（道路与铁道工程专业论文）风化砂岩填筑路基工程特性研究.pdf

摘要 随着公路建设向山岭重丘区的转移 如何就地取材 利用风化岩进行路基填筑 以 弥补山区路基填料的不足 已成为亟待解决的问题 论文在总结现有研究的基础上 分析指出风化砂岩填筑路基的工程特性 对不同风 化程度砂岩材料性能变化特性开展研究 提出不同风化程度砂岩的压实破碎特性测试与 评价方法 为确保风化砂岩填筑路基长期使用性能 提出水荷耦合下的风化砂岩材料性 能试验方法 并对材料的膨胀 崩解破碎 质量流失 承载力变化以及长期性能变化等 物性进行了研究 研究表明 用振动击实法评价砂岩的破碎性考虑了路基施工过程中压实功作用下风 化砂岩的压实破碎情况 是对实际工程中的砂岩破碎的真实反映 用干湿循环试验对砂 岩颗粒的崩解与质量变化进行模拟也充分考虑了路基使用过程中所处自然条件 因此 试验结果反映了不同风化程度砂岩的遇水性能变化规律 通过对砂岩小于0 0 7 5 m m 颗 粒含量 风化粘土矿物含量以及两参数乘积与材料性能相关性的研究 提出风化程度指 数这一评价砂岩风化程度的量化指标 为风化砂岩安全应用于路基填筑提供准确依据 关键词 风化砂岩路基工程特性材料性能耦合风化程度 a b s t r a c t w i t ht h em o u n t a i nh i g h w a yc o n s t r u c t i o nt r a n s f e rt or e h i l ld i s t n c t h o wt 0u s et h ew i d e r a n g eo fw e a t h e r e dr o c ke m b a n k m e n tt of i l l i n gt h e1 0 c a ld i s t 胁u t i o na n dc o m p e n s a t ef o rt h e m o u n t a i nl a c ko fq u a l i t ys t o n ei sa u r g e n ts o l u t i o n t h ep a p e ri n s u m i n i n gu pa th o m e 锄da b r o a dr e l a t e dl i t e r a t u r e t h e na n a l y s i s0 f w e a t h e r e dr o c kt h a t f i l l i n gt h ee n 百n e e 订n gp r o p e n i e so fr o a d b e d r e s e a r c hw e a t h e r e d s a n d s t o n ef o rd i f f e r e n td e g r e e si nm a t e r i a lp r o p e n i e si na c t u a ls i t u a t i o na n d 舀v ed i f f e r e n t d e g r e eo fw e a t h e r i n gt h ew e a t h e r e ds a n d s t o n eb m k e nc o m p a c t i o no ft e s tm e t h o d sa n d e v a l u a t i o nm e t h o d s t h ep a p e rg i v ed e g r e eo fw e a t h e n gt h ew e a t h e r e ds a n d s t o n em a t e r i a l p e 痂m a n c et e s tm e t h o d so nw a t e r t e m p e r a t u r e l o a da n do t h e rf a c t 6 r s t h e r ea r et e x p a n s i o n o fm a t e r i a l b r o k e nc o l l a p s e m el o s so fq u a l i t y l o n g t e n np e r f b m a n c ea n dc a p a c i t yc h a n g e s o np e r f 6 m a n c ei nt h em e t h o d s t e s ta n a l y s i ss h o w e dt h a tt h es t a n d 砌e v a l u a t i o nm e t h o ds a n d s t o n ec o m p a c t i o no ft h e b r o k e nr o a d b e dc o n s t m c t i o nc o n s i d e dt h ep r o c e s so fc o m p a c t i o nw o r ku n d e rt h ew e a t h e r e d s a n d s t o n ec o m p a c t i o nb r o k e n s o t h ea c t u a lw o r k si ns a n d s t o n et or e n e c tt h