáng)度值隨摻入量增長(zhǎng)近似線性關(guān)系。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及合理經(jīng)濟(jì)因素，可以考慮取粗集料摻入比為15%～20%進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)。

［1］馮沅，劉軍勤.開(kāi)山軟巖填筑路基施工技術(shù)［J］.山西交通科技，1997(4):35-38.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ013—95 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1995.