氣孔構造玄武巖填料壓實質量控制方法研究

劉江波，周師凱，田 軍，曲詩章，劉曉明

(1.海口市市政工程設計研究院，海南 海口 570100； 2.湖南省張桑高速公路建設開發有限公司，湖南 張家界 427000； 3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

1 概述

氣孔狀是典型的巖漿巖構造之一[1-2]。氣孔狀巖漿巖在全球分布廣泛。在海南省火山地區地表廣泛分布氣孔構造玄武巖，在這些區域修筑道路需采用這類巖石作為填料，這類氣孔構造玄武巖屬于巖漿巖，成巖材料質地堅硬，本應為“硬質巖”，但由于存在大量氣孔，巖石整體強度低于30 MPa，因此又屬于軟質巖。路基壓實質量對道路的安全、高效運營有著重要影響[3-4]，這種質硬的軟巖之前研究較少，又由于其巖塊密度因氣孔含量不同差異顯著，按常規填石路堤的固體體積率測試又不合適，因此深入研究氣孔構造玄武巖軟質巖填料路基的壓實質量控制方法顯得很有必要。為了控制路基的壓實質量，藺彪[5]等利用靜力貫入測定路基壓實度，盛安連[6]等、蘇衛國[7]等、張宜洛[8]等利用瞬態沖擊法測定路基壓實度，金書濱[9]等采用動土應力值來評價填石路基壓實效果，劉麗萍[10]等提出采用空隙率法及考慮粗粒料含量的改進最大干容重理論計算法來分析土石混合料的壓實情況，而相關規范規定對于硬質巖填石路堤的檢測參數為固體體積率[11]。

對于這類成巖材料堅硬但整體強度較低、密度變異大的氣孔構造玄武巖填料的壓實質量控制方法尚未見研究成果。本文以海口市典型的氣孔構造玄武巖填料為研究對象，通過開展現場壓實試驗，然后采用灌水法測試、沉降觀測等方法對路基壓實前后的狀態進行測試，結合顆粒級配分析來探討硬質軟巖填料的壓實質量控制方法，希望本研究能深化相關技術工作者對特殊路基填料的理解。

2 路基填料和壓實工藝

2.1 氣孔狀玄武巖填料

如圖1所示氣孔狀玄武巖是取自海南省海口市的中等風化玄武巖，呈灰色、灰褐色，隱晶質結構，氣孔狀構造，主要礦物成分為斜長石、輝石和橄欖石等。裂隙稍發育，巖石材質堅硬，但樣品巖石標準試樣的飽和抗壓強度區間為21.36～29.72 MPa，屬軟質巖。

圖1 氣孔構造玄武巖

2.2 壓實設備及壓實工藝

為了研究此類巖石填料的壓實特性，開展了現場壓實試驗。考慮到玄武巖的質地、力學強度特征，根據碾壓試驗路段的測試結果及已有填石路基壓實施工經驗[12]，試驗采用靜壓及振動壓實相結合并輔以沖擊壓實的碾壓方式進行碾壓，壓實設備有18～22 t壓路機及SD30T沖擊碾壓機(最大瞬間沖擊功率30 kJ)。現場工作流程為：在現場的水文環境、地質情況勘察以及可能需要的臨時排水裝置設施安裝等項目落實后，進行現場測量放樣—填料開挖及裝運—填料逐層填筑—逐層攤鋪整平—碾壓—壓實質量檢測，并按要求在碾壓方案確定前進行碾壓試驗，依據規范要求[13]，關鍵施工控制技術要求有：①路堤填料粒徑盡量控制在400 mm以內，并不宜超過層厚的2/3。對于粒徑過大的進行二次破碎，直到滿足最大粒徑要求。②路床底面以下400 mm內，填料粒徑控制在150 mm以內，路床填料粒徑需控制在100 mm以內，填料應分層攤平，當石料性質差異性比較大時，不同性質的石料應分層分段填筑。③碾壓組合為：先靜壓2遍，然后進行弱振2遍，強振3遍，再用壓路機靜壓1遍，檢測壓實質量合格后進行沖擊碾壓施工，以進一步驗證壓實質量，壓路機運行速度為2～4 km/h。碾壓過程中同步進行沉降觀測，路基壓實現場如圖2所示。

圖2 路基壓實現場

3 壓實質量檢測

3.1 灌水法

考慮填料粒徑較大，采用灌水法進行密度試驗。根據規范要求[14]，在同一區域內整平場地，分別在壓實前后現場人工挖出直徑約為1.2 m試坑，如圖3所示。記錄壓實前后試坑中儲水質量及挖出的土體質量，即可得出試坑體積及密度，測試結果數值見表1。

圖3 灌水法現場試驗

表1 灌水法試驗結果Table1 Testresultsofirrigationmethod壓實前后灌水體積/L試坑土體質量/kg天然密度/(103kg·m-3)壓實前322.18493.921.53壓實后316.69545.131.72

3.2 沉降觀測

在碾壓過程中，同時進行路堤表面沉降觀測，以掌握路基變形特征。在各測點位置每壓實一次記錄一次測點高程，計算出同一試驗段同一斷面不同測點的平均分級沉降量及累計沉降量，選取代表性“碾壓遍數-沉降量”數據繪于圖4中。

