弱～強風化泥質粉砂巖改良技術研究

何 澤，袁 偉

(1.廣東博意建筑設計院有限公司，廣東 順德 528312;2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 武漢分院，武漢 430056)

某鐵路客運專線沿線分布有大量的弱～強風化泥質粉砂巖。通過室內試驗得知，這是一種易風化的軟質巖。國外在筑路過程中如遇易風化的軟巖，一般采用廢棄或延長施工工期(延長工期是為了使軟巖完全風化)方式處理。而我國受土地資源、經濟狀況、建設周期等條件限制不能照搬，因此開展弱～強風化泥質粉砂巖改良技術的研究具有非常重要的經濟價值和工程實踐意義。

1 弱～強風化泥質粉砂巖的基本工程特性

1.1 天然狀態

泥質粉砂巖手摸有粗糙感，細砂含量多，等粒結構，致密塊狀構造。強風化泥質粉砂巖可以用風鎬破碎開采，弱風化泥質粉砂巖需爆破開采，爆破后巖塊直徑一般為0.1～2.0 m。

1.2 化學成分和礦物成分

表1列出了弱～強風化泥質粉砂巖樣品的化學成分。該巖樣以SiO2為主。

表2列出了弱～強風化泥質粉砂巖樣品的主要礦物成分。該巖樣以石英、鈉長石為主，占69.88%，其次是黏土礦物高嶺石。

弱～強風化泥質粉砂巖的化學成分和主要礦物成分，使得該巖石具有強度低、弱膨脹性、易風化等特點。

1.3 物理力學指標

通過室內試驗，得到各項力學指標見表3。由表3可知，弱～強風化泥質粉砂巖屬于一種軟巖，具有易崩解、易軟化、易風化、弱膨脹性的工程特點。

表1 弱～強風化泥質粉砂巖化學成分

表2 弱～強風化泥質粉砂巖主要礦物成分

表3 弱～強風化泥質粉砂巖物理力學指標

2 弱～強風化泥質粉砂巖破碎料的改良措施

弱～強風化泥質粉砂巖破碎料直徑較大，如果碾壓不充分，會在列車荷載作用下繼續發生粉碎而造成沉降。因此，弱～強風化泥質粉砂巖破碎料不宜直接使用。

2.1 弱～強風化泥質粉砂巖破碎料的顆粒分析

根據《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2004)［1］規定，取一部分浸泡不同時間的弱 ～強風化泥質粉砂巖破碎料進行篩分試驗，試驗結果見圖1。

圖1 弱～強風化泥質粉砂巖破碎料顆粒級配曲線

從圖1可看出:

1)弱～強風化泥質粉砂巖破碎料的顆粒粒徑受浸水時間的長短影響不是很大;

2)弱～強風化泥質粉砂巖破碎料屬于圓礫土，細顆粒含量在30%左右。無論按其抗風化能力還是按其細顆粒含量，應將其劃歸到路基填料C組中去;

3)弱～強風化泥質粉砂巖破碎料顆粒級配曲線比較平緩，但存在一小段平坡，表明破碎料缺乏0.2～2.0 mm范圍內的顆粒。

2.2 弱～強風化泥質粉砂巖改良方法的確定

根據文獻［2］，改良應優先選用物理改良的方法，即向其中摻加粒料。弱～強風化泥質粉砂巖經破碎后，粒徑分布很不均勻，級配良好。但因其在碾壓過程中可能會發生二次破碎，從而導致現場顆粒級配與室內試驗的顆粒級配存在一定的差別。另外，由室內篩分曲線發現，弱～強風化泥質粉砂巖破碎料缺乏0.2～2.0 mm范圍內的顆粒，并且細顆粒含量偏多，用于路堤的填筑時，對路堤的穩定性是不利的。因此，應該選用一些工程性質比較穩定、粒徑比較粗大、0.2～2.0 mm范圍內的顆粒含量相對比較多的材料添加。

綜上所述，并考慮到施工的方便與經濟性，決定選用中粗砂作為弱～強風化泥質粉砂巖的改良劑。實際所用中粗砂的篩分曲線見圖2。

2.3 弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土外加料劑量的確定

圖2 所用中粗砂的顆粒級配曲線

本文擬從物理力學性質指標出發，采用摻入不同含量中粗砂的方法改良弱～強風化泥質粉砂巖的顆粒級配和CBR值，從而確定最佳的中粗砂劑量。

2.3.1 不同摻砂量的泥質粉砂巖物理改良土的顆粒級配

根據弱～強風化泥質粉砂巖破碎料以及中粗砂的篩分結果，從而繪制出顆粒級配曲線，見圖3。從圖3可知，隨著摻砂量的增加，混合料中0.2～2.0 mm范圍內的顆粒會相對地有所增加，0.075～0.20 mm范圍內的顆粒會相對地有所減少，細顆粒含量呈現下降的趨勢，摻砂量達到15%以后，細顆粒含量不超過25%。混合料的顆粒粒徑所發生的變化，使得混合料在物理性質方面得到改善。

