風化巖路基填料工程特性分析

侯民強

(邯鄲市光太公路工程有限公司)

0 引 言

風化巖路基填料是指由不同粒徑顆粒組成的混合物,與普通填石、填土路基填料相比,具有強度低,抗風化能力差,遇水易膨脹和承載能力明顯下降等特點。許多山區高速公路沿線地形復雜、優質筑路材料匱乏、施工難度大,沿線石料風化嚴重,山區公路建設常規建筑材料又相對短缺,大量路基填筑材料只能就地取材,而現行《公路路基施工技術規范》(JTGF10-2006)中涉及填石路基相關條目較少,對于風化類石料如何用于山區高速公路路基填筑,更是缺乏相應的技術標準及要求。

全面研究風化巖填料的工程特性,找到一種合理有效的風化巖路基填筑方法,科學地將一定風化程度的風化巖填料用于高等級公路路基填筑具有重要意義。

1 擊實和結構特性

通過擊實試驗可得到四種不同風化程度填料的最大干密度和最佳含水量,進而分析擊實所形成的結構與粒料組成、含水量等因素的相關關系。

(1)含水量實驗

試驗分別取四種代表性填料 500g左右,并測定其含水量。試驗結果如圖 1。

圖1 代表性風化巖填料天然含水量

(2)天然級配測試

了解四種不同風化巖填料的顆粒組成,借鑒土質土力學不均勻系數的概念分析填料的級配組成情況。試驗參照《公路工程集料試驗規程》(JTJ058-2000)中的粗集料及集料混合料篩分試驗(T0302-2005)。試驗結果如圖 2。

不均勻系數 Cu反映大小不同粒組的分布情況,Cu＜5的土稱為勻粒土,級配不良;Cu越大,表示粒組分配范圍比較廣,Cu＞10的土級配良好。但 Cu過大,表示可能缺失中間粒徑,屬于不連續級配,故需同時用曲率系數來評價。

根據天然級配的篩分結果可計算得出四種不同風化程度的不均勻系數黃質料、灰質料、隧道石的不均勻系數與曲率系數如表 1所示。

圖 2 四種風化巖填料天然級配曲線

表 1 四種填料的不均勻和曲率系數

從以上計算結果可以看出,黃質料、隧道石和灰質料的不均勻系數均大于 10,且曲率系數對都比較接近,這三種填料級配良好;而青質料不均勻系數小于 5,且曲率系數最小,表示這種填料級配組成不良。

(3)擊實試驗

為后期制備 CBR試件提供四種不同填料的最佳含水量,了解四種不同填料的擊實效果差異,通過此試驗類比分析風化巖填料路基在碾壓過程中形成的結構和破碎特性。試驗參照公路工程《土工試驗規程》(JTJ-051-93)中的擊實試驗(T0131-93)。因為該試料的最大粒徑為 37.5mm,選擇重型Ⅱ -2法進行擊實,其含水量按 2%遞增,試驗結果如圖 3。

圖 3 擊實試驗結果

從以上試驗結果可以看出,黃質料的最大干密度值最大,達到 2.406g/cm3,最佳含水量為 6.2%;其他依次為:隧道石(最大干密度為 2.39g/cm3,最佳含水量為 7%)灰質料(最大干密度為 2.38g/cm3,最佳含水量為 6%)。前三種填料的最大干密度相差不大,說明三種填料級配組成良好,在擊實中細料撐開骨料且對孔隙的填筑充分;三種填料的最大干密度雖然相近,但對應的最佳含水量不同,眾所周知,最佳含水量對填料的擊實效果影響很大,在風化巖路基填筑中,對于級配均勻且細料含量多的填料,必須嚴格控制碾壓含水量,才能使其達到最佳壓實效果。

青質料的最大干密度為 2.18g/cm3,最佳含水量為5%,對比分析可以看出,青質料的最大干密度明顯小于其余三類填料,其原因主要包括兩個方面:①青質料的不均勻系數為 2.75,屬于級配不良的路基填料類型。②從結構上看,細料填充不充分,粗骨料孔隙增大,形成了類似于填石路基的骨架空隙結構。

