甘文寧， 朱大勇， 劉拴奇， 姚華彥， 陳 清

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

紅砂巖在我國(guó)分布比較廣泛，約占全國(guó)陸地總面積的8.61%，是土木工程建設(shè)中不可回避的一類(lèi)巖土體［1］。合理利用紅砂巖，具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益。已有紅砂巖的研究［2］表明，紅砂巖被挖掘或者爆破出來(lái)后，受大氣環(huán)境或干濕循環(huán)作用，易崩解碎裂、顆粒軟化或泥化，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，抗沖刷、抗風(fēng)化能力及工程穩(wěn)定性均變差，用作路基填料時(shí)施工質(zhì)量難以控制，常出現(xiàn)路基沉陷、路面開(kāi)裂等工程病害問(wèn)題，是一種不良的路基填料，因而公路建設(shè)中都盡可能避免采用。

對(duì)于紅砂巖路用性能主要有以下研究成果：文獻(xiàn)［3－8］對(duì)紅砂巖及其崩解物的物理力學(xué)性質(zhì)、路用性能以及影響因素等方面進(jìn)行了研究，提出了紅砂巖的工程分類(lèi)方法，得到了紅砂巖工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，提出了以“預(yù)崩解－耙壓－碾壓”為核心的紅砂巖路基修筑技術(shù)、施工質(zhì)量控制方法和檢測(cè)措施等，探討了紅砂巖用作路基填料的可行性；文獻(xiàn)［9］研究了紅砂巖對(duì)水的敏感性影響因素，提出了紅砂巖填筑路基性能的改善措施；文獻(xiàn)［10］對(duì)紅砂巖風(fēng)化土路基填料的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了其單位壓力－回彈變形、單位壓力－貫入量等變化關(guān)系；文獻(xiàn)［11］對(duì)紅砂巖崩解得到的紅砂土進(jìn)行了路用性能的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其壓實(shí)后具有良好的路用性能；而關(guān)于皖南地區(qū)紅砂巖的性質(zhì)，文獻(xiàn)［12－13］重點(diǎn)開(kāi)展了湯口—屯溪段沿線(xiàn)紅砂巖的室內(nèi)浸水崩解試驗(yàn)，對(duì)紅砂巖的崩解機(jī)理以及崩解土的路用性能等方面進(jìn)行了較為深入的研究。

上述研究主要以紅砂巖崩解產(chǎn)物為研究對(duì)象，而關(guān)于直接機(jī)械破碎解小的崩解性紅砂巖填料的路用性能的研究則很少。皖南地區(qū)存在大量崩解性紅砂巖，修筑高等級(jí)公路過(guò)程中，若采用預(yù)崩解和摻灰改良等處理措施［4－8，14］，則會(huì)延長(zhǎng)工期及提高成本?？?jī)溪—黃山高速01合同段采用預(yù)崩解措施難以滿(mǎn)足工期要求，因而擬采取不經(jīng)過(guò)預(yù)崩解措施。本文借鑒上述研究成果，結(jié)合該標(biāo)段的施工工藝要求，不經(jīng)過(guò)預(yù)崩解或摻灰改良等措施，對(duì)該路段的紅砂巖機(jī)械破碎解小后直接加水配料，開(kāi)展回彈模量、承載比和滲透性等路用性能的室內(nèi)試驗(yàn)研究，初步論證其直接作為路基填料的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣品取自績(jī)溪至黃山高速01合同段沿線(xiàn)典型區(qū)域的采石場(chǎng)，代表性紅砂巖巖樣如圖1所示。由于紅砂巖分布具有地域差異性，其化學(xué)成分和物理性質(zhì)各不相同，且各種礦物含量的比例將直接影響紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)，因此先對(duì)其進(jìn)行巖礦鑒定，以初步掌握其礦物成分及結(jié)構(gòu)特征。

鑒定結(jié)果表明該路段的紅砂巖巖性及結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，主要巖石類(lèi)型有：① 泥質(zhì)長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖；② 鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖；③ 泥巖；④ 泥質(zhì)粉砂巖；⑤ 鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)粉砂巖；⑥ 鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)長(zhǎng)石巖屑砂巖等。其中鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)長(zhǎng)石巖屑砂巖最多，其次為鐵染泥質(zhì)鈣質(zhì)粉砂巖。塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)主要有粉砂－細(xì)砂結(jié)構(gòu)、粗碎屑結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、顯微鱗片結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)結(jié)構(gòu)等。