ee f f e c t i v e f r a g m e n t a t i o n mo r d e rt os i m u l a t et h er o a d b e da f 钯rw h i c hn a t u r a lc o n d i t i o n s t h ep i l o tu s e d t h ew a t e rt e m p e r a t u r ec y c l et e s t s0 ns a n dp a n i c l e sa n dt h ec o l l a p s eo fc h a n g e si nt h eq u a l i t y o ft h et e s t w e a t h e r i n gi n d e xi st oe v a l u a t et h ed e g r e e0 fw e a t h e n n gw e a t h e r e ds a n d s t o n e q u a n t i t a t i v ei n d i c a t o r s t h r o u g ht h es a n dp a n i c l e so fl e s st h a no 0 7 5m m a n dw e a t h e r e dc l a y m i n e r a lc o n t e l l to ft h ep r o d u c to ft w op a r a m e t e r sa s s o c i a t e dw i t ht h em a t e r j a l p r o p e n i e so f r e s e a r c h t h i se v a l u a t i o ni n d e xw e a t h e r e ds a n d s t o n e w e a t h e r j n gd e g r e e0 fq u a n t i t a t i v e i n d i c a t o r sf o rt h es a f e t yo fw e a t h e r e ds a n d s t o n eu s e di nr o a d b e d f i l l i n gp r o v i d e 卸a c c u r a t e b a s i s k e y w o r d s w e a t h e r e ds a n d s t o n e s u b g r a d e e n g i n e e n n gc h a r a c t e r i s t i c s c o u p l e d m a t e r i a lp r o p e r t i e s d e g r e eo fw e a t h e r i n g 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出 重要贡献的集体与个人 均己在文中以明确方式标明 本论文中不包含任 何未加明确注明的其他集体或个人已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 义罔 j 需 矿耀年吕月s 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 力 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 之刚穆 9 刀年寥月岁日 导师签名夕夕已 召年阴r 日 长安人学硕上学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 当前 国家经济建设的迅猛发展促使交通网络不断延伸 公路建设重点开始自东向 西的转移 在我国西部地区 越来越多的公路建设所面临的地形 已经从平原微丘区向 山岭重丘区转变 由于西部地区多山岭重丘的地形 决定了公路路基高填深挖现象将变 得极为普遍 路基填料的需求量很大 加之交通运输不便 因此对于公路路基填料的选 择问题需要结合山区当地实际情况就地取材 从2 0 世纪8 0 年代至今 我国公路部门结合山区实际情况已经开始修筑填石路基 近几年来国内许多公路设计 施工 监理单位在填石路基的施工 检测方面做了大量的 工作 通过工程实践与试验研究总结出了一些经验 取得了一定的成果 例如在京珠高 速公路粤北段 晋焦高速公路 江西昌厦一级公路 贵州贵黄一级公路 福建福泉高速 公路等 都是实际工程结合当地地质条件铺筑填石路基的典型工程 而且经过了长期检 验 然而 填石路基填料多局限于优质石料 但是对于山区高速公路而言 就近取材才 是山区公路路基填筑的最佳选择 但是岩石经过长时期的自然 人为因素的作用 多已 演变为风化程度不等的风化岩 优质石料相对短缺 同时 风化岩与未风化岩石相比存 在许多不利的工程特性 如易破碎 易崩解 水稳定性差等 但是 并非不能应用于填 筑路基 例如 沪陕高速公路叶集至信阳段 湖南张清公路 内蒙古赤峰牧区道路等 均采用了风化岩填筑路基 山岭重丘区的风化岩储量大 如果能将风化岩应用于山区公 路路基填筑 既有利于因地制宜 又有利于节约成本 因此 针对风化岩的不利工程特 性 攻克风化岩填筑路基的关键技术问题 