红砂岩物理力学性质及其路基压实功研究

王学斌,杨建辉

(浙江科技学院 土木与建筑工程学院,杭州 310023)

红砂岩是指颜色呈红色或褐色的泥岩、砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩和粉砂岩等沉积岩,富含亲水性黏土矿物和铁质氧化物,形成年代为侏罗纪到新近纪[1-2]。红砂岩在路基工程领域应用较为广泛,将其作为路基填料主要有两种技术路径:一是崩解成红砂土后直接应用于路基填筑;二是通过添加水泥、黄土、石灰等改良剂进行改良后再应用于路基填筑。在第一种技术路径下,红砂岩经过预崩解和压实处理后,物理力学性质会发生改变。室内物理力学试验表明红砂岩路基的回弹模量和承载比会随着压实度的增大呈线性增大,路基填筑高度也会影响红砂岩压实后的强度[3-4]。同时,红砂岩路基填料的湿化轴向应变会随着应力水平和围压的增加而显著增加,轴向应变随着密度的增加而减小[5]。红砂岩遇水易崩解,崩解物的颗粒粒径和细颗粒含量也会影响红砂岩路基的力学性质,如路基的动态水压力、动弹性模量和阻尼比等[6-7]。因此红砂岩崩解物的颗粒级配参数可以作为崩解指标之一[8]。在第二种技术路径下,通过添加水泥、黄土和石灰等材料来提高红砂岩路基填料的力学性能。在干湿循环条件下,红砂岩改良土的强度和弹性模量随着水泥掺量的增加而提高,破坏形式由塑性逐渐向脆性转变[9-11]。工程应用中会将黄土与水泥配合使用,黄土能提高红砂岩改良土的内摩擦角,而水泥主要影响其黏聚力[12]。采用石灰对红砂岩路基填料进行改良也是工程中常用的方法,石灰可以提高红砂岩改良土的最大干密度和强度[13]。

红砂岩崩解后直接作为路基填料是工程中常用的方法之一,但是由于红砂岩遇水易软化,容易引发道路病害。此外,各地区红砂岩性质差异较大,需结合各地区具体工程开展物理力学试验研究。因此本研究依托G60沪昆高速公路拓宽工程浙赣界段路基工程,按崩解成红砂土后直接应用于路基填筑的技术路径开展红砂岩物理力学性质研究,同时在现场路基试验段开展红砂岩路基压实功与压实度之间关系的研究。

1 室内试验

1.1 物理性质研究

1.1.1 红砂岩矿物成分

将3组红砂岩研磨成样品颗粒度小于300目的粉末试样,利用XRD(X-ray diffraction,X射线衍射仪)进行成分分析,得到红砂岩X射线衍射光谱图,如图1所示。由图1可知,红砂岩主要的矿物成分为石英、高岭石、蒙脱石和伊利石等。其化学成分以SiO2为主,质量分数为61.3%,除此之外,Al2O3质量分数为12.36%,Fe2O3为6.21%,CaO为2.3%。蒙脱石和伊利石亲水性强,是导致红砂岩极易崩解的主要原因。

图1 红砂岩X射线衍射光谱图

1.1.2 干湿循环条件下红砂岩的耐崩解特性

依据GB/T 50123—2019 《土工试验方法标准》[14]和文献[15-17]开展试验研究。将红砂岩制作成45～60 g的浑圆块状,放入烘箱中以105 ℃的温度烘干至恒重,考虑红砂岩极易崩解的性质,冷却至室温后进行1 min遇水耐崩解试验,定义为1次干湿循环耐崩解试验。循环次数N根据红砂岩的崩解情况而定,完全崩解视作循环结束。计算每次干湿循环耐崩解试验的质量损失率,并将其定义为1 min耐崩解指数。

共进行8组试验,各组均进行3次试验,红砂岩原岩和3次干湿循环耐崩解试验后的岩块状态如图2所示。由图2可知,试块在第1次干湿循环耐崩解试验后仍然保持着块状结构,但在第2次干湿循环耐崩解试验后已经没有成块的试样,最终在第3次干湿循环耐崩解试验中完全崩解。红砂岩1 min耐崩解指数见表1。由表1可知,红砂岩第1次、第2次和第3次干湿循环1 min耐崩解指数约为64.68%、13.71%和0.82%,这说明红砂岩的耐崩解能力极低。3次干湿循环耐崩解试验崩解掉的部分分别为原岩质量的35.12%、51.17%、12.89%,可见第2次干湿循环耐崩解试验的崩解程度最大。其原因是红砂岩在第1次干湿循环耐崩解试验后,尚未崩解的岩块吸收了大量的水分,在进行第2次干湿循环耐崩解试验前对岩块再次烘干,在这一过程中红砂岩内的水分被加热蒸发会进一步扩张空隙,红砂岩岩块的吸水能力大于第1次干湿循环耐崩解试验,导致其崩解程度增大。

