錢葉琳,劉曉義,2
(1.安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,安徽 合肥230031;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州510000)
全風(fēng)化花崗巖廣泛分布于我國(guó)的華東、華南及中南地區(qū),具有黏結(jié)力小、結(jié)構(gòu)松散、承載力低、液塑限高、抗變形穩(wěn)定性及水穩(wěn)性均較差等工程特性[1]。由文獻(xiàn)[2]的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)可知,直接用全風(fēng)化花崗巖填筑的路基,彎沉值較大,與規(guī)范要求的彎沉值相差甚遠(yuǎn),所以全風(fēng)化花崗巖不宜直接用作路基填料,必須采取措施提高路基的強(qiáng)度,以便降低路基的彎沉值。傳統(tǒng)的提高全分化花崗巖路基強(qiáng)度的方法有向填料中摻拌石灰或水泥等化學(xué)改良法[3~6],改良效果較明顯,但成本高,且易造成環(huán)境污染。
近年來(lái),隨著人們對(duì)粗粒土認(rèn)識(shí)的加深,成本低廉且環(huán)保的物理改良法被提出。本文結(jié)合G318 青陽(yáng)段(五星—清泉嶺)改建工程項(xiàng)目的全風(fēng)化花崗巖物理改良路基填料來(lái)研究這種混合料的強(qiáng)度特性。
G318 青陽(yáng)段(五星—清泉嶺)改建工程項(xiàng)目位于安徽省池州市青陽(yáng)縣縣城南部新城區(qū),蓉城鎮(zhèn)境內(nèi)。線路全長(zhǎng)8.59km,設(shè)計(jì)公路等級(jí)為一級(jí)公路,兼具城市道路功能,設(shè)計(jì)行車速度為60km/h,路基寬度為50m。線路全線地貌均為丘陵地貌,分布著大量的全風(fēng)化花崗巖,風(fēng)化層厚度較大,呈灰黃色、褐黃色夾灰白色礦物斑點(diǎn),硬塑~堅(jiān)硬土狀、砂土狀。此項(xiàng)目所采取的物理改良方法是向全風(fēng)化花崗巖填料中摻入60%的碎石土,從而使其級(jí)配特性轉(zhuǎn)變?yōu)榇至M?。本文以這種摻拌料為研究對(duì)象,研究物理改良全風(fēng)化花崗巖的工程特性及改良效果,為在此類地區(qū)建設(shè)類似工程和更高標(biāo)準(zhǔn)的公路中填料的選擇及改良提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。
依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[7],采用方孔篩分法對(duì)取自施工現(xiàn)場(chǎng)的摻拌料試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn),得出試驗(yàn)填料的級(jí)配參數(shù)如表1所示。
表1 摻拌料的級(jí)配參數(shù)
由表1 可以看出,此摻拌料的黏粒含量為4.1%,小于黏性界限標(biāo)準(zhǔn)5%,可判斷此種摻拌料填料為無(wú)黏性粗粒土。
由文獻(xiàn)[7]可知,粗顆粒含量是指摻拌料中大于5mm 的顆粒占總質(zhì)量的百分比,以P5來(lái)表示。并認(rèn)為當(dāng)P5≈70%時(shí)填料的工程特性最好,此時(shí)填料中的粗顆粒可以形成完整的骨架,而細(xì)顆粒恰好可以填滿孔隙,填料的干密度較大,沉降變形小,抗剪強(qiáng)度高。由表1可知,該種摻拌料填料的粗顆粒含量P5為60.43%,表明其粗細(xì)顆粒含量相對(duì)較均勻。由擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得該種摻拌料填料的最大干密度為2.28g/cm3,最佳含水量為6.3%。
全風(fēng)化花崗巖具有級(jí)配單一、黏粒含量極少、較低的黏結(jié)性和塑性及浸水震動(dòng)后易液化等特征[3]。用全風(fēng)化花崗巖直接填筑的路基其結(jié)構(gòu)形式為顆粒懸浮型,壓實(shí)需要的能量較大,壓實(shí)難度也大,且極易松散。而碎石土(取自開挖出來(lái)經(jīng)破碎過的中風(fēng)化和微風(fēng)化的花崗巖)其顆粒組成幾乎均為粗顆粒,用這種破碎過的碎石土填筑路基,可以形成良好的骨架,但因其缺乏細(xì)顆粒,骨架的孔隙無(wú)法填充,其結(jié)構(gòu)形式為骨架孔隙型。
這兩種土料均不適合單獨(dú)用來(lái)填筑路基,但是將兩者按照一定的比例摻拌到一起,既可以形成粗粒骨架,細(xì)顆粒又能填充滿孔隙,從結(jié)構(gòu)形式來(lái)看,這是一種非常完美的結(jié)構(gòu)形式。由文獻(xiàn)[8]可知,這種結(jié)構(gòu)具有透水性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、壓實(shí)密度大、沉降變形小的特點(diǎn),具有優(yōu)良的工程特性。該物理改良全風(fēng)化花崗巖路基填料的原理便是據(jù)此得來(lái)。