对于风化岩在山区高速公路中的推广应用具 有重要意义 与优质石料填石路基填料相比 风化岩路基填料存在一些不利的工程特性 1 风化岩的压实特性与优质石料不同 由于风化岩强度较未风化岩石低 因此其压 实机理与优质石料填石路基不同 2 风化岩破碎特性也与未风化岩石差异显著 但是缺乏此类石料的技术指标 难于 对石料质量加以控制 第一章绪论 3 风化岩内风化粘土矿物的存在使得其遇水长期稳定性较差 处置不当会导致公路 整体结构失稳 但是目前对此方面的研究较为匮乏 4 目前的岩石风化程度划分多采用工程地质定性评价方法 缺乏量化风化程度评价 指标与材料的物理力学特性相关性分析 单是通过定性的风化程度分级不能把风化岩安 全的应用于路基填筑 这也是制约其使用的重要原因 风化岩种类繁多 母岩的岩性不同 风化后的岩石工程特性势必有所不同 因此 对于风化岩的诸多不利工程特性的相关研究必须对岩石岩性结合实地情况进行选择 商 界高速公路地处秦岭山地 地形地质复杂 沿线风化岩分布广 便于因地制宜 利用沿 线储量丰富的风化岩填筑路基 商界高速2 0 合同段风化砂岩储量大 如果通过试验验 证可以将储量巨大的风化砂岩应用于路基填筑将会最大限度的解决商界高速沿线优质 石料缺乏的问题 因此 本课题将试验路基选在了商界高速2 0 合同段 通过室内试验 以及现场试验路基的铺筑对风化砂岩填筑路基的填料工程特性与材料特性开展研究 为 商界高速风化岩填筑路基提供可靠的理论保障 为以后的山区公路风化岩填筑路基提供 可借鉴的经验 1 2 国内外研究概况 从材料归属范畴来讲 风化岩是岩石经过不同程度的风化作用形成的 因此 填石 路基的一些研究成果可以作为风化岩填筑路基的参考 国内关于填石路基的研究从上个 世纪开始已经陆续展开 对风化岩填筑路基具有指导意义 进入新世纪以来 随着公路 建设向山区推进 关于风化岩在公路建设当中的应用研究也逐渐展开 现有关于风化岩的研究以工程地质部门居多 建筑地基基础设计规范 g b j 7 9 8 中有关于岩石风化程度划分的定性标准 如下表1 1 2 长安大学硕士学位论文 表1 1 岩石风化程度的划分 风化程度特征 微风化岩质新鲜 表面稍有风化迹象 1 结构和构造层理清晰 2 岩体被节理 裂隙分割成块状 2 0 c m 5 0 c m 裂隙中填充少量风 中等风化 化物 锤击声脆 且易击碎 3 用镐难挖掘 岩心钻方钻进 1 结构和构造层理不甚清晰 矿物成分已显著变化 强风化 2 岩体被节理裂隙分割成碎石状 2 c m 2 0c m 碎石用手可以折断 3 用镐可以挖掘 手摇钻不易钻进 英国 工程勘察规范 b s 5 9 3 0 1 9 9 0 土和岩石 的第六节中 关于岩石风化 等级划分如表1 2 岩体风化等级表1 2 等级分类主要特征 i 新鲜原始状态未发生变化 i i 微风化轻微褪色 轻微强度降低 中等风化明显强度降低 明显褪色 大块不能用手扳断 强风化 大块不能用手扳断 干的岩样浸在水中不容易分解 v 全风化 明显弱化 原始结构破坏 残积士由于现场风化作用形成的土 原始结构和构造破坏 岩石风化后其密度有不同程度的降低 而不同密度的介质弹性波传递速度并不相 同 两者为正比例关系 据此 保加利亚学者伊得耶夫提出波速系数k 划分岩石风化程 度的方法 k 值越大 风化程度越高 k v o v v o 其中v o 新鲜岩石弹性波速 为风 化岩石弹性波速 由此可见 目前岩石风化程度划分多采用工程地质定性评价方法 从岩石的色泽 结构破坏程度 掘进难度等进行综合分析定性确定风化程度 我国现行 公路路基施工技术规范 j t j 0 3 3 9 5 中涉及填石路基的相关条目已 经很少 更加缺少对于风化岩用于山区高速公路路基填筑方面的规范 公路路基设计规范 j t g d 3 0 2 0 0 4 根据石料饱和抗压强度的指标 将填石料 第一章绪论 分为硬质岩石 中硬岩石 软质岩石 如下表1 3 表1 3 岩石分类表 单轴饱和抗压强度 岩石类型代表性岩石 m p a 硬质岩石 量6 0 1 花岗岩 闪长岩 玄武岩等岩浆岩类 2 铁质胶结的砾岩 石灰岩 白云岩等沉积岩 中硬岩石3 0 6 0 3 片麻岩 石英岩 板岩 片岩等变质岩类 l 凝灰岩等喷出岩类 软质岩石 5 3 0 2 泥砾岩 泥质砂岩 泥质页岩 泥岩等沉积岩类 3 云母片岩等千枚岩等变质岩类 同时还规定了易风化岩石与软质岩石用作路基填料时其边坡形式按土质路基边坡 形式设计 表1 4 是填石路堤关于路堤边坡坡率的规定 利用风化岩石与软质岩石填筑 路基进行稳定性验算时 应考虑浸水后强度降低 压缩性增加等不利情况 表1 4 填石路堤边坡坡率 边坡高度边坡坡率 填石料种类 全部高度上部高度下部高度上部高度下部高度 硬质岩石 2 081 21 1 1 1 1 3 中硬岩石2 081 2l 1 31 1 5 软质岩孑i 2 081 2l 1 51 1 7 5 对于风化岩石和软质岩石 由于施工机具的作用 填料在摊铺 碾压过程中破碎现 象较为严重 强度指标也发生较大变化 而且 风化岩和软质岩石填筑路堤在浸水后其 强度指标降低较多 在沉降 稳定性计算时 应考虑到路堤后期可能遇到的不利情况 沪陕高速公路叶集至信阳段采用了风化岩填筑路基 通过对风化岩进行标准击实 得出不同含石量所对应的最大干密度 并建立含石量与其对应的最大干密度的关系曲 线 