圖1 代表性紅砂巖巖樣

紅砂巖樣本的主要成分由粒屑和填隙物組成。粒屑主要包含石英、長(zhǎng)石、巖屑、白云母、不透明礦物和泥晶灰?guī)r礫石等，在巖石中分布不均勻，局部含量高。其中體積分?jǐn)?shù)最大的是石英，約為30%～50%，甚至高達(dá)55%；長(zhǎng)石次之，其體積分?jǐn)?shù)約為8%～20%；巖屑一般為5%～23%。石英多呈碎屑狀，相對(duì)集中分布于局部，少量零星分布；長(zhǎng)石多呈次棱角、次圓狀，為絹云母化長(zhǎng)石，新鮮者偶見(jiàn)；巖屑一般分為泥質(zhì)巖巖屑、粉砂泥質(zhì)巖巖屑和長(zhǎng)英質(zhì)角巖巖屑，呈次棱角、次圓狀；白云母呈片狀，定向不明顯；不透明礦物呈次圓狀。

填隙物主要有方解石、鐵染泥質(zhì)（含絹云母）和泥質(zhì)等。其中含量最多的為鐵染黏土礦物（含絹云母），其體積分?jǐn)?shù)為10%～31%，個(gè)別高達(dá)56%和97%；方解石次之，為8%～25%，最高達(dá)40%。填隙物中鐵染現(xiàn)象明顯，黏土礦物基本呈隱晶質(zhì)；絹云母一般呈顯微鱗片狀；方解石呈他形粒狀鑲嵌分布于碎屑之間。

膠結(jié)物主要為泥質(zhì)和鈣質(zhì)，強(qiáng)度較低；膠結(jié)方式以基底式為主，顆粒之間不直接接觸，完全受泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)物包圍，強(qiáng)度較低，抗風(fēng)化能力弱。

礦物成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 紅砂巖巖樣礦物成分體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

部分微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 代表性紅砂巖微觀(guān)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方案

將取回的巖樣人工破碎得到最大粒徑不超過(guò)20mm的紅砂巖土，開(kāi)展室內(nèi)的路用性能試驗(yàn)。

紅砂巖填料的路用性能主要指標(biāo)為回彈模量E、承載比（California bearing ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)CBR）和滲透系數(shù)k等。本文主要研究含水率w及壓實(shí)度K對(duì)路用性能指標(biāo)的影響。根據(jù)文獻(xiàn)［15］，采用重型Ⅱ－2法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)以求得最大干密度ρdmax及最佳含水率wop，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展不同含水率及壓實(shí)度下的回彈模量、CBR和滲透性試驗(yàn)，探討紅砂巖直接作為路基填料的可行性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 原材料基本物理力學(xué)性質(zhì)

紅砂巖填料基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2所列，干密度與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

表2 基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖3 干密度ρd與含水率w的關(guān)系曲線(xiàn)

由表 2 可知，wL＝26.2% ＜50%，IP＝10.5＜26，因此該紅砂巖試料屬于低液限粉質(zhì)黏土，可用作路基填料［16］；Cu＝7.83＞5，Cc＝2.49，1＜Cc＜3，因此該紅砂巖試料的級(jí)配良好。由圖3可得壓實(shí)后的最大干密度為2.107g／cm3，最佳含水率為8.8%。

2.2 回彈模量試驗(yàn)

回彈模量是表征路基土強(qiáng)度的力學(xué)參數(shù)，是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)［17－18］，含水率是影響路基回彈模量的主要因素［19］。制備試件后采用承載板法測(cè)定回彈模量E，并分別探究回彈模量E與含水率w、壓實(shí)度K的變化關(guān)系。

2.2.1 回彈模量E與含水率w的變化關(guān)系

制備了壓實(shí)度K為96%，含水率w分別為4.8%、7.0%、8.3%、10.5%、12.4%的試樣開(kāi)展回彈模量試驗(yàn)，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出：① 紅砂巖填料的單位壓力P與回彈變形量l的關(guān)系曲線(xiàn)基本呈直線(xiàn)狀，說(shuō)明紅砂巖填料壓實(shí)后具有彈性性質(zhì)；② 在同一壓實(shí)度下，隨著含水率的增大，曲線(xiàn)的斜率越來(lái)越大，說(shuō)明含水率對(duì)回彈模量有顯著影響。

圖4 單位壓力P與回彈變形量l的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 回彈模量E與含水率w的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖5可以看出：① 回彈模量與含水率具有明顯的相關(guān)性，回彈模量隨著含水率的增大而不斷減小，降幅先小后大，但總的下降趨勢(shì)近似線(xiàn)性；② 在最佳含水率8.8%附近，回彈模量不小于90MPa，滿(mǎn)足文獻(xiàn)［16］規(guī)定大于30～40MPa的要求，但當(dāng)含水率為12.4%時(shí)，回彈模量卻低至13.692MPa。因此，在碾壓時(shí)應(yīng)控制含水率在最佳含水率附近，對(duì)本試驗(yàn)材料建議不超過(guò)11.0%，以便充分發(fā)揮路基填料的強(qiáng)度性能。

