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        福建省永安市風(fēng)化砂巖路基填料的路用性能

        2022-03-08 12:02:42何瑞冰

        何瑞冰

        (黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,福建 泉州 362000)

        路基深挖高填在山區(qū)道路的修筑中非常普遍,因此在山區(qū)修筑路基時,對填料需求量大,同時運輸成本高。在福建省永安市的道路建設(shè)中,爆破產(chǎn)生大量風(fēng)化砂巖,若能就地取材,用于當(dāng)?shù)氐缆仿坊钪?,將降低工程成本,有效保護環(huán)境。已有的大量研究表明:相較于其他路基填料、填石,風(fēng)化巖填料的強度低,穩(wěn)定性差[1-2]。王甲飛等[3]在研究千枚巖路用性能時發(fā)現(xiàn)風(fēng)化千枚巖路基填料的路用性能受風(fēng)化程度影響較大,隨著風(fēng)化程度升高,其強度與穩(wěn)定性均大幅度降低。李燕[4]在研究風(fēng)化石灰?guī)r路基填料的壓實性能時發(fā)現(xiàn),風(fēng)化巖經(jīng)過充分壓實可以有效改善顆粒級配情況,保證足夠的壓實度。徐天明[5]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)河南山區(qū)風(fēng)化砂巖的穩(wěn)定性和強度均良好,無明顯的膨脹,可用于路基填筑。Miscevic等[6]在研究風(fēng)化填料的工程特性時發(fā)現(xiàn),風(fēng)化填料在荷載的作用下,部分填料產(chǎn)生破碎,填充進(jìn)顆粒骨架,導(dǎo)致路基不均勻沉降。張建華[7]通過FLAC3D軟件模擬路基施工中的分層填筑,發(fā)現(xiàn)地基沉降最大的地方是路基中心處,且沉降值受到填土干密度、彈性模量和泊松比影響。Mestat等[8-15]認(rèn)為通過FLAC3D模擬路基在施工過程中的變形特征,能有效指導(dǎo)選用合適的路基填料。目前針對風(fēng)化砂巖路用性能的研究較少,且不同地域、不同風(fēng)化程度等因素,都會影響風(fēng)化砂巖的工程性能。因此,探究風(fēng)化砂巖填料的路用性能,能有效指導(dǎo)福建省永安市路基填筑與環(huán)境保護。

        1 原材料風(fēng)化程度判定

        材料取自福建省永安市北部FC市政道路工程,該路段屬205國道復(fù)線,道路全長910.038 m,項目按照城市主干道設(shè)計,行車速度40 km/h。依據(jù)項目鉆探發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的巖體主要有三種不同風(fēng)化程度的砂巖,分別為:黃褐色的碎塊狀強風(fēng)化砂巖,巖石破碎,風(fēng)化裂隙很發(fā)育;灰黃色的中風(fēng)化砂巖,巖石破碎,風(fēng)化裂隙發(fā)育;灰白色微風(fēng)化砂巖,巖石較完整,有少量風(fēng)化裂隙。每種風(fēng)化程度的砂巖取樣后,按照《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程》(DZ/T 0276—2015)測定其顆粒密度、含水率等物理性質(zhì);按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)對風(fēng)化砂巖填料進(jìn)行顆粒分析、擊實試驗等。通過全面的室內(nèi)試驗分析,評估風(fēng)化砂巖的路用性能。

        2 風(fēng)化砂巖物理力學(xué)性質(zhì)

        2.1 物理性質(zhì)

        取樣后在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)結(jié)構(gòu)試驗室和黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院完成物理力學(xué)試驗。由于強風(fēng)化砂巖呈碎塊狀,制樣時,強風(fēng)化砂巖打磨成邊長為50 mm的立方體試件,中風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖按照《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41—2005)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件制作。測試塊體密度時采用量積法,共準(zhǔn)備6個試件。將試件置于105 ℃的烘箱中放置24 h,再取出放置于干燥器中冷卻至室溫,稱量并計算塊體密度。顆粒密度則采用密度瓶法進(jìn)行測定,再由塊體密度和顆粒密度計算得出風(fēng)化砂巖的孔隙率。含水率和吸水率的指標(biāo)由烘干法和天然吸水率試驗得到。風(fēng)化砂巖的物理性質(zhì)測試結(jié)果見表1。

        表1 砂巖的基本物理指標(biāo)

        如表1所示,隨著風(fēng)化程度的提高,塊體密度下降,而含水率逐步增大。這是由于風(fēng)化程度的提高伴隨著巖石破碎程度和風(fēng)化裂隙發(fā)育程度的提高,裂隙增多導(dǎo)致吸水率增加,密度降低。

        2.2 力學(xué)性質(zhì)