从而在压实度检测时根据含石量来确定最大千密度 可以解决风化岩压实度检测问 题 湖南张清公路采用了风化岩填筑路基 通过现场试验路铺筑 确定了此种风化岩压 实度与碾压遍数关系 提出用碾压遍数控制压实度 内蒙古赤峰牧区道路通过对两种风化石粒料进行的c b r 试验研究 分析了粒料的级 配密实度 小于o 0 7 5 姗颗粒含量 大于4 7 5 姗的颗粒含量和最大粒径与c b r 值的关 系 结果表明风化碎石粒料的c b r 值与它的级配 密实度 小于0 0 7 5 唧颗粒含量 大 于4 7 5 咖的颗粒含量和最大粒径有很大的相关性 2 0 1 国道鹤大公路鸡西段在施工中利用强风化岩作路基填料 通过不同比例粗细材 4 长安大学硕十学位论文 料的击实结果与最大干容重关系曲线分析 得出粗细颗粒含量不同比例的击实曲线 长沙理工大学进行了云母含量对风化花岗岩路基土工程性质影响的试验研究 通过 从花岗岩残积土中分离出云母 按云母含量的不同配制试件进行承载比试验 回弹模量 试验 膨胀量试验 研究云母含量对花岗岩路基土工程性质 得出风化花岗岩路基土中 云母的含量对其c b r 值 回弹模量 膨胀量等的影响有着一定的规律 日本道路公团针对粗粒料各自的材料特性来研究设计和施工控制方法 其中包含了 由于气象条件变化 干湿作用 而产生细粒化的岩石 也就是风化类岩石 下表1 5 是 其对粗粒料的分类及施工是应注意的问题 表1 5 粗粒料的分类及施工时应注意的问题 管理 分类材料特性簏工时应注意问题备注 方法 1 每层的铺厚不超过最大粒径的1 1 5 倍 火成岩类 坚 不会冈施工时 2 研究不使材料分离的摊铺方法硬且耐久性好 3 把大的岩块集中放在填方区的下部 边坡坡的岩石 花岗 破碎碾压和气 面岩j 石英斑岩 象条件等的变 施工 4 根据施工厚度选择压实机具流纹岩 闪绿 化产生细粒化 硬岩工艺选定边坡保护措施岩 玄武岩 的岩石 且最 控制5 在破碎块上使用细粒料填筑路床时 要设过石灰岩 大粒径大 每 层的厚度可达 渡层 6 碎石块材料用于标牌板等对基础施工无影响 3 0 c m 以上 的范围 7 用压实计进行压实控制 变质岩类 不 由于施工时碾 属于硬岩和脆 中硬 压而产生细粒 压实以振动碾压为主弱岩的岩石 石 质量 化的岩石片岩 片麻岩 指标 由于气象条件 控制 等 脆弱的变化 干湿 方法 1 用大型振动碾 气胎碾 进行充分碾压第二级堆积岩 采取充分的排除地下水措施 类泥岩 页岩 石作用 而产生 2 在高填方区采用不易受沉降影响且易于维修砂岩 的细粒化岩石 的结构 综上所述 目前国内外对风化岩填筑路基的缺乏系统全面的研究 现有研究多集中 在施工压实质量控制等方面 未见对风化岩材料路用性能的系统研究 对风化岩风化程 度的分级 工程地质部门研究较多 但多是从岩石色泽 结构破坏程度 掘进难度等方 面进行的定性划分 并无针对路用性能的相关量化指标的出现 关于风化砂岩填筑路基的相关研究则更加稀少 河南省干线公路张南线采用风化砂 第一章绪论 岩填筑路基 并对风化砂岩的施工办法提出了一些合理建议 湖南大学岩土工程研究所 曾就风化砂岩的崩解特性展开研究 并提出了试验方法 河海大学岩土工程研究所曾就 风化砂岩的膨胀特性展开研究 得出风化砂岩膨胀性与含水率有关 这些材料的性能研 究也并未与路用性能建立联系 总的来说 要对于风化砂岩填筑路基开展研究 目前主要存在以下几个方面的问题 1 风化砂岩与普通填石路基相比 其工程特性不同 不了解风化岩的工程特性 便无法开展针对性地研究 2 缺乏风化砂岩填料不利条件下的物理 力学变化规律研究 无法预测风化砂 岩填筑路基的稳定性 3 尚未明确砂岩风化程度与材料物理 力学性能之间的关系 4 对砂岩风化程度的划分缺乏有路用性能相关的量化指标 因此在风化砂岩填 料选取的过程中缺乏严格的科学依据 5 风化砂岩填筑路基的长期变形规律决定了路基工后稳定性 实际观测与预测 模型相结合的风化砂岩沉降观测方法值得研究 1 3 主要研究内容 本研究主要针对商界高速公路路基工程与沿线筑路材料的特点进行相关研究 解决 商界高速优质路基填料匮乏的问题 选取商界高速2 0 合同段风化砂岩为例 对风化砂 岩填筑路基进行工程特性与材料性能的研究 分析不同风化程度砂岩材料性能的变化规 律 相关研究成果对山区公路风化岩填筑路基的应用具有借鉴意义 1 风化砂岩填筑路基工程特性研究 通过与普通填石路基的对比 分析指出风化砂岩填筑路基的工程特性 以便针对这 些工程特性展开研究 2 试验方案与试验方法 针对风化砂岩的破碎性 不利条件下的物理力学变化规律 长期变形特性制定相应 的试验方法 3 风化砂岩填料颗粒破碎特性研究 用标准击实试验与振动击实试验对不同风化程度的风化砂岩进行击实 然后筛分 观察分析粒径的破碎情况 6 长安人学硕l 学位论文 4 风化砂岩填料不利条件下的物理 力学变化规律研究 通过干湿循环试验对循环前后不同风化程度风化砂岩颗粒的粒径变化 质量变化 承载能力等的变化进行分析研究 掌握砂岩风化砂岩的材料性能的变化规律 5 砂岩风化程度评价方法研究 在风化砂岩材料性能的研究基础上 建立风化程度相关参数与其破碎率 干湿循环 崩解率 干湿循环质量流失率等材料性能的相关性曲线 提出风化程度的评价方法 6 风化砂岩试验路基的铺筑 结合商界高速沿线风化砂岩的工程特性 铺筑试验路基 7 长安大学硕l 学位论文 