全风化花岗岩路基填料物理改良强度特性研究

2014-12-25钱叶琳刘晓义

交通运输研究 2014年21期

钱叶琳，刘晓义，2

（1.安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽合肥230031；2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州510000）

0 引言

全风化花岗岩广泛分布于我国的华东、华南及中南地区，具有黏结力小、结构松散、承载力低、液塑限高、抗变形稳定性及水稳性均较差等工程特性[1]。由文献[2]的现场检测试验可知，直接用全风化花岗岩填筑的路基，弯沉值较大，与规范要求的弯沉值相差甚远，所以全风化花岗岩不宜直接用作路基填料，必须采取措施提高路基的强度，以便降低路基的弯沉值。传统的提高全分化花岗岩路基强度的方法有向填料中掺拌石灰或水泥等化学改良法[3～6]，改良效果较明显，但成本高，且易造成环境污染。

近年来，随着人们对粗粒土认识的加深，成本低廉且环保的物理改良法被提出。本文结合G318 青阳段（五星—清泉岭）改建工程项目的全风化花岗岩物理改良路基填料来研究这种混合料的强度特性。

G318 青阳段（五星—清泉岭）改建工程项目位于安徽省池州市青阳县县城南部新城区，蓉城镇境内。线路全长8.59km，设计公路等级为一级公路，兼具城市道路功能，设计行车速度为60km/h，路基宽度为50m。线路全线地貌均为丘陵地貌，分布着大量的全风化花岗岩，风化层厚度较大，呈灰黄色、褐黄色夹灰白色矿物斑点，硬塑～坚硬土状、砂土状。此项目所采取的物理改良方法是向全风化花岗岩填料中掺入60%的碎石土，从而使其级配特性转变为粗粒土。本文以这种掺拌料为研究对象，研究物理改良全风化花岗岩的工程特性及改良效果，为在此类地区建设类似工程和更高标准的公路中填料的选择及改良提供经验和借鉴。

1 填料的基本性质

依据试验标准[7]，采用方孔筛分法对取自施工现场的掺拌料试样进行颗粒分析试验，得出试验填料的级配参数如表1所示。

表1 掺拌料的级配参数

由表1 可以看出，此掺拌料的黏粒含量为4.1%，小于黏性界限标准5%，可判断此种掺拌料填料为无黏性粗粒土。

由文献[7]可知，粗颗粒含量是指掺拌料中大于5mm 的颗粒占总质量的百分比，以P5来表示。并认为当P5≈70%时填料的工程特性最好，此时填料中的粗颗粒可以形成完整的骨架，而细颗粒恰好可以填满孔隙，填料的干密度较大，沉降变形小，抗剪强度高。由表1可知，该种掺拌料填料的粗颗粒含量P5为60.43%，表明其粗细颗粒含量相对较均匀。由击实试验测得该种掺拌料填料的最大干密度为2.28g/cm3，最佳含水量为6.3%。

2 物理改良原理分析

全风化花岗岩具有级配单一、黏粒含量极少、较低的黏结性和塑性及浸水震动后易液化等特征[3]。用全风化花岗岩直接填筑的路基其结构形式为颗粒悬浮型，压实需要的能量较大，压实难度也大，且极易松散。而碎石土（取自开挖出来经破碎过的中风化和微风化的花岗岩）其颗粒组成几乎均为粗颗粒，用这种破碎过的碎石土填筑路基，可以形成良好的骨架，但因其缺乏细颗粒，骨架的孔隙无法填充，其结构形式为骨架孔隙型。

这两种土料均不适合单独用来填筑路基，但是将两者按照一定的比例掺拌到一起，既可以形成粗粒骨架，细颗粒又能填充满孔隙，从结构形式来看，这是一种非常完美的结构形式。由文献[8]可知，这种结构具有透水性强、抗压强度高、压实密度大、沉降变形小的特点，具有优良的工程特性。该物理改良全风化花岗岩路基填料的原理便是据此得来。

3 研究方案

3.1 研究目的

本研究是针对G318 青阳段（五星—清泉岭）改建工程项目已经实施的改良材料进行强度特性研究，在物理改良之前已经通过室内颗粒分析试验确定了施工掺配比，即以此掺配比掺拌的填料经过现场碾压试验，其各项指标均符合设计和规范的要求。因此，本研究的目的是了解该种填料的抗剪强度特性，进一步研究含水率、压实度及最大粒径对该种混合料强度的影响，以此为施工提供参考。

3.2 研究方法

进行室内大型直剪试验，采用的是应变控制式大型直剪仪，剪切盒为立方体型，其尺寸为：300mm×300mm×300mm。此直剪仪适用于最大粒径为60mm的试样。当采用大型直剪仪进行剪切试验时，由于取原状土样试验比较困难，所以一般都采用扰动土样。