图2 红砂岩原岩和3次干湿循环耐崩解试验后的岩块状态

表1 红砂岩1 min耐崩解指数

1.1.3 级配分析

对各次干湿循环耐崩解试验后筛出的红砂岩碎屑进行了筛分试验,筛出部分颗粒级配曲线如图3所示。由图3可知,红砂岩以粒径小于1.25 mm的颗粒为主,占整体的95%以上,3组试样的不均匀系数Cu分别为2.7、3.6、3.2,曲率系数Cc分别为1.27、1.11、0.86。将筛出的红砂岩颗粒进行静水崩解试验,可以得到静水崩解后的颗粒级配曲线,如图4所示。由图4可知,静水崩解后的红砂岩颗粒并未发生较大的改变,其不均匀系数Cu分别为3、3.49、3.53,曲率系数Cc分别为1.42、1.11、0.80,与静水崩解前相近,这说明该地区的红砂岩崩解至颗粒小于1.25 mm后其崩解性基本上消除,因此可以认为消解完成。

图3 筛出部分颗粒级配曲线

图4 筛出部分静水崩解后的颗粒级配曲线

1.1.4 最佳含水率与最大干密度

将红砂岩完全崩解形成的红砂土采用重型击实仪进行击实试验,依据JTG 3430—2020 《公路土工试验规程》[18]要求采用干法制样,按6%、8%、10%、12%、14%共5种含水率加水拌和均匀,分层击实,每层各击98次,击实完成后烘干,测量烘干前后的质量,共进行5组试验。根据试验结果得到红砂土击实曲线,如图5所示,通过拟合曲线可计算得到红砂土的最优含水率为10.3%,最大干密度为1.87 g/cm3。

图5 红砂土击实曲线

1.1.5 微观结构研究

采用SEM(scanning electron microscope,扫描电子显微镜)开展最优含水率下击实试块微观结构研究,并和原岩的微观结构进行对比。红砂岩原岩与最优含水率下击实试块的SEM图像(1 000倍)对比如图6所示。由图6可知,原岩内部颗粒光滑,颗粒间存在大量孔隙,且原岩内部颗粒自身存在大量裂隙。击实的试块相比原岩颗粒分布更均匀,连续性好,颗粒表面粗糙,呈现锯齿状,孔隙较少,且孔隙内附着有更细小的红砂岩颗粒,这些细小的颗粒将大颗粒黏结在一起,使强度和稳定性都得到了提高。

图6 红砂岩原岩与最优含水率下击实试块的SEM图像(1 000倍)对比

1.2 抗剪强度研究

为研究红砂岩消解形成的红砂土压实后的抗剪强度,将其按最优含水率(10.3%)制成土样,并分5层击实,制备尺寸为高80 mm、直径39.1 mm及干密度为1.87 g/cm3(±0.02 g/cm3)的圆柱体试样。进行4组三轴固结不排水试验,分别施加50、75、100、125 kPa有效围压进行K0固结,采用动三轴仪自带的K0固结模块进行非等向固结,每组3个试样。以0.08%/min的剪切速率进行标准三轴剪切试验,试样轴向应变达到20%时终止试验,红砂土三轴固结不排水剪切试验方案见表2。

表2 红砂土三轴固结不排水剪切试验方案

不同有效围压下3个试件中抗剪强度居中的红砂土试样主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1的关系曲线如图7所示。由图7可知:曲线初始阶段大致上为直线;当应变达到2%左右时,应力-应变曲线开始表现出非线性,随后进入弹塑性强化阶段;应变达到10%～15%时(σ1-σ3)达到峰值。

图7 主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1的关系曲线

根据摩尔-库仑准则,可得不同围压条件下试件莫尔圆的端点坐标(其中(σ1+σ3)f/2为横坐标;(σ1-σ3)f/2为纵坐标),并绘制Kf强度线及强度指标,如图8所示。由图8可知压实红砂土的黏聚力c为22.39 kPa,内摩擦角φ为31.95°,与其他土体相比属于强度较高的土体,这说明红砂岩崩解后再压实具备了较高的强度。

图8 Kf强度线及强度指标

2 红砂岩路基压实功研究

2.1 智能压实设备

现场压实功研究需利用智能压实设备采集压实轨迹、压实速度等相关数据,智能压实设备具有实时压实引导、压实遍数显示及统计、轨迹监控、速度监控、压实报告输出等功能,其核心技术是压实相关信息的采集、分析和传递,智能压实系统[19]如图9所示。该系统通过压路机上的外置摄像头、实时动态测量技术系统(real-time kinematic,RTK)、压路机内置的GPS定位系统,采集压路机的行进速度、压路机钢轮的角速度、压实面积、压实遍数,并将采集到的数据传输至服务器。服务器接收到这些数据后分析压路机所做的压实功、压实轨迹,并根据这些数据进一步分析生成压实报告,再将这些数据反馈至客户端,由此技术员可以判断压路机行进速度、压路机前进轨迹等参数是否需要调控,以监控路基压实情况。