第二章风化砂岩填料工程特性分析 风化砂岩路基填料多为较大粒径的风化石料 与普通填土路基的填料相比 以及与 普通填石路基的石料相比 其工程性质有显著不同的特点 岩石风化后其组织结构按风 化程度不同均发生不同程度的破坏 其强度也发生变化 并经过风化蚀变生成次生矿物 风化后的砂岩抗压强度降低 使得其压实破碎特性势必与未风化填石路基产生不同 加 之风化粘土矿物的存在 不同风化程度风化砂岩填料不利条件下的物理 力学性能变化 有别于普通填石路基 2 1 填石路基填料工程特性 2 1 1 压实特性 填石路基是指利用爆破开采出来的石料或其它弃石料填筑的路基 其填料的粒径较 大 且具有抗剪强度高 孔隙率大 透水性强的特点 在路基结构 施工工艺 质量检 验与控制方面与常规的填土路基有较大区别 首先 填石路基的碎石填料属于散体材料 其本身是密实而不可压缩的 颗粒多呈 单粒状排列 颗粒间的联接方式是简单的邻接接触和咬合连接 填石路基的压实过程实 际上是石料颗粒在压实功能的作用下 克服颗粒间的阻力 大小颗粒重新排列 相互靠 近密实 使孔隙体积减小 密度增加的过程 与填土路基相比 由于填料的粒径较大 现场施工时的离散性较大 一般在缺少足 够的细料进行填充的条件下 石块之间会产生架空现象 导致填石路基的空隙尺寸较大 渗透性强 所以可以将其看为自由排水体 因此 一般认为填石路基的压实过程中不存 在孔隙气体和孔隙水的排出 仅仅只是克服颗粒间相互作用力之后的颗粒密实过程 由于填料的粒径大 透水性强 具有自由排水能力 很难保持水分 所以 与填土 路基不同 含水量在填石路基施工过程中的作用不甚明显 同时还要看到 由于填料的工程特性 填石路基压实过程中经常会伴有颗粒破碎从 而导致填料粒径组成不断变化的过程 所以说填石路基的压实过程属动态稳定过程 综上所述 填石路基的压实过程是 摊铺后较为松散的碎石填料在外力压实功能的 作用下 内部应力状态发生变化 失去了摊铺时最初的应力平衡状态 颗粒之间克服摩 9 第二章风化砂岩填料t 程特性分析 擦力 彼此移动 不断被挤密靠近 同时互相填充 出现新的粒径组成排列 导致路基 填筑体的孔隙减小 密度程度增大 随着施加的外力不断增大 促使石料颗粒移动 充 填的能量亦随之增大 填筑体愈趋密实 当路基填筑体密实到一定程度之后 颗粒间的 孔隙较小 达到了新的更加稳定的应力平衡 此时再增大压实功能 颗粒也不易再移动 充填 由此可见 填石路基压实的根本目的在于使碎石填料之间由松散状态变为接触状 态再变为坚实咬合状态 从而形成稳定的结构状态 从结构性能讲 填石路基的强度 刚度和水稳定性主要取决于填料颗粒之间相互 嵌锁挤紧的程度 若施工质量控制不好 在路基和路面的重力及行车荷载作用下 加上 外界如雨水冲刷 交替冻融等作用 碎石填料有可能被压碎 重新排列 产生较大沉降 收缩等不均匀变形 甚至造成坍滑等路基危害 2 1 2 破碎特性 路基填料在其颗粒强度足够大 形状足够光圆的理想弹性状态条件下 在施工过程 中一般是不会被压碎的 但是填石路基的施工现场中石料的实际强度相差较大 而且形 状大小各异 是不存在这种理想状态的 同时由于碎石填料往往是由人工爆破开采出来 的 材料中会含有很多肉眼无法看到的潜在缺陷 再加上石料颗粒的形状很不规则 颗 粒表面的摩擦较大 相对于压实荷载来说当其石料颗粒的强度并非很大 再加上粒径组 成不良又造成较多空隙时 填石路基就容易在一定的围压下产生颗粒破碎现象 填石路基在施工过程中 摊铺后较为松散的石料颗粒在外力的作用下 内部应力状 态发生变化 失去最初的应力平衡状态 颗粒之间克服摩擦力 彼此移动 不断被挤密 靠近 同时互相填充 出现新的级配排列 导致填筑体的孔隙减小 密实程度增大 但 是应当看到由于碎石填料的粒径较大且形状不规则 这时可能会形成骨架结构 如下图 图2 1 填石路基颗粒之间支架结构 如果当作用在石料颗粒棱角的力大于石料本身的强度时 石料易发生棱角的破碎现 1 0 长安人学硕十学位论文 象 石料颗粒棱角对其他石料颗粒的作用力随着施加的外力增大而增加 形成尖入挤压 进而发生更多的颗粒破碎 导致石料重新排列 粒径组成发生变化 进而又形成挤密结 构 如果继续施加的外力荷载不能打破这种平衡 则结构将处于稳定的状态 相反 如 果施加的外力荷载很大 这时新产生的石料颗粒棱角又被破碎 从而重复上述过程 另 方面 由于石块本身内部存在微小的裂纹 如果继续增大压实功能 在较大的应力作 用下裂缝会扩展 贯通 进而又会产生破碎现象 石料颗粒内部的应力平衡随之又被打 一破 石料颗粒之间再次互相移动充填 结构逐渐趋于稳定密实的平衡状态 所以由此 可见 填石路基填料的破碎现象主要分两种 棱角断裂和内部微裂缝贯通 2 2 风化砂岩路基填料工程特性 2 2 1 压实特性 砂岩经过不同程度的风化后其材料强度变低 因此在压实过程中风化砂岩颗粒更容 易破碎 并且风化砂岩的压实特性与其风化程度有关 风化程度不同 砂岩粗细颗粒含 量不同 也决定了风化砂岩压实过程中粒径变化不同 但是 总的来说 风化砂岩压实过程可以分为两个阶段 前一阶段风化砂岩处于相 对疏松状态 压实主要体现于颗粒接触状态的调整 颗粒的相互靠近和重新排列 当粗 颗粒相互位移至紧密接触构成支撑骨架后 随着压力增加且超过起骨架作用的石料强 度 则导致粗颗粒破碎 就会伴随有压力的重新调整 使风化砂岩重新处于压实作用阶 