本研究是針對(duì)G318 青陽(yáng)段(五星—清泉嶺)改建工程項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施的改良材料進(jìn)行強(qiáng)度特性研究,在物理改良之前已經(jīng)通過室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)確定了施工摻配比,即以此摻配比摻拌的填料經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn),其各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。因此,本研究的目的是了解該種填料的抗剪強(qiáng)度特性,進(jìn)一步研究含水率、壓實(shí)度及最大粒徑對(duì)該種混合料強(qiáng)度的影響,以此為施工提供參考。
進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn),采用的是應(yīng)變控制式大型直剪儀,剪切盒為立方體型,其尺寸為:300mm×300mm×300mm。此直剪儀適用于最大粒徑為60mm的試樣。當(dāng)采用大型直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí),由于取原狀土樣試驗(yàn)比較困難,所以一般都采用擾動(dòng)土樣。
本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水快剪(固結(jié)快剪)試驗(yàn),即固結(jié)后再快速施加水平剪力,并在3~5min內(nèi)將土樣剪損,測(cè)求土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ值。
本試驗(yàn)是先測(cè)定在最佳含水量情況下、壓實(shí)度分別為0.93 和0.96 時(shí)的抗剪強(qiáng)度;然后在相同條件下,向剪切盒內(nèi)注水使試樣飽和,再測(cè)定飽和狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 摻拌料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)
從表2中可以看出,此種摻拌料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)表現(xiàn)出的特點(diǎn)為:黏聚力均較小,內(nèi)摩擦角均較大。即便在飽和時(shí),其內(nèi)摩擦角φ 都大于30°,這說明該種摻拌料具有較好的抗剪強(qiáng)度特性。
對(duì)于粗粒土來(lái)說,因其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的黏聚力c值非常小,對(duì)于抗剪強(qiáng)度來(lái)說,其影響并不大,因此可僅用內(nèi)摩擦角φ值來(lái)代表土樣的抗剪強(qiáng)度。含水率對(duì)摻拌填料抗剪強(qiáng)度的影響如圖1所示。
由圖1可以看出,對(duì)于該種摻拌料,其抗剪強(qiáng)度φ隨著含水率的增大呈減小的趨勢(shì)。
表3 列出了抗剪強(qiáng)度φ 隨含水率變化的變化率。
表3 抗剪強(qiáng)度隨含水率變化的變化率
由表3可知,當(dāng)含水率從0增至6.3%時(shí),抗剪強(qiáng)度φ僅減小了5.3%,這說明在最佳含水量狀態(tài)下填筑路基,既可以得到較好的壓實(shí)效果,填料的強(qiáng)度也不會(huì)受到多少影響,這驗(yàn)證了路基填筑應(yīng)在最佳含水量時(shí)進(jìn)行填筑。從圖1還可以看出,在最佳含水量左右3個(gè)百分點(diǎn)范圍內(nèi),填料的強(qiáng)度變化范圍并不大,這也說明在施工時(shí),可以適當(dāng)放寬填料的含水率要求。眾所周知,皖南地區(qū)屬于江南濕潤(rùn)多雨氣候,填料含水率的放寬對(duì)于該種條件下加快施工進(jìn)度非常有利。
圖1 抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化曲線
當(dāng)填料的含水率從6.3%增至16.9%(飽和)時(shí),其抗剪強(qiáng)度φ有一定程度的減小,填料的含水率從干燥增至飽和時(shí),其抗剪強(qiáng)度φ的減小幅度約為1/4。這說明當(dāng)填料處于飽和時(shí),其抗剪強(qiáng)度將受到影響,從而影響整個(gè)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此在施工中,一定要注意嚴(yán)防路基受水浸泡,已完成的路基要做好排水、防滲措施;對(duì)于正在填筑的路基,待大雨過后,一定要晾曬徹底,方可進(jìn)行上層填筑,同時(shí)每壓完一層都要做好排水工作,防止突降大雨浸泡填筑層。
