侯超群, 王曉謀, 姜峰林

(1.長安大學 公路學院,陜西西安 710064;2.合肥工業(yè)大學 交通運輸工程學院,安徽 合肥 230009;3.廣東冶金建筑設計研究院,廣東廣州 510080)

我國是一個多山國家,山區(qū)面積(含丘陵)約占國土面積的70%;居住人口5.8億,約占全國總人口的45%。同時,山區(qū)是我國經濟發(fā)展的重要組成部分,蘊藏著豐富的生態(tài)資源,是影響河流水文情勢、旱澇災害、水土流失、水源涵養(yǎng)的重要區(qū)域[1]。因此,山區(qū)的建設和發(fā)展在我國尤顯重要。長期以來,我國山區(qū)經濟發(fā)展滯后于沿海地區(qū)和平原地區(qū),地形上的隆起區(qū)成為經濟上的低谷區(qū)。研究表明,山區(qū)道路運輸條件差、運營成本高是制約山區(qū)經濟發(fā)展的一個重要因素[2]。山區(qū)的公路運輸條件已不能適應當前社會經濟發(fā)展的需要,亟需發(fā)展山區(qū)高速公路建設,改善山區(qū)交通不便、路況差的現狀。

山區(qū)填筑路堤土源匱乏、運輸不便,同時隧道開挖產生大量的隧道棄渣以及部分路段的路塹挖方和刷坡產生的廢棄石料難以處置。因此,利用棄方石料填筑路堤既解決了上述問題,緩解公路建設對環(huán)境的壓力,也是“資源節(jié)約和環(huán)境友好”的戰(zhàn)略思想在公路工程建設中的具體體現。

柞(水)小(河)高速公路穿越秦嶺山區(qū),全線總長71.67 km,挖方約為5 419 616 m3,填方約為4 975 172 m3。如果將挖方石料用于路基填方,可達到節(jié)約投資和保護環(huán)境的雙重效益。但該地區(qū)地質環(huán)境復雜,變質巖廣布,巖質松散,風化強烈,抗侵蝕能力差。棄方石料用于填筑路堤的可行性、穩(wěn)定性是工程建設中亟待解決的問題。

1 石料的基本性質

1.1 物質組成

該路段施工開挖的巖石主要為變質巖,現場選取了3種有代表性的巖樣進行鏡下分析,初步定名這3種典型的巖樣為千枚狀含黃鐵礦片巖、千枚狀變質灰?guī)r以及千枚狀石英片巖。其礦物組成見表1所列。

表1 3種填料礦物成分的質量分數及結構描述 %

由表1可知,3種巖石礦物顆粒較小,易風化,比表面積大;云母、絹云母等片狀礦物遇水后膨脹,沿辟理面可能發(fā)生滑動;灰?guī)r遇水(酸性的水)后可能發(fā)生巖溶;黃鐵礦遇水會產生硫酸,進而腐蝕礦物中的方解石。

1.2 工程性質

容重、吸水率、單軸抗壓強度以及膨脹性等實驗數據見表2所列。

表2 巖樣室內試驗數據

實驗結果表明,3種巖樣干燥條件下強度較高,飽水后強度有所降低,軟化系數為 0.44～0.52;所取巖樣飽水后有微弱的膨脹性,這與其所含礦物有關。從巖石的強度來看,3種石料的飽和單軸抗壓強大于15 MPa,滿足填石路堤對填料強度的要求。

2 試驗方案設計

目前,公路路基多以路基壓實度和填料的CBR值作為檢驗路基強度的指標,同時也作為控制路基施工質量的重要指標。但是對于填石路基,壓實度和CBR值則不甚適用。

路基頂面的回彈模量較好地反映了路基所具有的部分彈性性質,在我國3層體系路面設計理論中是一個重要的設計參數[3]。文獻[4]已經給出了不同的自然區(qū)劃和土質的回彈模量值的推薦值。但回彈模量值會影響路面設計的厚度,所以規(guī)范建議有條件時直接測定,并將回彈模量值作為控制施工質量的一個重要指標。