段 进而使其进一步压实 风化砂岩在压实过程中的破碎是对原有级配缺陷进行改良 风化砂岩在压实过程中经过碾压密实破碎一再碾压一再压密这一渐进压实过程 粗粒径 石料比例降低 细颗粒比例提高 风化砂岩的颗粒级配逐渐得到改善 其密实性得到提 高 通常风化砂岩粗粒径含量比例高时 第一阶段在压实过程中很快就结束 主要由第 二阶段组成 破碎率较高 随着粗粒料比例的下降 粒径变得丰富时 第一阶段会变长 破碎率随之下降 风化砂岩的可压密度与其粒度分布特征参数c u 不均匀系数 之间在量 值上表现有很强的关联性 c u 越大 填料级配越良好 较粗颗粒间的孔隙被较细的颗 粒所填充 风化砂岩可压密的程度就越高 比较容易获得较大的密度值 总之 风化砂 岩的压实过程就是一个颗粒级配改良的过程 使粗大石料比例下降 细颗粒比例提高 第二章风化砂岩填料t 程特性分析 从而达到渐进压实的效果 由此可见 风化砂岩路基与普通填石路基相比 施工压实过程中的破碎性严重 普 通填石路基在压实过后形成的是一种骨架空隙结构 依靠石料之间的嵌挤作用承载 而 风化砂岩路基经过碾压密实破碎一再碾压一再压密的压实过程后细料对骨料的填充程 度决定了其压实后的承载方式 但是这又与风化程度存在内在联系 对于微风化砂岩 其形成的结构类似于普通填石路基的骨架空隙结构 对于风化较严重的砂岩 压实过程 中破碎严重 细颗粒含量多 形成较为密实的结构 如下图2 2 图2 2 风化砂岩路基密实结构 由于风化砂岩路基的细颗粒含量相对较高 所以含水量在路基压实过程中的作用明 显 施工当中参照填土路基最佳含水量的确定方法对风化砂岩进行标准击实试验 确定 其最佳含水量 风化砂岩路基在振动压实时 其压实效果主要取决于两个因素 首先 消除风化砂 岩材料之间的摩擦力 使填筑材料颗粒发生的运动 以利于风化砂岩路堤的密实度得以 提高 其次 振动压路机在碾压过程中 对石料颗粒产生的压力和剪切应力 这些应力 一部分是由于振动压路机的静压所产生的静作用力 而另一部分是压力波形式的动力 在这些应力的作用下 风化砂岩材料得到密实 影响风化砂岩路基压实的主要因素有以下几点 1 砂岩风化程度的影响 不同风化程度砂岩填料的粒度成分不一 粒度成分是影响风化砂岩路堤压实的一个 重要因素 风化较严重砂岩 细颗粒含量较多 其压实特性主要决定于细料的颗粒组成 和性质 粗颗粒只起填充和影响作用 对于中等风化砂岩而讲 粗 细料颗粒相互填充 共同起骨架作用 压实特性决定于粗 细料两者的性质和相互填充的效果 微风化砂岩 粗颗粒含量高 粗颗粒形成骨架 细颗粒填不满空隙 压实特性主要决定于粗料级配和 性质 细颗粒只起填充和影响作用 1 2 长安人学硕士学位论文 2 压实能量对石料压实性的影响 随压实功能的增大 干密度迅速增大 但当压实功能增至某值以后 干密度的增长 率减小 压实效果降低 其原因是 当石料颗粒受外力作用后 内部应力发生变化 失 去原来的平衡状态 颗粒之问克服摩阻力 彼此移动 互相填充 出现新的排列 孔隙 减小 密度增大 施加的外力越大 促使颗粒移动 充填的能量越大 石料越趋密实 当密实至一定程度之后 颗粒间的孔隙甚小 即使增大压实功能 颗粒再要移动 充填 是相当困难 则干密度的增长率降低 这时再增大压实功能 必然是不经济的 人们常 根据这一规律 选择出经济合理的压实功能 以此为根据选择出合适的压实机械和压实 方法 3 压实厚度的影响 对于风化砂岩路堤的压实厚度 在目前的施工和设计规范中 没有具体的要求和标 准 根据国内外的工程实践经验 在常规的压实强度条件下 为保证压实能量的充分扩 散的效果 风化砂岩材料的分层填筑厚度一般控制在o 4 0 7 m 范围 4 碾压速度与碾压遍数的影响 碾压速度对压实质量及生产率有明显的影响 在铺层厚度一定时 传递到被压材料 内的能量与碾压次数成正比 与碾压速度成反比 碾压速度加倍时 碾压次数也要加倍 碾压速度影响着振动轮在特定平面上对材料的压实时间 当碾压速度低时 每个单位面 积上的振动次数比碾压速度高时要多 当碾压速度增高时 每次振动的间隔距离增大 因而作用在被压材料上的能量减少 从而导致所需碾压遍数的增多 2 2 2 破碎特性 与未风化的填石路基相比 砂岩因风化后强度降低而更容易破碎 在路基压实过程 中 风化砂岩填料的破碎是必然的 并且依据风化程度的不同其破碎也不同 一般而言 碎石填料发生破碎现象后 填料原先所具有的承载结构被破坏 导致石料颗粒间接触点 荷重的重新分配 这样会缓解石料颗粒接触点应力集中的现象 从而使得接触点荷重分 布平均化 所以说就荷重而言 路基填筑体形成了更为稳定的结构 风化砂岩填料在压实作用下所出现的破碎现象 势必对路基的变形稳定性产生一定 的影响 方面石料破碎会促进颗粒的重新排列 较细的颗粒进入大颗粒所形成的空隙 中 使得空隙率减小 结构更趋紧密 填筑体在力学上进一步稳定 但另一方面 如果 第 二章风化砂岩填料t 程特性分析 过度压实或填料颗粒软弱 导致其破碎持续增加 这就有可能会由于材料的不断细化 减弱大粒径碎石所具有的颗粒问咬合作用 从而影响路基的强度与稳定性 所以应当看 到 破碎性在一定的范围内是有利于路基的强度和稳定性的 所以说 在施工阶段中出现的压碎对路基工程质量来说有减少空隙率的有利方面 也有破坏稳定结构的不利方面 但是如果石料的破碎是发生在竣工营运阶段 它虽然也 