图9 智能压实系统

理论上压实相同体积的路基所需要的能量是一定的,因此当土体含水率、填土厚度、压实轨迹等因素相同时,可通过压路机所做的压实功来判断路基压实情况。

2.2 压实功计算方法

G60沪昆高速公路改扩建工程使用了XS263J型振动压路机,图10为压路机钢轮工作原理示意图。图10中:M0为中钢轮质量;m0为偏心体质量;e0为偏心距;ω0为角速度;Fd为偏心转子产生的激振力;A0为钢轮的振幅;f为振动频率;v为压路机行驶速度;s为压路机行驶的距离。

图10 压路机钢轮工作原理示意图

装配在压路机上的GPS定位系统和外置摄像头能够实时监测压路机的运动轨迹、行驶速度v、压实距离s。根据压路机钢轮的运动方程,可得偏心转子产生的激振力[20]。

(1)

理想情况下振动压路机行进单位距离的压实功如下:

(2)

2.3 压实功与压实度关系分析

XS263J型振动压路机部分参数见表3。为了简化压实功和路基压实度关系的研究,将式(2)中的振动频率f设定为27 Hz,振幅A0设定为1.9 mm,激振力Fd设定为405 kN。将行驶速度取1.8、2.7、3.6 km/h,每种速度下碾压8遍,碾压长度为10 m。试验中除压实速度不同外,其他工况因素都保持一致,包括含水率、填土厚度、压实轨迹等,并且还在试验前进行了预压以确保初始的压实度一致。

表3 XS263J型振动压路机部分参数

假定压路机处于理想状态,在同一行驶速度下压实功恒定,根据式(2)可得3种速度下的行驶单位距离压实功W1、W2、W3分别为41.553、27.702、20.776 kJ。每次压实结束后用灌砂法对路基进行压实度检测,各行驶速度下压实度与压实遍数的关系曲线如图11所示。由图11可知,随着压实遍数的增加,路基压实度增大,不同速度下的压实度逐渐趋于一致;在遍数少时增加较快,遍数多时增加幅度趋缓;压实遍数相同时速度越慢压实度越大。

图11 压实遍数与压实度关系曲线

由于压实功和压实遍数成正比,因此由图11可得到不同速度下压实度与压实功的关系曲线,如图12所示。由图12可知,不同压实速度下的压实度与压实功关系曲线分布基本上接近,这说明尽管压实速度不同,但在同一压实功情况下压实度相差不大,因此可用压实功来判断路基压实度情况。根据图12中各速度下的坐标点拟合得到红砂岩路基压实功与压实度的关系曲线,如图13所示。由图13可知,压实功与压实度呈指数相关,基于此可得到红砂岩路基压实功与压实度K的关系函数方程:

图12 不同速度下压实度与压实功的关系曲线

图13 压实功与压实度的关系曲线

K=97.5-17×0.98W。

(3)

该试验段路基压实度要求达到95%以上,则通过式(3)可计算出单位距离路基所需的压实功约为140 kJ。因此在施工过程中控制单位距离路基压实功达到140 kJ以上,就可以初步确保压实效果达到设计要求。

2.4 现场试验段路基质量检测

对该试验段红砂岩路基进行压实,并对路基进行加州承载比(California bearing ratio,CBR)强度检测。依据JTG/T 3610—2019 《公路路基施工技术规范》[21],高速公路路基CBR值不小于8%。检测结果CBR-干密度曲线如图14所示,现场试验段路基CBR值为13.6%的强度,这符合该项目的设计要求,因此将红砂岩应用于路基填筑,并通过压实功检测压实度的方法是可行的。

图14 CBR-干密度曲线

3 结 论

通过室内干湿循环耐崩解试验、击实试验、SEM扫描试验、标准三轴剪切试验,并结合G60沪昆高速公路金华互通至浙赣界段TJ04标段试验段路基开展红砂岩路基压实功研究,可得出以下结论:

1) 该地区的红砂岩极易崩解,水活性极强。将红砂岩崩解至超过95%的颗粒小于1.25 mm粒径时,便趋于稳定,不易破碎,因此可将该值视为红砂岩消解完成的参考标准。

2) 通过室内试验得到了崩解后的红砂岩的最优含水率为10.3%,最大干密度为1.87 g/cm3,此时其黏聚力c为22.39 kPa,内摩擦角φ为31.95°,具备了较高的强度,可以作为路基填料。

3) 现场试验表明,在填料含水率、填土厚度、压实路径等完全相同的工况下可以用压实功来判断路基压实度情况,并得到了红砂岩路基压实功与压实度指数函数关系方程。试验段红砂岩单位距离路基压实功达到140 kJ后,压实度可达95%。

4) 试验段路基CBR检测结果表明,路基强度满足设计要求,说明红砂岩消解处理后可以作为路基填料使用,在同一工况下通过压实功判断路基压实度的方法是可行的,本工程案例可为其他路基工程压实度检测方面提供技术参考。