為此,分別以3種石料鋪筑試驗路段,通過載荷試驗取得填石路基的回彈模量,為路面設計提供參數。同時,為反映變質軟巖浸水變形特性,將載荷加至與路堤自重相當的條件下對試驗路堤進行浸水,連續(xù)觀測試驗路堤浸水后的沉降變形,以研究其濕化變形規(guī)律。

2.1 試驗路段的修筑

采用邊坡、隧道開挖產生的棄方石料鋪筑試驗路,擬定修筑試驗路段長 50 m,寬 10 m,高2.5 m。壓實機械組合為20 t凸輪振動壓路機碾壓3遍,然后20 t光輪振動壓路機碾壓6遍。

試驗路段控制每層施工厚度40 cm,填料最大粒徑不超過15 cm。施工過程現場量測表明,壓實效果較佳,壓實后表面平整,無明顯輪跡,最終連續(xù)兩邊沉降差小于2 mm。另外,凸輪振動壓路機對某些大顆粒石料起到了破碎作用,改善了填料的級配。

2.2 承壓板的選擇

由于填料為棄方石料,粒徑較黏土、砂土大。我國工程實踐中常用30、50、75 cm 3種規(guī)格尺寸的圓形荷載板,公路土基回彈模量檢測時多用直徑30 cm圓形載荷板[5]。

由于本文工程中的填料粒徑較大(2～8 cm),為較好地反映填石路基的回彈模量,保證實驗結果的可靠性,試驗中采用直徑75 cm的大尺寸載荷板。

2.3 加載方案

試驗路段修筑完成后,根據設計填方高度選擇配重。首先檢測路基的回彈模量,采用逐級加載、卸載的方法,測出每級荷載下的回彈變形,通過計算求其回彈模量[6]。

由于文獻[5]中沒有關于直徑75 cm的大載荷板的規(guī)定,工程實踐中也鮮有這方面的經驗可供借鑒。因此,本試驗需專門制定加載等級,具體荷載分級見表3所列。

表3 荷載分級

測試過程中,加載、卸載穩(wěn)定標準以及沉降的測讀頻率參照文獻[7]。當回彈變形達到1 mm時,結束填石路基回彈模量的測試工作。該部分試驗數據可分析得到試驗段路基的回彈模量。

為模擬路堤自重,繼續(xù)加載(連續(xù)加載)直到荷載達到與路堤自重相當的壓強。該過程采用載荷試驗中慢速法的加荷方式和沉降觀測頻率。

2.4 路堤濕化變形

荷載達到與設計填土高度相當的壓強并變形穩(wěn)定后,對試驗點進行注水,保持表層存在自由水面,浸水時間不少于24 h,使試驗點處的路堤得到充分的浸濕。在承壓板邊緣對稱布置4個百分表對沉降變形進行觀測,浸水沉降變形的控制標準為連續(xù)2個12 h內的變形量不超過1 mm。

3 試驗數據分析

3.1 回彈模量

根據現場回彈模量試驗測得各級壓力下的回彈變形,路堤的回彈模量計算公式為:

其中,D=75 cm,為載荷板直徑;Pi為回彈模量試驗中的各級壓力值;Li為各級壓力Pi相應的回彈變形值。

路基的回彈模量不但是路面設計的基本參數,更是衡量路基質量的基本指標。國外用回彈模量E0和現場CBR值作為評價路基強度指標者居多。有的國家要求E0≥30 MPa,德國要求E0＞45 MPa,奧地利要求E0＞30 MPa[3]。在我國要求E0＞30 MPa,重交通、特重交通公路 E0＞30 MPa[4]。

試驗結果得到3個試驗點的路基回彈模量分別為 79、85、93 MPa,平均值為 91.7 MPa。試驗路基現場測試回彈模量值滿足規(guī)范要求。對于填石路堤,由于現場以壓實度和CBR值來檢測壓實質量不可行,可以將回彈模量作為檢測填石路基施工質量的標準。