使结构的空隙率减少 但此时路基原本稳定的结构会发生一定的变形 从而影响工程的 正常使用 这对公路的正常使用性能来说是极为不利的 2 2 3 长期稳定性 填石路基原则上一般不选用膨胀性岩石 易溶性岩石 崩解性岩石和盐化岩石作为 路基填料 一般都是选取性质稳定地石料 因此填石路基填料施工后期其物理化学性质 相对稳定 再加上填石路基空隙率大 透水性强 具有自由排水能力 水分不易停留在 路基内部 因此填石路基填料颗粒一般不会长期处于水分的包裹作用之下 这就减少了 石料颗粒水损坏的可能性 填石路基的长期性能也相对稳定 风化后的砂岩强度变低导致其压实破碎特性与普通填石路基不同 施工过程中的破 碎情况更加严重 即便如此 风化砂岩颗粒在路基施工过后的长期使用过程中 其性能 也并非一成不变 并且这些性能与其风化程度有关 1 砂岩经过长期风化作用形成风化程度不等的风化岩 由风化作用所产生的粘土矿 物中富含亲水性粘土矿物蒙脱石和高岭石 其颗粒较细 比表面积大 吸水率较大 浸 水时容易引起水分向岩石孔隙中运动而引起膨胀 软化和最终破碎 加上其特有的层间 结构 尤其是蒙脱石所具有的叠层状矿物结构 连接不牢 水的极性分子极易在层组间 渗入 流出 相应的粘土矿物也产生膨胀 收缩 矿物层次的胀缩变化 在宏观上便引 起颗粒的开裂 随着微裂隙在岩体中由表及里渗入性地发展 更多的亲水物质暴露于环境 介质 这使得砂岩颗粒对环境水分的变化更加敏感 于是亲水性粘土矿物中不断发生的 吸水膨胀和失水收缩作用将进一步促使风化砂岩破裂一碎化一崩解 从分子结构来看 亲水性强的蒙脱石和高岭石是导致风化砂岩水稳定性差 易膨胀 易崩解的主要原因 也是影响风化砂岩填筑路基长期使用性能的重要原因 2 砂岩经过风化蚀变 其原生矿物进一步分解形成一种新的矿物 颗粒变得更细 这种矿物成为次生矿物 次生矿物分为两种类型 一种是可溶性次生矿物 一种是不可 1 4 长安大学硕 1 学位论文 溶性次生矿物 其中的可溶性次生矿物溶于水后因蒸发作用形成可溶的卤化物 硫酸盐 及碳酸盐 这些盐类一般都结晶沉淀并充填于岩石的孔隙内 形成不稳定的胶结物 未 沉淀析出的部分 则呈离子状态存在于岩石的孔隙溶液中 这种溶液与粘粒相互作用 影响着砂岩路基的稳定性 3 除了风化砂岩当中亲水性粘土矿物 蒙脱石和高岭石 的存在所引起的风化砂岩 颗粒的膨胀 崩解作用是风化砂岩路基稳定性的影响因素以外 荷载的作用 来自路基 顶面的荷载作用 路基自重荷载作用 也是影响路基稳定性的重要因素 风化砂岩颗粒 在荷载与水的耦合作用下的长期变形特性将是风化砂岩填筑路基工后长期性能的主要 原因 2 3 本章小结 本章主要从填石路基的石料压实特性与破碎性与风化砂岩路基石料的压实特性与 破碎性进行对比分析 指出风化砂岩的压实 破碎特性 并依据砂岩风化后的化学组分 变化分析了风化砂岩长期稳定性影响因素 包括膨胀 崩解以及可溶物的流失 通过对风化砂岩压实特性的分析得出 风化砂岩在压实过程中经过碾压密实破碎一 再碾压一再密实这一渐进压实过程 粗粒径石料比例降低 细颗粒比例提高 风化砂岩 的颗粒级配逐渐得到改善 其压实度得到提高 通过对风化砂岩破碎性分析得出 风化砂岩路基填料在碾压过程中被压碎是必然 的 而且破碎现象对路基施工质量既有减少空隙比的有利方面 也有破坏路基稳定结构 的不利方面 砂岩经过不同程度的风化后生成含量不一的风化粘土矿物 由于这些风化粘土矿物 的存在 使风化砂岩具有遇水膨胀性 崩解性 并且在自由水存在的情况下伴随有可溶 性次生矿物的流失 风化砂岩的这些不利工程特性是影响路基长期使用性能的重要因 素 长安大学硕士学位论文 第三章研究方案与试验方法 本研究各项试验的确定与安排 立足于风化砂岩材料性能测试 通过对风化砂岩工 程特性的分析表明 与填石路基相比 风化砂岩的具有压实破碎特性 并且风化砂岩的 存在遇水膨胀 崩解等不稳定的工程特性 因此针对风化砂岩的不利工程特性对其材料 性能进行测试 掌握风化砂岩材料性能的变化规律是本研究的重点 3 1 研究方案 3 1 1 技术路线 1 资料收集 通过调研 检索 实地考察及查阅资料等途径 广泛收集掌握国内外在风化砂岩填 筑路基有关方面的研究资料及最新动态 对所掌握资料进行归纳汇总 并提出本课题的 研究重点 2 工程调查 对商界高速公路2 0 合同段依托工程沿线地质情况开展详细调查和取样 对沿线地 形 地貌 气象特征 工程地质条件 水文地质条件进行详细调查 并对依托工程沿线 地质条件进行合理评价 3 风化砂岩室内试验 通过与普通填石路基的对比 分析指出风化砂岩的工程特性 针对其工程特性 制 订试验方案 在商界高速2 0 合同段选择四种典型风化砂岩进行物理 力学等相关性能 测试 并对四种风化砂岩进行干湿循环性能试验 4 试验分析 在室内试验结果上 通过试验分析 总结出风化砂岩作为路基填筑材料的特性 并 提出对砂岩风化程度的量化评价方法 5 试验路铺筑 在前期实验基础上 对摊铺工艺 机械选型 松铺厚度 碾压组合 碾压遍数做出 合理的选择 结合商界地区的施工具体情况 铺设试验路基 6 撰写报告 第三章研究方案与试验方法 在试验分析以及试验路铺筑的基础上 撰写科研报告 以下是本研究的技术路线流程图 3 1 2 研究方案的确定 图3 1 技术路线流程图 风化砂岩填筑路基的材料的工程特性 1 存在压实破碎特性 2 风化砂岩中由 