侯民强

(邯郸市光太公路工程有限公司)

0 引 言

风化岩路基填料是指由不同粒径颗粒组成的混合物,与普通填石、填土路基填料相比,具有强度低,抗风化能力差,遇水易膨胀和承载能力明显下降等特点。许多山区高速公路沿线地形复杂、优质筑路材料匮乏、施工难度大,沿线石料风化严重,山区公路建设常规建筑材料又相对短缺,大量路基填筑材料只能就地取材,而现行《公路路基施工技术规范》(JTGF10-2006)中涉及填石路基相关条目较少,对于风化类石料如何用于山区高速公路路基填筑,更是缺乏相应的技术标准及要求。

全面研究风化岩填料的工程特性,找到一种合理有效的风化岩路基填筑方法,科学地将一定风化程度的风化岩填料用于高等级公路路基填筑具有重要意义。

1 击实和结构特性

通过击实试验可得到四种不同风化程度填料的最大干密度和最佳含水量,进而分析击实所形成的结构与粒料组成、含水量等因素的相关关系。

(1)含水量实验

试验分别取四种代表性填料 500g左右,并测定其含水量。试验结果如图 1。

图1 代表性风化岩填料天然含水量

(2)天然级配测试

了解四种不同风化岩填料的颗粒组成,借鉴土质土力学不均匀系数的概念分析填料的级配组成情况。试验参照《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2000)中的粗集料及集料混合料筛分试验(T0302-2005)。试验结果如图 2。

不均匀系数 Cu反映大小不同粒组的分布情况,Cu＜5的土称为匀粒土,级配不良;Cu越大,表示粒组分配范围比较广,Cu＞10的土级配良好。但 Cu过大,表示可能缺失中间粒径,属于不连续级配,故需同时用曲率系数来评价。

根据天然级配的筛分结果可计算得出四种不同风化程度的不均匀系数黄质料、灰质料、隧道石的不均匀系数与曲率系数如表 1所示。

图 2 四种风化岩填料天然级配曲线

表 1 四种填料的不均匀和曲率系数

从以上计算结果可以看出,黄质料、隧道石和灰质料的不均匀系数均大于 10,且曲率系数对都比较接近,这三种填料级配良好;而青质料不均匀系数小于 5,且曲率系数最小,表示这种填料级配组成不良。

(3)击实试验

为后期制备 CBR试件提供四种不同填料的最佳含水量,了解四种不同填料的击实效果差异,通过此试验类比分析风化岩填料路基在碾压过程中形成的结构和破碎特性。试验参照公路工程《土工试验规程》(JTJ-051-93)中的击实试验(T0131-93)。因为该试料的最大粒径为 37.5mm,选择重型Ⅱ -2法进行击实,其含水量按 2%递增,试验结果如图 3。

图 3 击实试验结果

从以上试验结果可以看出,黄质料的最大干密度值最大,达到 2.406g/cm3,最佳含水量为 6.2%;其他依次为:隧道石(最大干密度为 2.39g/cm3,最佳含水量为 7%)灰质料(最大干密度为 2.38g/cm3,最佳含水量为 6%)。前三种填料的最大干密度相差不大,说明三种填料级配组成良好,在击实中细料撑开骨料且对孔隙的填筑充分;三种填料的最大干密度虽然相近,但对应的最佳含水量不同,众所周知,最佳含水量对填料的击实效果影响很大,在风化岩路基填筑中,对于级配均匀且细料含量多的填料,必须严格控制碾压含水量,才能使其达到最佳压实效果。

青质料的最大干密度为 2.18g/cm3,最佳含水量为5%,对比分析可以看出,青质料的最大干密度明显小于其余三类填料,其原因主要包括两个方面:①青质料的不均匀系数为 2.75,属于级配不良的路基填料类型。②从结构上看,细料填充不充分,粗骨料孔隙增大,形成了类似于填石路基的骨架空隙结构。