2.2.2 回彈模量E與壓實(shí)度K的變化關(guān)系

控制含水率w＝9.0%，通過(guò)調(diào)整擊實(shí)功，制備了壓實(shí)度K分別為99.7%、97.1%和95.0%的試樣開(kāi)展回彈模量試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：壓實(shí)度對(duì)紅砂巖填料壓實(shí)后的回彈模量有顯著的影響，隨著壓實(shí)度的增大，回彈模量值也逐漸增大，兩者存在一定的線(xiàn)性關(guān)系。

圖6 回彈模量E與壓實(shí)度K的關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 CBR試驗(yàn)

CBR是用于評(píng)定路基土和路面材料的強(qiáng)度指標(biāo)［20］。為了探究CBR、浸水膨脹量Q、吸水量X與壓實(shí)度K的變化關(guān)系，在同一含水率w＝9.0%下制備3種干密度的試件，每層擊數(shù)分別為30、50、98次。試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 單位壓力P與貫入量lq的關(guān)系曲線(xiàn)

圖8 CBR、浸水膨脹量Q、吸水量X與壓實(shí)度K的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖7可以看出：① 貫入量隨貫入力的變化過(guò)程可分為彈性和塑性2個(gè)階段，當(dāng)荷載較小時(shí)，其貫入變形處于彈性階段，貫入力與貫入量呈一定的線(xiàn)性變化關(guān)系；當(dāng)荷載增大時(shí)，貫入變形由彈性階段向塑性階段發(fā)展，貫入力與貫入量則呈非線(xiàn)性變化關(guān)系；② 隨著擊實(shí)次數(shù)的增多，即壓實(shí)度越大，紅砂巖填料貫入變形的彈性階段持續(xù)得越久，而塑性階段則出現(xiàn)得越遲，可見(jiàn)當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定或較高時(shí)，在一定壓力作用下紅砂巖填料具有較大范圍的彈性。

由圖8a可以看出：①紅砂巖填料經(jīng)壓實(shí)后，3種不同干密度的擊實(shí)試樣測(cè)得的CBR值均較高，95%壓實(shí)度的CBR值能達(dá)到30%以上，完全滿(mǎn)足文獻(xiàn)［16］的要求，說(shuō)明其抵抗破壞的能力較好；② 隨著壓實(shí)度的增大，CBR值呈線(xiàn)性遞增的變化趨勢(shì)。

由圖8b和圖8c可以看出：壓實(shí)度對(duì)浸水膨脹量和吸水量的影響規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為壓實(shí)度越大，浸水膨脹量和吸水量越小，均呈近似直線(xiàn)的變化趨勢(shì)，說(shuō)明其水穩(wěn)定性隨壓實(shí)度的提高而逐漸增強(qiáng)，這主要是由于壓實(shí)度的增高使得土體顆粒之間的孔隙減小，即減小了土體的儲(chǔ)水空間，表現(xiàn)為吸水量的降低。因此，從路基填料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性來(lái)看，紅砂巖填料碾壓時(shí)應(yīng)盡量控制壓實(shí)度達(dá)到最佳，將吸水量和膨脹量的不良影響盡可能降到最低。

2.4 滲透性

為了研究滲透系數(shù)k與壓實(shí)度K、孔隙比e的變化關(guān)系，采用變水頭法開(kāi)展同一含水率（w＝8.9%）、不同壓實(shí)度（K分別為99.6%、96.9%、94.9%、92.8%）下飽和試件的滲透試驗(yàn)，結(jié)果如圖9、圖10所示。

由圖9可知：① 紅砂巖填料的滲透系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而線(xiàn)性減小，這主要是由于隨著壓實(shí)度的增大，土中孔隙變小，孔隙水壓力增大，孔徑曲折度變大，毛細(xì)作用產(chǎn)生表面張力，減緩甚至阻止自由水在土顆粒間的流動(dòng)，導(dǎo)致滲透系數(shù)減??；② 在壓實(shí)度92%～100%范圍內(nèi)，滲透系數(shù)k均小于6×10－6cm／s，其抗?jié)B性能很好，說(shuō)明壓實(shí)度對(duì)填料孔隙和滲透性起有效控制作用。

由圖10可以看出：滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而呈線(xiàn)性增大的趨勢(shì)，主要原因是隨著孔隙比的增大，土中孔隙體積變大，孔隙水壓力變小，縮小了自由水壓力與孔隙水壓力的數(shù)值差距，加速自由水在土顆粒間的流動(dòng)，導(dǎo)致滲透系數(shù)變大。