        抗壓強度是體現(xiàn)巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。強風(fēng)化砂巖的鉆孔巖芯破碎,采用點荷載試驗在現(xiàn)場完成試驗。中風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖可制成標(biāo)準(zhǔn)試件后采用壓力機進(jìn)行單軸抗壓強度測試,試驗設(shè)置以0.5 MPa/s的速率進(jìn)行加載,直至試件破壞,記錄試件破壞時的荷載并計算單軸抗壓強度,試驗結(jié)果見表2、3。

        表2 點荷載試驗結(jié)果

        表3 單軸抗壓強度測試結(jié)果

        根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50218—2014)對巖石堅硬程度定性劃分的標(biāo)準(zhǔn)可知:微風(fēng)化砂巖的平均飽和單軸抗壓強度值>50 MPa,屬于堅硬巖;中風(fēng)化砂巖的平均飽和單軸抗壓強度值為30~60 MPa,屬于較硬巖;強風(fēng)化砂巖的平均飽和單軸抗壓強度值為15~30 MPa,屬于較軟巖。

        3 風(fēng)化砂巖路基填料工程特性

        3.1 級配組成

        試驗所采用的風(fēng)化砂巖填料是由爆破所得,需對材料中的大粒徑進(jìn)行破碎,再從破碎后的填料中隨機選取試樣進(jìn)行篩分試驗,并注意在篩分過程中保證填料的干燥狀態(tài)。完成顆粒分析試驗,繪制不同風(fēng)化程度砂巖樣本的顆粒曲線圖(見圖1),并計算得出風(fēng)化砂巖填料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)(見表4)。

        圖1 顆粒分析試驗結(jié)果

        表4 風(fēng)化砂巖的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)

        由試驗結(jié)果可知:強風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖的不均勻系數(shù)大于10,級配良好;微風(fēng)化砂巖的級配不良。

        3.2 壓實特性

        依據(jù)圖1顆粒分析試驗結(jié)果,取不同風(fēng)化程度的砂巖填料,每種風(fēng)化程度制作5個試件,并分別按照3%、4%、5%、6%、7%和8%加水悶料,選用4.5 kg擊錘完成擊實試驗(Ⅱ-2)。擊實試驗結(jié)果如圖2所示,中風(fēng)化砂巖的最大干密度值最大。

        圖2 擊實試驗結(jié)果

        相較于強風(fēng)化山巖,中風(fēng)化砂巖的風(fēng)化程度較低,故密度大、孔隙小。微風(fēng)化砂巖由于風(fēng)化程度最低,抵抗破碎能力較強,過多的粗顆粒擠密形成骨架孔隙結(jié)構(gòu),所以最大干密度值較小。此外,在擊實過程中,風(fēng)化程度越高的砂巖,破碎率越高,其中強風(fēng)化砂巖的破碎率達(dá)到43%。

        3.3 承載比試驗

        選取不同風(fēng)化程度的砂巖制樣,按照每層擊實數(shù)為30、50、98,完成重型擊實試驗。擊實試驗后,將試樣浸水,記錄CBR(加州承載比)值隨浸水時間變化情況,試驗結(jié)果如圖3、4、5所示。

        圖3 擊實次數(shù)為30時浸水時間與CBR值關(guān)系圖

        圖4 擊實次數(shù)為50時浸水時間與CBR值關(guān)系圖

        圖5 擊實次數(shù)為98時浸水時間與CBR值關(guān)系圖

        不同風(fēng)化程度的砂巖在標(biāo)準(zhǔn)重型擊實試驗中得到的CBR值均符合《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)的要求。當(dāng)每層擊數(shù)為30~50時,風(fēng)化程度低的砂巖,抗擊能力較強。當(dāng)每層擊數(shù)達(dá)到98時,細(xì)顆粒填充進(jìn)粗顆粒形成的骨架,CBR值增大。尤其是粗顆粒含量較大的中、微風(fēng)化砂巖,CBR值增大的程度較大。此外,當(dāng)擊實數(shù)為30時,填料壓實不充分,CBR值在浸水時間增加時有明顯下降趨勢,隨著時間的增加,強、中、微風(fēng)化砂巖的CBR值分別下降27.46%、22.35%、29.83%。當(dāng)每層擊數(shù)為50時,浸水時間的增長對CBR值降低的影響逐漸減小。當(dāng)每層擊數(shù)增加到98時,不同風(fēng)化程度砂巖的CBR值均無明顯降低,浸水作用對其承載比無明顯影響。試驗結(jié)果說明,不同風(fēng)化程度的砂巖水穩(wěn)定性均良好,要保證風(fēng)化砂巖路基的強度和穩(wěn)定性,需保證擊實強度,才能有良好的路用性能。

        4 基于FLAC3D軟件的路基沉降模擬及穩(wěn)定性

        4.1 有限元模型的建立及賦值

        通過工程資料及現(xiàn)場情況調(diào)查,選取樁號K0+029.520位置處的橫截面,并作簡化處理,得出計算模型,如圖6。

        圖6 K0+029.520橫斷面(單位:m)