本试验采用固结不排水快剪（固结快剪）试验，即固结后再快速施加水平剪力，并在3～5min内将土样剪损，测求土样的抗剪强度参数c和φ值。

4 研究结果分析

4.1 抗剪强度参数

本试验是先测定在最佳含水量情况下、压实度分别为0.93 和0.96 时的抗剪强度；然后在相同条件下，向剪切盒内注水使试样饱和，再测定饱和状态时的抗剪强度。试验结果如表2所示。

表2 掺拌料的抗剪强度参数

从表2中可以看出，此种掺拌料的抗剪强度参数表现出的特点为：黏聚力均较小，内摩擦角均较大。即便在饱和时，其内摩擦角φ 都大于30°，这说明该种掺拌料具有较好的抗剪强度特性。

4.2 含水率对强度指标的影响

对于粗粒土来说，因其抗剪强度指标中的黏聚力c值非常小，对于抗剪强度来说，其影响并不大，因此可仅用内摩擦角φ值来代表土样的抗剪强度。含水率对掺拌填料抗剪强度的影响如图1所示。

由图1可以看出，对于该种掺拌料，其抗剪强度φ随着含水率的增大呈减小的趋势。

表3 列出了抗剪强度φ 随含水率变化的变化率。

表3 抗剪强度随含水率变化的变化率

由表3可知，当含水率从0增至6.3%时，抗剪强度φ仅减小了5.3%，这说明在最佳含水量状态下填筑路基，既可以得到较好的压实效果，填料的强度也不会受到多少影响，这验证了路基填筑应在最佳含水量时进行填筑。从图1还可以看出，在最佳含水量左右3个百分点范围内，填料的强度变化范围并不大，这也说明在施工时，可以适当放宽填料的含水率要求。众所周知，皖南地区属于江南湿润多雨气候，填料含水率的放宽对于该种条件下加快施工进度非常有利。

图1 抗剪强度随含水率的变化曲线

当填料的含水率从6.3%增至16.9%（饱和）时，其抗剪强度φ有一定程度的减小，填料的含水率从干燥增至饱和时，其抗剪强度φ的减小幅度约为1/4。这说明当填料处于饱和时，其抗剪强度将受到影响，从而影响整个路基的强度和稳定性。因此在施工中，一定要注意严防路基受水浸泡，已完成的路基要做好排水、防渗措施；对于正在填筑的路基，待大雨过后，一定要晾晒彻底，方可进行上层填筑，同时每压完一层都要做好排水工作，防止突降大雨浸泡填筑层。

由表3还可以看出，随着压实系数的增大，抗剪强度φ的变化率呈减小的趋势，即对水的敏感性在降低，这说明压实系数的增大可以增强填料的水稳定性，同时说明该种填料的水稳定性良好。这对施工的意义在于：当遇到线路上某个区域地基存在软基或地基承载力不强时，应当增大此区域填土的压实度，以减小此区域同相邻区域的不均匀沉降。

4.3 压实系数对强度指标的影响

压实系数对掺拌料抗剪强度的影响如图2 所示。可以看出，无论填料的含水率如何，其抗剪强度φ随着压实系数的增大也呈增大的趋势。

图2 抗剪强度随压实系数的变化曲线

由表4 可以看出，当压实系数由0.93 增大至0.96时，无论在何种含水率状态，掺拌料的抗剪强度变化率均在20%左右。这一方面说明了增大压实系数可以增大路基强度，另一方面说明该种掺拌料具有一定的水稳定性，同时证明了直剪试验的数据结果是准确的。

表4 抗剪强度随压实系数变化的变化率

4.4 最大粒径对强度指标的影响

众多学者认为，在同等条件下，最大粒径越大，抗剪强度φ越大。文献[9]也得出强度指标随最大粒径的增大而增大的结论。但是需要指出的是：最大粒径的影响是有限的，最大粒径对强度指标的影响还与粗颗粒含量P5在混合料中占的比例有关。当粗颗粒含量小于30%时，混合料的结构为悬浮密实型，此时即使有少量的大粒径颗粒存在，对抗剪强度的影响也不大，因为对于悬浮密实型结构而言，其抗剪强度主要来自于颗粒之间的摩擦力。当粗颗粒含量在30%～70%时，混合料的结构由悬浮密实型逐渐转变为骨架密实型，此时的抗剪强度除了颗粒之间的摩擦力外，还出现了一种新的力——咬合力，咬合力在角砾土中发挥的作用更大。文献[8]指出，当混合料中粗颗粒含量P5约为70%时，混合料的结构达到最佳骨架密实状态；当混合料中粗颗粒含量P5大于70%时，骨架中的孔隙缺乏细料填满，混合料的结构成了骨架孔隙结构，其抗剪强度反而降低。因此，最大粒径不可单独作为混合料强度的影响因素。在施工中，掺拌料的最大粒径按照规范的规定控制即可，过大粒径的大颗粒的存在对填料压实不利。