3.2 浸水條件下變形規(guī)律

填料浸水后顆粒間受到水的潤滑,在自重及外荷作用下將重新排列,改變原來的結構使豎向變形,因此,路基長期浸水或路面開裂地表水入滲都會產生濕化變形,導致路基沉降。已有研究表明,人工填筑的堆石體、風化砂和黏性土等在浸濕條件下,都存在不同程度的濕化變形[8,9]。

現場3組浸水載荷試驗沉降-時間曲線如圖1所示。試驗結果表明,試驗路堤在荷載不變的條件下,隨著水的滲入,填料將發(fā)生濕化變形,豎向變形有增大的趨勢,但變形量不大,最大變形量不超過2.5 mm。由于3#試驗點表層石料較破碎,碾壓后在頂面形成一層滲透性低的泥質皮層,減緩了水分滲入路堤的速度,造成最大濕化變形推遲。

從石料的力學性質分析,產生上述濕化變形是石料強度軟化特性的反映。3種石料軟化系數為0.44～0.52,巖石的軟化降低了其變形模量,由此產生的濕化變形是由巖石本身的工程性質引起的。另外,水的潤滑作用降低了顆粒間的咬合作用,引起顆粒錯動,造成顆粒的重新組合,形成更加致密的結構,這部分變形是由顆粒結構重組引起的。

圖1 路基濕化變形隨時間的變化

試驗結果表明,最大濕化曲線存在不同程度的反彈,3組試驗曲線都有相同的趨勢。這表明填料在浸水濕化進程中存在膨脹變形,這部分膨脹變形達到最大濕化變形量的42%～47%。濕化變形中出現的膨脹現象反映了巖石中云母、絹云母等片狀礦物遇水后發(fā)生體脹,這是由于礦物顆粒較小、易風化、比表面積大等因素引起的膨脹變形造成的。

產生膨脹變形的另一個原因是,巖石在飽水條件下,隨著時間的延長,空隙率增加,顆粒間變得松散,結構變得疏松多孔,最后會由初始相對比較緊密、強度較高的粒狀、致密條塊狀結構轉變?yōu)槭杷啥嗫椎膱F絮狀和花瓣狀結構,顯示軟巖遇水后膨脹變形的特征。巖石浸水后,雖然彈性模量降低,但不會產生更大的壓縮應變,應變向反方向發(fā)展,即膨脹應變,其大小與壓縮應變大致相當,處于同一量級[10],這與試驗結果相吻合。

4 結 論

隨著公路建設進入山區(qū),填石路基的施工工藝、質量評定方法便成為工程中亟待解決的問題。本文通過對室內試驗和現場試驗數據的分析,得出以下結論。

(1)大直徑承載板(D=75 cm)回彈模量試驗表明:試驗路基現場測試回彈模量值平均值E0=91.7 MPa,滿足規(guī)范要求,為面層結構設計提供了參考數據,且試驗結果具有較好的一致性,建議將回彈模量作為檢測填石路基施工質量的標準。

(2)填料在浸水濕化過程中存在膨脹變形,膨脹量達最大濕化變形的42%～47%,膨脹變形的發(fā)生滯后于濕化變形。巖石含有云母、絹云母等片狀礦物,以及巖石顆粒小、比較面積大、疏松多孔是填料浸水后發(fā)生膨脹變形的主要原因。

(3)試驗路堤在荷載不變的條件下,隨著水的滲入,填料將發(fā)生濕化變形,豎向變形有增大的趨勢,但最大變形量不超過2.5 mm。巖石軟化降低了變形模量,水的潤滑作用引起的填料顆粒結構重組是造成填石路堤產生濕化變形的原因。

從巖石的強度、壓實后路基頂面的回彈模量分析,3種石料均可作為路基填料使用。鑒于石料存在遇水軟化產生濕化變形,后期還會產生反彈的膨脹變形,建議做好填石路基的放排水設計,通過隔斷水源保證路基的穩(wěn)定性。

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