從以上分析可以得出:①在風化巖填料的路基填筑中,不均勻系數應該可做為集料級配的一個控制指標;②級配均勻且細粒料含量較多的風化巖填料施工時,必須嚴格控制碾壓含水量;③對于粗顆粒含量多且級配不均勻的風化路基填料可以參照填石路基的施工控制。

2 擊實破碎性分析

為了更好的掌握風化巖在路基填筑碾壓密實過程中顆粒的破碎情況,本研究采用類比分析的方法,根據《公路土工試驗規程》(JTJ051-93)中的擊實試驗(T0131-93)對四種不同風化程度路基填料進行擊實,通過擊實前后粒料的級配的變化分析其破碎性。

表 2 標準擊實下四種風化巖填料的 M值變化情況

破碎率按下式計算

式中:M1為天然級配下的 M值;M2為標準擊實(或者是振動擊實)下的M值。M值按下式計算

式中:ki為對應 i粒徑的含量;n為 i級粒徑的尺寸。

通過計算可得:標準擊實下四種填料的破碎率分別為青質料:Na=26.5%,黃質料:Nb=30.5%,隧道石:Nc=35.9%,灰質料:Nd=41.8% 。

擊實破碎試驗從側面反映出了四種不同程度的風化巖填料在碾壓密實過程中粒料的破碎情況,同時也說明了風化程度對填料破碎性質的影響之大。

3 長期穩定性

風化后的路基填料由于風化作用導致其強度變低、壓實破碎特性與普通填石路基不同,施工過程中的破碎情況比一般填石路基更加嚴重。但是,風化巖路基填筑顆粒在竣工后的長期使用過程中,其性能也并非一成不變,并且這些特性與填料的風化程度、風化作用形成的產物、路基排水等因素有關。綜合分析,影響風化巖填筑路基長期穩定性的因素主要包括以下方面。

(1)路基填料的風化程度

風化程度是決定路基填料粒料組成和力學性質的關鍵指標,由于風化程度的不同而產生的風化碎屑物中親水性粘土礦物如蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物成分的含量也不相同。這些親水性的粘土礦物都具有顆粒組成較細、吸水率高、比表面積大等特點。在充分浸水的條件下,水分向填料孔隙中侵蝕會導致路基填料軟化、破碎,路基整體承載能力下降、水穩性差、膨脹產生坑槽等破壞。

(2)水作用的影響

由于風化巖填筑路基填料中含有相當的親水性粘土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石等),水的存在不但會加速填筑顆粒的膨脹、崩解,同時還會產生更多的次生粘土礦物,由于次生粘土礦物特有的層間結構,尤其是其所具有的疊層狀礦物結構,在水的極性作用下侵蝕結構物層間空隙,造成這類礦物產生總體膨脹、局部產生脹縮效應,在宏觀上引起顆粒整體開裂,這就使得環境水更加容易侵入填料內部,產生一個“侵蝕——開裂、膨脹——深度侵蝕”的惡性循環,對路基的長期穩定性帶來嚴重的影響。

(3)填料風化次生礦物的影響

風化巖填料雖然填筑在路基結構體中,但是由于水和溫度變化的影響會進一步產生風化蝕變,如果把風化填料看做原生礦物的話,其原生礦物也會進一步分解形成一種或幾種新的蝕變次生礦物,顆粒會變得更細,這種進一步風化作用產生的是次生礦物。所以,防止路基填料的進一步蝕變對于這種特殊填料的路基穩定有重要意義。

4 結 語

在對風化巖填料的工程特性進行深入了解之后,并合理使用風化類石料用于路基填筑,會使得填筑路基石料的選擇更為科學、合理。如果能成功地將風化巖應用于山區公路路基填筑,確保此類材料填筑路基使用性能,減少山區高速公路路基施工中填料匱乏的難題,節約大量的工程成本,變廢為寶;而且還可以通過減少風化巖棄置量,保護自然環境。

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