圖4 碾壓遍數與沉降量關系

如圖4所示：隨著碾壓遍數的增加，路堤表面累計沉降逐漸增大后趨于平穩，碾壓過程中初始靜壓2遍沉降增加顯著，表明此時松鋪填料被碾壓，填料孔隙顯著減小；隨后的弱振2遍，粗粒被進一步填充，沉降差變化較穩定；緊接著進行強振3遍，強振初始分級沉降量明顯增加，此時壓實作用影響變大，部分巨粒轉為粗粒后沉降繼續發展，填料被進一步壓密，沉降量逐漸趨于穩定至最后一次強振，分級沉降變為2 mm左右。最后進行靜壓一遍，路基平整、總沉降基本不變，沉降差在2 mm以內，滿足規范要求[9-10]。

4 壓實前后的級配特征

4.1 顆粒級配變化

普通軟質巖填料在壓實過程中，總是伴隨著顆粒級配的變化，為此本研究對氣孔構造玄武巖填料碾壓前后的顆粒級配進行了測試。測試樣品為灌水法挖出的固體。逐級篩分后，記錄填料粒徑及其對應的質量，然后繪制顆粒級配曲線。如圖5所示為篩分后按粒組堆好的填料，圖6為篩分后繪制的填料顆粒級配曲線。

圖5 填料篩分現場

圖6 填料級配曲線

從圖6定性來看，碾壓前后填料的顆粒級配差異并不顯著，將各粒組整理如表2所示。

表2 填料不同組分含量Table2 Differentcomponentcontentsoffillingmaterials試驗情況細顆粒含量/%細粒組/%粗粒組/%巨粒組/%壓實前3.490.0317.8282.15壓實后2.840.0126.4073.59

從表2可知壓實后，巨粒組含量減少量約為8.56%，而粗粒組含量增加約為8.58%。將5 mm作為粗、細顆粒的分界粒徑[14]，而細顆粒填料含量并未出現大的波動。

4.2 壓實前后填料級配特征分析

無粘性填料的級配特征是決定其物理性質的關鍵因素，直到分形理論的出現，如何表征填料級配的特征一直是個難題。分形理論由MANDELBROT[15]提出，是研究不規則幾何形狀、復雜系統的有力工具[16]。分形理論在填料方面有廣泛的應用，如舒志樂[17]等通過試驗分析說明土石混合體在統計意義上具有自相似性。周榮[18]等研究了級配分形維與粗粒填料壓實特性的相關性，陳镠芬[19]等分析了粗粒土級配分形維與縮尺后顆粒級配分形維的關系并利用分形維對顆粒破碎情況進行了定量分析。1992年TYLER和WHEATCRAFT[20]從“質量-粒徑”分布角度提出可以方便計算級配分形維數的計算式(1)，為分形維的計算開辟新途徑。

(1)

式中：R為某一特征粒徑；r為粒徑小于R的任一顆粒粒徑，RL為最大粒徑；M(r

將壓實前后氣孔構造玄武巖填料的級配曲線表達成雙對數坐標形式，并在此條件下對兩個級配曲線進行線性擬合，得到填料的分形曲線如圖7所示，由此可得壓實前后填料的分形維數分別為2.132和2.201。

圖7 填料級配分形曲線

結果表明，壓實后填料的分形維雖有所提高，但提高不大。說明在壓實過程中，填料的級配結構變化不大。

5 適用壓實質量檢測方法討論

在粗粒料填筑體的壓實質量控制方法中，采用灌水法檢測路基固體體積率是一種常用的方法。如表1所示，壓實前后現場路基填料密度增加，但是要用灌水法測填料密度計算固體體積率，則還需要粗粒料本身的表觀密度。對于氣孔構造的軟質玄武巖這是困難的，因為巖石中存在大量封閉氣孔導致軟質玄武巖的密度變化很大，在極端的情況下，這類軟質玄武巖甚至可以浮在水面(此時，稱為浮石)。如圖1、圖5所示，觀察填料粒徑大小的分布及形狀特征發現，玄武巖填料有氣孔發育并且氣孔分布不均，在此情況下很難通過試驗得到該氣孔狀玄武巖填料的固體體積，因此不宜采用固體體積率控制路基填料壓實效果。所以，軟質玄武巖填料壓實質量不適合采用灌水法檢測。

雖然顆粒分析表明壓實作用主要是將少部分巨粒破碎，但是填料壓實前后分形維的穩定性表明，路基壓實過程中的沉降來自顆粒間空隙的減小，并非顆粒破碎。因此采用沉降觀測來控制壓實質量是可行的。由于顆粒結構不發生顯著變化，壓實作用多體現在令其移動到更穩定的位置，而不是將其破碎，所以每一遍壓實作用，都將使得路堤力學強度提高，直至完全穩定。壓實過程中填料逐漸穩定的過程，在變形上可以反映出來，體現為沉降觀測值趨于穩定的特征，所以對于軟質玄武巖填料，結合合適的壓實設備、施工工藝采用沉降觀測法控制其壓實質量的結果是可信的。

6 結論

氣孔構造玄武巖具有成巖材料質地堅硬、整體強度低的特點，是一種硬質軟巖，本文在現場試驗的基礎上，通過灌水法、沉降法檢測，結合壓實前后的顆粒級配測試及分形理論分析，得到以下結論：

a.基于分形理論分析表明，壓實前后分形維沒有明顯變化，因此常見的壓實機械和功能不能改變本文所研究氣孔構造玄武巖的顆粒狀態。

b.強度20～30 MPa之間的氣孔狀玄武巖填料路基的壓實質量可以結合合適的壓實設備、施工工藝，采用沉降觀測法來控制。

因此，對于氣孔構造玄武巖路堤的質量評價有效方法是沉降測量法，建議此類路堤施工中，采用沉降觀測法獲取壓實工藝參數后，嚴格按壓實工藝施工作為壓實質量控制方法。