莲株高速全风化花岗岩路基填料改良试验研究

2020-11-18张琦练李友云任贵政廖浩成

公路工程 2020年5期

张琦练，张军，李友云，任贵政，廖浩成

(1．湖南省莲株高速公路建设开发有限公司，湖南株洲 412000； 2．长沙理工大学，湖南长沙 410114)

0 引言

全风化花岗岩作为路基填料有遇水易崩解和软化、自身抗冲刷能力差、难以压实等特点[1]。如要运用于工程中需对其工程特性和改良试验进行研究。周援衡[2-3]、刘东明[4]等依托新建武广高速铁路工程，对清远段的全风化花岗岩做了一系列室内试验，结果表明：全风化花岗岩不能直接用于路基填筑，并借鉴了日本和我国改良土经验对其进行了改良。侯江波[5]依托武广客运专线工程，进行了大量室内试验，发现全风化花岗岩具有工程特性差、强度指标和承载能力低、水稳定性能差等特征，而经掺石灰和水泥改良后的全风化花岗岩各种指标均有所改善。廖浩成[6]结合浏醴高速，对工程采用的全风化花岗岩进行路用性能研究分析，并且进行了现场碾压试验。

全风化花岗岩具有地区差异性，本文在借鉴前人研究基础上[7-11]，通过室内试验对莲株高速改扩建工程沿线的全风化花岗岩及其水泥改良土的工程特性进行研究，分析其路用性能。

1 工程概况

1.1 工程背景

莲株高速升级改造工程是湖南省内首个由二级公路改扩建成高速公路的项目，起于湘、赣边界莲花冲，止于株洲市红旗立交东，路线总长50.384km。该工程途经全风化花岗岩特殊岩土区，此类地质易滑塌、坍塌，在这种工程条件下的改扩建工程中，做好对全风化花岗岩这一不良路基填料的分析和处置工作非常重要。

1.2 全风化花岗岩工程特性

根据《公路土工试验规程》( JTG E40—2007) 要求[12]，对沿线取土进行土工试验，试验成果见表1。

表1 全风化花岗岩物理指标Table 1 Physical indicators of fully weathered granite天然含水率ω/%液限ωL/%塑限ωp/%塑性指数Ip2141.922.819.1击实试验CBR/%最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)K=96K=94K=9311.51.824.43.93.7

按照《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[13]规定的公路填料的最小强度要求，该全风化花岗岩仅满足下路堤的填筑要求，若要填筑上路堤及路床部位，则需进行改良处理。

2 全风化花岗岩改良试验

本文采用金大力牌PC32.5普通硅酸盐水泥，对全风化花岗岩分别进行掺加0%、4%、6%、8%这4种水泥掺量改良，进行对比分析。

2.1 改良土界限含水率试验分析

严格遵循《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)的相关规定，利用液塑限联合测定仪试验获取全风化花岗岩和4种不同水泥掺量改良土的液、塑限，试验结果见图1。

图1 水泥改良全风化花岗岩界限含水率Figure 1 Boundary moisture content of cement modified fully weathered granite

从图1可知，随水泥掺量的提高，改良土液限WL有增大趋势，但较缓，掺入6%水泥，改良土液限WL较素土的液限WL仅增大2%左右;当水泥掺量达到8%时，改良土的液限WL反而比6%水泥改良土的液限WL小。塑限WP随水泥掺量的提高，增大的趋势则较显著，特别当水泥掺量小于6%，改良土塑限WP同水泥用量呈线性关系；水泥掺入量达到6%，改良土塑限WP增长了10%左右；然而，当水泥掺入量达到6%后，随水泥掺量的继续提高，改良土塑限WL基本处于平稳状态。塑性指数IP随水泥掺量的增加，降低较为明显，当水泥掺量达到8%时，改良土塑性指数IP较素土的塑性指数IP减小了8.1%，掺入水泥改良后的全风化花岗岩土体塑性明显减小，其亲水性明显降低，路用性能得到了明显提高。