2.3.2 不同摻砂量的泥質粉砂巖物理改良土的CBR值

CBR試驗嚴格按照《公路土工試驗規程》(JTJ 051—93)［3］進行。圖4為30擊泡水4天的物理改良土CBR值隨不同摻砂量的變化情況。可知，隨著摻砂量的增加，土體的CBR值會提高，膨脹量會有所減少。根據日本鐵路對路基填料CBR值的要求(CBR＞10%)［4］，弱 ～強風化泥質粉砂巖摻入15% ～25%的中粗砂改良后，CBR值高達12.4% ～13.2%，能用于高速鐵路路基填筑。由圖3和圖4可見，摻入15%的中粗砂后，弱～強風化泥質粉砂巖的物理力學性質得到明顯改善，具備填筑高速鐵路不浸水路堤本體部分的可行性。但考慮到現場施工時，會出現摻量的不準確性與拌合的不均勻性，特將實際摻砂量調整到20%。

3 循環擊實與碾壓對弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土的影響

3.1 改良土在循環擊實泡水條件下的顆粒級配變化

圖3 不同摻砂量的泥質粉砂巖物理改良土的顆粒級配曲線

圖4 泥質粉砂巖物理改良土CBR值隨摻砂量的變化

為了模擬弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土填筑的路堤在很不利的外界條件下(浸水及重復荷載的作用)可能發生的一些工程情況，在室內采取循環擊實并泡水的試驗方法重點研究擊實土樣顆粒粒徑的變化情況。具體試驗步驟見表4，試驗結果見表5及圖5。從試驗結果可知:泥質粉砂巖物理改良土在錘擊及泡水的作用下，細顆粒含量會有所增加，高達46%，這對填料的長期穩定性是不利的;同時還發現，當擊實功達到一定的值后，泥質粉砂巖物理改良土能夠達到密實的狀態，其崩解性得到很大程度的改善，顆粒粒徑基本上不再受泡水與擊實的影響，抗壓性能及水穩定性均良好。

3.2 改良土在碾壓前后的顆粒級配變化

泥質粉砂巖物理改良土在室內擊錘的作用下，會使其細顆粒含量偏多，但擊實試驗的錘擊和壓路機的振動碾壓作用機理差別較大，因此室內試驗研究成果不一定與現場施工的情況吻合。為了研究現場施工對泥質粉砂巖物理改良土顆粒粒徑的影響，在碾壓前后對物理改良土填料取樣進行篩分試驗，試驗結果見表6及圖6。從試驗結果可知，泥質粉砂巖物理改良土的顆粒粒徑受碾壓機械的影響很小，細顆粒含量雖然會有所增加，但總量不超過35%，增量為5%左右;顆粒級配曲線依舊良好，符合要求［5］。

表4 泥質粉砂巖物理改良土循環擊實與泡水試驗的步驟

表5 泥質粉砂巖物理改良土循環擊實與泡水篩分結果 %

表6 泥質粉砂巖物理改良土碾壓前后篩分結果 %

圖5 泥質粉砂巖物理改良土循環擊實與泡水顆粒級配曲線

4 弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土現場填筑質量及路堤沉降觀測

4.1 現場填筑質量檢測

弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土全部用于某客運專線試驗段路堤本體的填筑，共填筑了6層。每層壓實后都進行各項物理力學指標的檢測(見表7)，結果表明，地基系數K30、動態變形模量 Evd、二次變形模量Ev2和孔隙率n等力學指標都滿足規范要求。

圖6 泥質粉砂巖物理改良土碾壓前后顆粒級配曲線

4.2 路堤沉降觀測

在試驗段的兩個斷面中心線處路堤本體內各埋設一個單點沉降計，進行路堤本體沉降觀測。監測結果表明，該路堤本體的壓縮沉降量很小，不超過6 mm，但沉降還有進一步發展的趨勢，尚待持續觀測。

表7 泥質粉砂巖物理改良土壓實控制指標實測數據統計值

5 結語

對于不宜直接用作高速鐵路路基填料的弱～強風化泥質粉砂巖，摻入中粗砂進行物理改良，經過大量的室內試驗和現場實測，得到了以下重要結論:

1)弱～強風化泥質粉砂巖摻入20%中粗砂后，級配曲線更加平緩，且不存在平坡段，顆粒不均勻性良好，粒徑變化范圍較大，有利于填料壓實質量的控制。

2)弱～強風化泥質粉砂巖摻入20%中粗砂后，能夠提高土體的CBR值，水穩性得到增強。在壓實系數達到92%時，改良土的CBR值高于10%，完全能用作高速鐵路路基填料。

3)弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土經擊實或碾壓以后，崩解性得到很大程度的改善，抗壓性能及水穩定性均良好，不過最好不要用作浸水路堤填料。

4)弱～強風化泥質粉砂巖物理改良土經過現場填筑壓實以后，質量很好，沉降變形量很小。

［1］中華人民共和國行業標準.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］徐培華，王安玲.公路工程混合料配合比設計與試驗技術手冊［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］中華人民共和國行業標準.JTJ 051—93 公路土工試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，1993.

［4］(日)薄，宮林，小島等.鐵道部科學研究院譯.采用軟巖棄碴的大型填土的設計和施工［J］.土與基礎，1984，32(7):53-59.

［5］鐵道部第三勘察設計院，鐵道第四勘察設計院.京滬高速鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.