福建省永安市風化砂巖路基填料的路用性能

何瑞冰

(黎明職業大學 土木建筑工程學院，福建 泉州 362000)

路基深挖高填在山區道路的修筑中非常普遍，因此在山區修筑路基時，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中，爆破產生大量風化砂巖，若能就地取材，用于當地道路路基填筑中，將降低工程成本，有效保護環境。已有的大量研究表明：相較于其他路基填料、填石，風化巖填料的強度低，穩定性差[1-2]。王甲飛等[3]在研究千枚巖路用性能時發現風化千枚巖路基填料的路用性能受風化程度影響較大，隨著風化程度升高，其強度與穩定性均大幅度降低。李燕[4]在研究風化石灰巖路基填料的壓實性能時發現，風化巖經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]通過室內試驗發現河南山區風化砂巖的穩定性和強度均良好，無明顯的膨脹，可用于路基填筑。Miscevic等[6]在研究風化填料的工程特性時發現，風化填料在荷載的作用下，部分填料產生破碎，填充進顆粒骨架，導致路基不均勻沉降。張建華[7]通過FLAC3D軟件模擬路基施工中的分層填筑，發現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]認為通過FLAC3D模擬路基在施工過程中的變形特征，能有效指導選用合適的路基填料。目前針對風化砂巖路用性能的研究較少，且不同地域、不同風化程度等因素，都會影響風化砂巖的工程性能。因此，探究風化砂巖填料的路用性能，能有效指導福建省永安市路基填筑與環境保護。

1 原材料風化程度判定

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

2 風化砂巖物理力學性質

2.1 物理性質

取樣后在中國地質大學(武漢)結構試驗室和黎明職業大學土木建筑工程學院完成物理力學試驗。由于強風化砂巖呈碎塊狀，制樣時，強風化砂巖打磨成邊長為50 mm的立方體試件，中風化砂巖和微風化砂巖按照《公路工程巖石試驗規程》(JTG E41—2005)規定的標準試件制作。測試塊體密度時采用量積法，共準備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行測定，再由塊體密度和顆粒密度計算得出風化砂巖的孔隙率。含水率和吸水率的指標由烘干法和天然吸水率試驗得到。風化砂巖的物理性質測試結果見表1。

表1 砂巖的基本物理指標

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

2.2 力學性質

抗壓強度是體現巖石力學性質的重要指標。強風化砂巖的鉆孔巖芯破碎，采用點荷載試驗在現場完成試驗。中風化砂巖和微風化砂巖可制成標準試件后采用壓力機進行單軸抗壓強度測試，試驗設置以0.5 MPa/s的速率進行加載，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，試驗結果見表2、3。

表2 點荷載試驗結果

表3 單軸抗壓強度測試結果

根據《工程巖體分級標準》(GBT 50218—2014)對巖石堅硬程度定性劃分的標準可知：微風化砂巖的平均飽和單軸抗壓強度值>50 MPa，屬于堅硬巖；中風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 風化砂巖路基填料工程特性

3.1 級配組成

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

圖1 顆粒分析試驗結果

表4 風化砂巖的不均勻系數與曲率系數

由試驗結果可知：強風化砂巖和中風化砂巖的不均勻系數大于10，級配良好；微風化砂巖的級配不良。

3.2 壓實特性

依據圖1顆粒分析試驗結果，取不同風化程度的砂巖填料，每種風化程度制作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)。擊實試驗結果如圖2所示，中風化砂巖的最大干密度值最大。

圖2 擊實試驗結果

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

3.3 承載比試驗

選取不同風化程度的砂巖制樣，按照每層擊實數為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，試驗結果如圖3、4、5所示。

圖3 擊實次數為30時浸水時間與CBR值關系圖

圖4 擊實次數為50時浸水時間與CBR值關系圖

圖5 擊實次數為98時浸水時間與CBR值關系圖

不同風化程度的砂巖在標準重型擊實試驗中得到的CBR值均符合《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)的要求。當每層擊數為30～50時，風化程度低的砂巖，抗擊能力較強。當每層擊數達到98時，細顆粒填充進粗顆粒形成的骨架，CBR值增大。尤其是粗顆粒含量較大的中、微風化砂巖，CBR值增大的程度較大。此外，當擊實數為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、微風化砂巖的CBR值分別下降27.46%、22.35%、29.83%。當每層擊數為50時，浸水時間的增長對CBR值降低的影響逐漸減小。當每層擊數增加到98時，不同風化程度砂巖的CBR值均無明顯降低，浸水作用對其承載比無明顯影響。試驗結果說明，不同風化程度的砂巖水穩定性均良好，要保證風化砂巖路基的強度和穩定性，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定性

4.1 有限元模型的建立及賦值

通過工程資料及現場情況調查，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行分組(group)，分別為粉質黏土層、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 網格劃分及建立交界面

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

表5 摩爾-庫侖模型所需基本參數

其中，粘聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比為室內試驗得到，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黏土層分別賦予摩爾-庫侖模型及相應參數，對路基部分賦予空模型(model null)，確保路基部分的網格不參與初始應力應變的計算。同時通過“fix”命令設定邊界條件，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，保留初始地基應力，確保能更加直觀地觀察到填筑施工時，填料對地基應力應變的影響。

4.2 數值模擬結果

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參數，每層填筑完畢都需進行位移計算，施工完成后的沉降情況如圖9、10、11所示。

圖10 中風化砂巖路基沉降云圖

圖11 微風化砂巖路基沉降云圖

由圖9、10、11可知：

(1)隨著風化程度的增加，路基的沉降值逐漸增大，微風化砂巖路基的最大沉降值為50.105 mm，中風化砂巖路基的最大沉降值為87.134 mm，強風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的沉降值，選用風化程度低的砂巖作為填料可以減小路基的不均勻沉降導致的路基變形。

5 結 論

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

(1)風化程度影響砂巖密度、吸水率等物理性質。風化程度越高，砂巖內部的裂隙越多，導致其密度降低，吸水率升高。

(2)風化程度影響砂巖的力學性質。風化程度對砂巖的飽水強度影響顯著，風化程度高的砂巖，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定性至關重要，因此在選用風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定性。

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

(5)路基沉降數值受風化程度的影響顯著，采用風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)測試結果表明，該市的風化砂巖填料的強度和穩定性滿足路基要求，可以就地取材，用于當地路基填筑。