2.2 改良土的重型冲击试验分析

为分析全风化花岗岩水泥改良土的压实性能，本试验对0%、4%、6%、8%这4种水泥掺量下的全风化花岗岩改良土进行重型击实试验，采用丙法击实对水泥改良土试样进行试验，试验结果如表2所示。

表2 最佳含水率与最大干密度Table 2 Optimal moisture content and maximum dry density掺加剂水泥掺量最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)0%11.51.82水泥4%12.81.846%13.61.858%14.51.87

由表2可知，随着水泥用量的增大，水泥改良土的最佳含水率逐渐提高。当水泥掺量从4%增到8%时，改良土的最佳含水量由12.8%增大至14.5%，增长规律较为明显。改良土的最大干密度与水泥掺量呈正相关，当水泥用量从4%提高到8%时，改良土的最大干密度从1.84g/cm3增大至1.87g/cm3。经水泥改良后的土体试样最佳含水率和最大干密度这2种指标均比改良前有所增大，2种指标与水泥掺灰比之间的关系如图2所示。

图2 水泥改良土最佳含水率、最大干密度与掺灰比关系曲线Figure 2 Curve of optimum moisture content, maximum dry density and ash ratio of cement modified soil

2.3 改良土CBR试验分析

试验着重分析压实度、水泥掺量对水泥改良土CBR的改善效果，在最优含水率下制成不同水泥掺量(4%、6%、8%)和不同击实功(30击、50击、98击)下的改良土试件，养护7 d，测定在浸水4 d时的CBR值。不同击实功和不同水泥掺量下的水泥改良土试件CBR试验结果如图3所示，不同压实度和不同掺灰比的水泥改良全风化花岗岩的CBR值如表3和图4所示。

由图3可以看出，在浸水状态下水泥改良土试件所能承受的压力与贯入量呈正相关，但当贯入量达到一定数值后，随贯入量继续增大，其所能承受的压力逐渐趋于稳定，尤其是在低压实度、低水泥掺量下更为明显。这是因为改良土试件在压实度不足、水泥掺量较低的情况下，水泥与土体中的水分发生化学反应后产生的晶体和凝胶成分较少，土颗粒间接触又相对松散，水泥土硬化后的强度相对较低，当改良试件的贯入量达到一定量时，试件容易产生受压破坏。

(a) 4%水泥改良30击 (b) 4%水泥改良50击 (c) 4%水泥改良98击

(g) 8%水泥改良30击(h) 8%水泥改良50击(i) 8%水泥改良98击

表3 不同压实度、不同掺灰比下水泥改良全风化花岗岩的CBR试验结果Table 4 CBR test data of cement modified fully weathered granite with different compaction degree and dif-ferent ash ratio类别不同压实度%时的CBR值10096949390最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)未改良土样7.14.43.93.72.911.51.824%水泥改良7.74.64.23.93.012.81.846%水泥改良8.64.94.44.13.313.61.858%水泥改良12.58.66.86.03.314.51.87

由表3可知：经过水泥改良后的全风化花岗岩试件，各压实度下的CBR值均得到一定程度的提高。按照《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)规定的道路填料的最小强度可知：经4%水泥处理的全风化花岗岩在压实度为94%时，CBR值为4.2，满足上路堤(94区)部位填筑；但当压实度高于94%时，其CBR值不能满足路基路床(96区)部位的填筑。6%水泥处理的全风化花岗岩在各种压实度下的CBR值均比4%水泥处理的全风化花岗岩的高，但在压实度为96%时，其CBR值为4.9小于规范规定的5，所以6%水泥处理的全风化花岗岩改良土也仅符合路基93区和94区部分的填筑，不能用来填筑路基的路床部分。8%水泥处理的全风化花岗岩在压实度分别为96%、94%、93%时，相应的CBR值分别为8.6、6.8、6.0，均大于规范规定的公路填料的最小强度。因此可以得出：8%水泥改良的全风化花岗岩可以用于填筑路基的各个部位。