        地基高度為20 m,寬度為50 m,路基坡頂處寬度為20 m,坡度為1 ∶1.5從下而上用不同色度進(jìn)行分組(group),分別為粉質(zhì)黏土層、填土層和填料層。使用Generate命令,采用六面體實體單元(brick)分別建立地基和路基的初始有限差網(wǎng)格,并在高度為20 m(z=20 m)的平面上使用“Attach”命令建立地基與路基的交界面(見圖7)。

        圖7 網(wǎng)格劃分及建立交界面

        采用的本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型,該模型可用于土體及巖體在剪切作用時的力學(xué)響應(yīng),且所需參數(shù)較少,能有效提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。摩爾-庫侖模型使用時需賦予相應(yīng)的材料參數(shù)(見表5)。

        表5 摩爾-庫侖模型所需基本參數(shù)

        其中,粘聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比為室內(nèi)試驗得到,體積模量和剪切模量是由彈性模量和泊松比計算所得,計算公式為

        (1)

        (2)

        式(1)、(2)中:K為體積模量;G為剪切模量;E為彈性模量;υ為泊松比。

        模型將受到土體重力作用,因此需計算地基的初始平衡力。模擬地基初始位移時,對地基部分的填土層和粉質(zhì)黏土層分別賦予摩爾-庫侖模型及相應(yīng)參數(shù),對路基部分賦予空模型(model null),確保路基部分的網(wǎng)格不參與初始應(yīng)力應(yīng)變的計算。同時通過“fix”命令設(shè)定邊界條件,約束地基沿x軸方向的速度。最終計算得到自重下路基沉降云圖(見圖8)。

        圖8 Z方向初始位移云圖

        使用“initial”命令,將自重下的地基位移歸零,保留初始地基應(yīng)力,確保能更加直觀地觀察到填筑施工時,填料對地基應(yīng)力應(yīng)變的影響。

        4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

        路基的沉降變形包括施工階段沉降和工后沉降,其中施工階段的沉降較快。通過FLAC3D軟件模擬不同風(fēng)化程度的砂巖在路基填筑施工階段的沉降情況,采用分層填筑的方式模擬施工過程,每次填筑高度為1 m,并對該部分模型賦予相應(yīng)參數(shù),每層填筑完畢都需進(jìn)行位移計算,施工完成后的沉降情況如圖9、10、11所示。

        圖10 中風(fēng)化砂巖路基沉降云圖

        圖11 微風(fēng)化砂巖路基沉降云圖

        由圖9、10、11可知:

        (1)隨著風(fēng)化程度的增加,路基的沉降值逐漸增大,微風(fēng)化砂巖路基的最大沉降值為50.105 mm,中風(fēng)化砂巖路基的最大沉降值為87.134 mm,強風(fēng)化砂巖路基的最大沉降值為118.68 mm。

        (2)在施工中,路基中心線處的沉降值大于兩側(cè)的沉降值,選用風(fēng)化程度低的砂巖作為填料可以減小路基的不均勻沉降導(dǎo)致的路基變形。

        5 結(jié) 論

        本文采用單軸抗壓強度試驗、擊實試驗、承載比試驗及FLAC3D數(shù)值模擬等對福建省永安市的風(fēng)化砂巖進(jìn)行了全面的室內(nèi)試驗分析,得出該市的風(fēng)化砂巖可就地用于路基填筑,確認(rèn)其作為路基填料的工程特性與其風(fēng)化程度相關(guān)。

        (1)風(fēng)化程度影響砂巖密度、吸水率等物理性質(zhì)。風(fēng)化程度越高,砂巖內(nèi)部的裂隙越多,導(dǎo)致其密度降低,吸水率升高。

        (2)風(fēng)化程度影響砂巖的力學(xué)性質(zhì)。風(fēng)化程度對砂巖的飽水強度影響顯著,風(fēng)化程度高的砂巖,飽水強度衰減更為明顯。

        (3)控制路基填料的最大干密度和最佳含水量對于路基整體強度及穩(wěn)定性至關(guān)重要,因此在選用風(fēng)化砂巖作為路基填料時,選用合適的顆粒級配有利于提高填料的最大干密度值,確保填筑后的強度及穩(wěn)定性。

        (4)風(fēng)化砂巖路基填料的承載能力受擊數(shù)影響較大。充分壓實后,風(fēng)化砂巖的CBR值增幅明顯。

        (5)路基沉降數(shù)值受風(fēng)化程度的影響顯著,采用風(fēng)化程度低的砂巖作為路基填料并充分壓實,可減小路基的不均勻沉降。

        (6)測試結(jié)果表明,該市的風(fēng)化砂巖填料的強度和穩(wěn)定性滿足路基要求,可以就地取材,用于當(dāng)?shù)芈坊钪?/p>

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