从以上分析可以得出:①在风化岩填料的路基填筑中,不均匀系数应该可做为集料级配的一个控制指标;②级配均匀且细粒料含量较多的风化岩填料施工时,必须严格控制碾压含水量;③对于粗颗粒含量多且级配不均匀的风化路基填料可以参照填石路基的施工控制。

2 击实破碎性分析

为了更好的掌握风化岩在路基填筑碾压密实过程中颗粒的破碎情况,本研究采用类比分析的方法,根据《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中的击实试验(T0131-93)对四种不同风化程度路基填料进行击实,通过击实前后粒料的级配的变化分析其破碎性。

表 2 标准击实下四种风化岩填料的 M值变化情况

破碎率按下式计算

式中:M1为天然级配下的 M值;M2为标准击实(或者是振动击实)下的M值。M值按下式计算

式中:ki为对应 i粒径的含量;n为 i级粒径的尺寸。

通过计算可得:标准击实下四种填料的破碎率分别为青质料:Na=26.5%,黄质料:Nb=30.5%,隧道石:Nc=35.9%,灰质料:Nd=41.8% 。

击实破碎试验从侧面反映出了四种不同程度的风化岩填料在碾压密实过程中粒料的破碎情况,同时也说明了风化程度对填料破碎性质的影响之大。

3 长期稳定性

风化后的路基填料由于风化作用导致其强度变低、压实破碎特性与普通填石路基不同,施工过程中的破碎情况比一般填石路基更加严重。但是,风化岩路基填筑颗粒在竣工后的长期使用过程中,其性能也并非一成不变,并且这些特性与填料的风化程度、风化作用形成的产物、路基排水等因素有关。综合分析,影响风化岩填筑路基长期稳定性的因素主要包括以下方面。

(1)路基填料的风化程度

风化程度是决定路基填料粒料组成和力学性质的关键指标,由于风化程度的不同而产生的风化碎屑物中亲水性粘土矿物如蒙脱石、伊利石和高岭石等矿物成分的含量也不相同。这些亲水性的粘土矿物都具有颗粒组成较细、吸水率高、比表面积大等特点。在充分浸水的条件下,水分向填料孔隙中侵蚀会导致路基填料软化、破碎,路基整体承载能力下降、水稳性差、膨胀产生坑槽等破坏。

(2)水作用的影响

由于风化岩填筑路基填料中含有相当的亲水性粘土矿物(蒙脱石、伊利石、高岭石等),水的存在不但会加速填筑颗粒的膨胀、崩解,同时还会产生更多的次生粘土矿物,由于次生粘土矿物特有的层间结构,尤其是其所具有的叠层状矿物结构,在水的极性作用下侵蚀结构物层间空隙,造成这类矿物产生总体膨胀、局部产生胀缩效应,在宏观上引起颗粒整体开裂,这就使得环境水更加容易侵入填料内部,产生一个“侵蚀——开裂、膨胀——深度侵蚀”的恶性循环,对路基的长期稳定性带来严重的影响。

(3)填料风化次生矿物的影响

风化岩填料虽然填筑在路基结构体中,但是由于水和温度变化的影响会进一步产生风化蚀变,如果把风化填料看做原生矿物的话,其原生矿物也会进一步分解形成一种或几种新的蚀变次生矿物,颗粒会变得更细,这种进一步风化作用产生的是次生矿物。所以,防止路基填料的进一步蚀变对于这种特殊填料的路基稳定有重要意义。

4 结 语

在对风化岩填料的工程特性进行深入了解之后,并合理使用风化类石料用于路基填筑,会使得填筑路基石料的选择更为科学、合理。如果能成功地将风化岩应用于山区公路路基填筑,确保此类材料填筑路基使用性能,减少山区高速公路路基施工中填料匮乏的难题,节约大量的工程成本,变废为宝;而且还可以通过减少风化岩弃置量,保护自然环境。

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