由图4可知：在压实度不变时，随着水泥用量的不断增大，改良土的CBR值逐渐增大。水泥用量达到6%前，这种增长趋势较平缓；水泥用量高于6%后，随水泥掺量继续增大，CBR值增长趋势明显。另外，当水泥用量不变时，水泥改良土的压实度与CBR值呈正相关关系，压实度越高，改良土CBR值越大，改良效果越明显。

图4 水泥改良土CBR值与掺灰比关系曲线Figure 4 Curve of CBR value and ash ratio of cement improved soil

综上，压实度与水泥掺量是影响水泥改良土改良效果的2个重要指标，仅靠提升水泥掺量来改良全风化花岗岩既不经济，效果也不是很明显。因此用水泥处理全风化花岗岩填料时，应综合考虑水泥掺量和压实度，使改良效果得到更好的提升。

2.4 改良土强度、刚度试验

a.抗剪强度试验。

利用TSZ全自动三轴仪对不同水泥用量(0%、4%、6%、8%)和不同含水率的全风化花岗岩水泥改良土试样分别在100、200、300 kPa的围压下进行不固结不排水试验，本次试验着重考虑水泥改良土抗剪强度指标与水泥掺灰比、含水率之间的关系，各水泥掺量下的试件养护时间为7 d。

b.回弹模量试验。

与强度试验方法类似，得到不同掺灰比改良的试件在对应压实度下的回弹模量随含水率的变化规律。

由于下路堤填筑采用未改良全风化花岗岩，上路堤填筑采用4%水泥改良土，路床填筑采用8%水泥改良土，因此本文仅列出0%、4%、8%水泥改良土在对应压实度、含水率下的数据，见表4～表6。

表4 未改良全风化花岗岩压实度为93%时的强度、刚度参数Table 4 Strength and stiffness parameters of unmodified full weathered granite with a compaction of 93%含水率/%粘聚力/kPa内摩擦角/(°)回弹模量/MPa9.543.221.277.311.5(最佳)41.522.183.513.538.520.868.215.536.218.959.717.233.414.553.219.529.66.750.5

表5 4%水泥改良全风化花岗岩压实度为94%时的强度、刚度参数Table 5 Strength and stiffness parameters when the com-paction degree of 4% cement modified fully weathered granite is 94%含水率/%粘聚力/kPa内摩擦角/(°)回弹模量/MPa10.864.725.4112.512.8(最佳)62.426.2118.214.858.525.2101.916.855.222.690.818.849.519.278.120.844.912.671.4

表6 8%水泥改良全风化花岗岩压实度为96%时的强度、刚度参数Table 6 Strength and stiffness parameters of 8% cement modified fully weathered granite with a compac-tion of 96%含水率/%粘聚力/kPa内摩擦角/(°)回弹模量/MPa12.597.527.5169.714.5(最佳)94.628.6175.416.589.227.2160.118.584.524.2148.220.576.520.9135.522.569.715.2126.8

从表4～表6中可以看出：在同样状态下，经水泥改良后的全风化花岗岩黏聚力和内摩擦角均高于改良土前，黏聚力与掺灰比基本呈线性增加的关系，当水泥用量达到8%时，改良土的粘聚力是素土样品的2～3倍；同粘聚力相比，内摩擦角随水泥用量的增加幅度较为缓慢，改良前、后全风化花岗岩的内摩擦角变化不明显。随着含水率提高，全风化花岗岩的粘聚力呈降低的情况；内摩擦角却表现先增大再减小的趋势，且在最佳含水率处有最大值；全风化花岗岩的回弹模量也呈先增大再减小的情况，并于最佳含水率附近获得最大值。而随着掺灰比的增加，全风化花岗岩回弹模量提升较为显著。