圖9 滲透系數(shù)k與壓實(shí)度K的關(guān)系曲線(xiàn)

圖10 滲透系數(shù)k與孔隙比e的關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)巖礦鑒定結(jié)果可初判皖南山區(qū)紅砂巖巖性及結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，多屬黏土類(lèi)，黏土礦物含量較高，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度低，抗風(fēng)化能力弱。

（2）含水率對(duì)紅砂巖填料回彈模量的影響較大，回彈模量值隨著含水率的增大而減小，兩者存在一定的線(xiàn)性關(guān)系，因此碾壓時(shí)應(yīng)控制填料的含水率在一定范圍之內(nèi)，使路基的回彈模量值大于30～40MPa，以保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（3）壓實(shí)度與紅砂巖填料的強(qiáng)度及水穩(wěn)性有良好的關(guān)系，隨著壓實(shí)度的增大，紅砂巖填料壓實(shí)后的回彈模量及CBR呈線(xiàn)性遞增趨勢(shì)，而浸水膨脹量、吸水量及滲透系數(shù)則呈線(xiàn)性遞減趨勢(shì)，即其強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均隨壓實(shí)度的增大而增強(qiáng)。

（4）室內(nèi)試驗(yàn)研究表明：未經(jīng)預(yù)崩解直接破碎的紅砂巖土在滿(mǎn)足一定含水率、壓實(shí)度等關(guān)鍵控制指標(biāo)的情況下，路用性能指標(biāo)均能達(dá)到高等級(jí)公路的使用要求，可以直接用作路基填料。

［1］ 蔣建清，楊果林，李 昀，等.格賓網(wǎng)加筋紅砂巖粗粒土的強(qiáng)度和 變 形 特 性 ［J］.巖 土 工 程 學(xué) 報(bào)，2010，32（7）：1079－1086.

［2］ 武 明.土石混合非均質(zhì)填料壓實(shí)特性試驗(yàn)研究［J］.公路，1996，41（5）：33－38.

［3］ 李 健，蘇檢來(lái)，侯運(yùn)秋.紅砂巖筑路材料的工程性質(zhì)研究［J］.公路交通科技，1999，16（4）：5－7.

［4］ 鄧覲宇.高速公路紅砂巖的路用性能及施工工藝研究［J］.巖土工程技術(shù)，2003，5（5）：253－257.

［5］ 趙明華，鄧覲宇，曹文貴.紅砂巖崩解特性及其路堤填筑技術(shù)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2003，16（7）：1－5.

［6］ 俞勇民，張 智.紅砂巖路堤施工技術(shù)若干問(wèn)題探析［J］.公路與汽運(yùn)，2004，103（4）：48－51.

［7］ 胡新民.紅砂巖水化特性及其路用改良技術(shù)研究［J］.公路工程，2010，35（1）：138－142.

［8］ 胡新民，廖漢城.基于紅砂巖工程特性的路用研究［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004（8）：50－52.

［9］ 趙 華，雷茂錦.紅砂巖水敏感性影響因素及路用性能改善措施［J］.交通科技，2012（1）：45－47.

［10］ 廖明紅，王 軼.紅砂巖風(fēng)化土路基填料力學(xué)特性研究［J］.道路工程，2011（22）：96－99.

［11］ 劉多文，熊承仁.紅砂巖路用性質(zhì)的試驗(yàn)研究［J］.中南公路工程，2003，28（4）：27－31.

［12］ 吳道祥，劉宏杰，王國(guó)強(qiáng).紅層軟巖崩解性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（Z2）：4173－4179.

［13］ 劉宏杰.紅色泥質(zhì)砂巖筑路材料的工程性質(zhì)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2001.

［14］ 朱志鐸，郝建新，趙黎明.高性能固化劑穩(wěn)定粉質(zhì)土路基的效果分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（10）：1599－1601，1611.

［15］ JTG E40－2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［16］ JTG F10－2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［17］ 張 翛，趙隊(duì)家，劉少文，等.美國(guó)路基土回彈模量確定方法研究現(xiàn)狀［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，31（4）：795－798.

［18］ 陳開(kāi)圣，沙愛(ài)民.壓實(shí)黃土回彈模量試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31（3）：748－752.

［19］ 嚴(yán)秋榮，鄒維列，鄧衛(wèi)東.考慮含水量變化的路基回彈模量特性研究［J］.公路交通技術(shù)，2010（5）：1－5.

［20］ 鄧 露，李向東.路基土的CBR強(qiáng)度與壓實(shí)度關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版，2005，22（Z1）：109－111.