于亲水性粘土矿物的存在使颗粒容易发生膨胀 崩解 以及可溶性次生矿物流失 3 风化砂岩在干湿循环作用下承载能力降低 4 水 荷载耦合作用下的路基长期变形特 性不同于普通填石路基 由此可见 在水 温度以及荷载的作用下砂岩颗粒会发生膨胀 崩解 造成颗粒的 破碎 可溶性次生矿物会溶解流失 使风化砂岩颗粒体积 粒径 质量 承载能力以及 长期变形特性发生相应的变化 因此 考虑到不同风化程度 水 温度与荷载内外因素 本研究通过以下试验来对风化砂岩进行材料性能测试分析 1 风化砂岩材料指标测试 确定风化程度相关因素 2 不同风化程度风化砂岩的破碎性试验 1 8 3 不i 司风化程度肛l 化砂岩的自由膨胀率试验 4 不同风化程度风化砂岩的干湿循环试验 包括 干湿循环颗粒崩解与十湿循 环颗粒质量流失 5 不同风化程度风化砂岩在水 荷耦合作用下的长期变形试验 试验的目的在于掌握不同扛l 化程度砂岩压实破碎特性以及不利条件下风化砂岩的 变化规律 32 试验方法 3 21 试验原材料 本研究为了对风化砂岩的材料性能进行测试 在商界高速2 0 合同段选取了a b c d 四种不同肛l 化程度的风化砂岩 其外观特征如下表3l 黼黼 圈32a 种风化砂岩图 圈33b 种风化砂岩图 翮聪 图34c 种风化砂岩 图3 5d 种凤化砂岩 第三章研究方案 j 试验方法 表3 1 四种风化砂岩外观特征 岩彳i 种类外观特征 a 粒径大 细颗粒含肇很少 b 粒径较大 细颗粒含量较a 增多 c 颗粒破碎较严重 细颗粒含量进一步增多 d 破碎严重 粉末状砂岩颗粒较多 3 2 2 物性试验 1 筛分试验 按照公路工程集料试验规程 公路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中的粗集料 及集料混合料筛分试验 t 0 3 0 2 2 0 0 5 取a b c d 四种风化砂岩各1 2 千克 进行 风化砂岩天然级配筛分试验 并称取每个筛孑l 上的筛余量 记录数据 具体操作过程见 规程 2 风化粘土矿物含量测定 原生矿物在一定的气候条件下 经化学风化作用 进一步分解 形成一种新的矿物 颗粒变得更细 甚至变成胶体颗粒 这种矿物称为次生矿物 砂岩中的次生矿物是指由 易风化的硅酸盐类矿物风化而来的粘土矿物 主要有高岭石 蒙脱石等 统称风化粘土 矿物 本研究采用x 射线分析 x r d 方法 通过对a b c d 四种风化砂岩各o 5 千克进行机械研磨 将全部样品制成非定向样品片 在x 射线衍射仪上摄取x r d 图谱 通过图谱分析确定粘土矿物含量 3 自由膨胀率试验 按照公路土工试验规程 j t j 0 5 1 9 3 中的自由膨胀率试验 t 0 1 2 4 9 3 取a b c d 四种风化程度风化砂岩适量击碎 测试其自由膨胀率 具体操作见试验规程 计算公式为 f v v v 0 式中 f 一自由膨胀率 计算至1 v 一土样在量筒中膨胀稳定后的体积 m l v 一量土杯容积 m l 即干土自由堆积体积 k 安人学顺 学位论 图i 7 重型标准击实仅 1 试验方法 圈3 8 振动击实倥 以a 种砂岩为例说明具体试验方法 取剔除大于3 75 m m 颗粒后的a 种砂岩1 2 千克做筛分试验 后将每个筛孔上的 肛l 化砂岩平分 然后混合为两个级配一致的各为6 千克的试样 留做重型标准击实试验 以及振动击实试验 将其中一份用 公路七工试验舰程 j t j 0 5 1 9 3 中击实试验 t 0 1 3 1 9 3 中的 重型标准 h 实方法进行击实 t 1 实后进行筛分 记录各筛孔筛余量 另一份用振动击实仪进行振动击吏 如e 罔38 以振动压头不再f 降作为振动击 实完毕的标准 然后进行筛分 记录各筛孔筛余量 2 汁算方浊 第三章研究方案l j 试验方法 这样经过以上三个步骤 得到a 种风化砂岩击实前后的粒径及其质量分布情况 通 过标准击实与振动击实试验结果对风化砂岩进行破碎性的评价 砂岩经过击实后其大粒 径含量减少 细粒径含量增加 也就是说砂岩在击实过程中是一个颗粒逐渐变细的过程 针对这一特性本研究采用粒径尺寸与该尺寸粒径含量的乘积作为评价砂岩破碎性的因 子 其数学计算公式如下 m l 芯 其中i 3 1 5 2 6 5 1 9 o 0 7 5 o 0 7 5 月 f b 对应的是这一粒径的含量 n 对应i 级粒径的尺寸 当粒经小于o 0 7 5 m m 时 粒径尺 寸采用o 0 3 7 5 用a 种风化砂岩的标准击实后与振动击实后的m 值变化来表征其破碎 率 用n 表示 计算公式如下 n a m 1 m 2 m 1 式中m 1 为天然级配下的m 值 m 2 为标准击实 或者是振动击实 下的m 值 3 2 3 遇水性能试验 1 干湿循环筛分试验 不同风化程度的风化砂岩均存在遇水崩解破碎 以及可溶物流失的问题 风化砂岩 干湿循环筛分试验的目的就是对水 温度交替作用下风化砂岩的颗粒变化规律进行准确 把握 1 试验方法 以a 种风化砂岩为例说明具体试验方法 取a 种风化砂岩进行筛分 取其3 1 5m m 2 6 5m m 1 9m m 1 6m m 1 3 2m m 9 5m m 4 7 5m m 粒径的石料约两千克 共七份各自放入干净容器 加水浸泡 容器内 水面高度大于容器内石料堆积高度 目的在于使石料完全浸泡 将容器封闭 防止灰尘进入