由表3還可以看出,隨著壓實(shí)系數(shù)的增大,抗剪強(qiáng)度φ的變化率呈減小的趨勢(shì),即對(duì)水的敏感性在降低,這說明壓實(shí)系數(shù)的增大可以增強(qiáng)填料的水穩(wěn)定性,同時(shí)說明該種填料的水穩(wěn)定性良好。這對(duì)施工的意義在于:當(dāng)遇到線路上某個(gè)區(qū)域地基存在軟基或地基承載力不強(qiáng)時(shí),應(yīng)當(dāng)增大此區(qū)域填土的壓實(shí)度,以減小此區(qū)域同相鄰區(qū)域的不均勻沉降。
壓實(shí)系數(shù)對(duì)摻拌料抗剪強(qiáng)度的影響如圖2 所示??梢钥闯觯瑹o(wú)論填料的含水率如何,其抗剪強(qiáng)度φ隨著壓實(shí)系數(shù)的增大也呈增大的趨勢(shì)。
圖2 抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)系數(shù)的變化曲線
由表4 可以看出,當(dāng)壓實(shí)系數(shù)由0.93 增大至0.96時(shí),無(wú)論在何種含水率狀態(tài),摻拌料的抗剪強(qiáng)度變化率均在20%左右。這一方面說明了增大壓實(shí)系數(shù)可以增大路基強(qiáng)度,另一方面說明該種摻拌料具有一定的水穩(wěn)定性,同時(shí)證明了直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果是準(zhǔn)確的。
表4 抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)系數(shù)變化的變化率
眾多學(xué)者認(rèn)為,在同等條件下,最大粒徑越大,抗剪強(qiáng)度φ越大。文獻(xiàn)[9]也得出強(qiáng)度指標(biāo)隨最大粒徑的增大而增大的結(jié)論。但是需要指出的是:最大粒徑的影響是有限的,最大粒徑對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響還與粗顆粒含量P5在混合料中占的比例有關(guān)。當(dāng)粗顆粒含量小于30%時(shí),混合料的結(jié)構(gòu)為懸浮密實(shí)型,此時(shí)即使有少量的大粒徑顆粒存在,對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響也不大,因?yàn)閷?duì)于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)而言,其抗剪強(qiáng)度主要來(lái)自于顆粒之間的摩擦力。當(dāng)粗顆粒含量在30%~70%時(shí),混合料的結(jié)構(gòu)由懸浮密實(shí)型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌苊軐?shí)型,此時(shí)的抗剪強(qiáng)度除了顆粒之間的摩擦力外,還出現(xiàn)了一種新的力——咬合力,咬合力在角礫土中發(fā)揮的作用更大。文獻(xiàn)[8]指出,當(dāng)混合料中粗顆粒含量P5約為70%時(shí),混合料的結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳骨架密實(shí)狀態(tài);當(dāng)混合料中粗顆粒含量P5大于70%時(shí),骨架中的孔隙缺乏細(xì)料填滿,混合料的結(jié)構(gòu)成了骨架孔隙結(jié)構(gòu),其抗剪強(qiáng)度反而降低。因此,最大粒徑不可單獨(dú)作為混合料強(qiáng)度的影響因素。在施工中,摻拌料的最大粒徑按照規(guī)范的規(guī)定控制即可,過大粒徑的大顆粒的存在對(duì)填料壓實(shí)不利。
本文通過大型直剪試驗(yàn)探索了某全風(fēng)化花崗巖物理改良路基填料的抗剪強(qiáng)度特性,試驗(yàn)結(jié)果表明:
(1)該改良料具有較好的抗剪強(qiáng)度特性,表現(xiàn)為黏聚力c均較小,內(nèi)摩擦角φ均較大;
(2)改良料的抗剪強(qiáng)度φ隨著含水率的增大呈減小的趨勢(shì),含水率從0增大到最佳含水率時(shí),抗剪強(qiáng)度φ的減小程度較小,施工時(shí)可以放寬填料含水率3個(gè)百分點(diǎn)進(jìn)行填筑;
(3)當(dāng)改良料飽和時(shí),其抗剪強(qiáng)度φ將受到一定影響,從而對(duì)路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成一定影響,因此施工中一定要做好排水、防滲措施,嚴(yán)防路基受水浸泡;
(4)改良料的抗剪強(qiáng)度φ隨著壓實(shí)系數(shù)的增大呈增大的趨勢(shì),壓實(shí)系數(shù)的增大可以增強(qiáng)填料的水穩(wěn)定性;
(5)最大粒徑對(duì)改良料強(qiáng)度的影響是有限的,對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響與粗顆粒含量P5在混合料中占的比例有關(guān),不可單獨(dú)作為混合料強(qiáng)度的影響因素。
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