贵州地区炭质页岩填料路用性能与路基结构设计研究

2017-07-19 15:18  来源:中国岩土网  阅读:379
针对贵州地区高速公路炭质页岩路基填筑问题,开展了炭质页岩填料的路用工程性质试验,分析了不同干湿循环条件下炭质页岩填料CBR及回弹模量变化特征

贵州地区炭质页岩填料路用性能与路基结构设计研究

张静波1,吕岩松2,王 云1

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉市 430056;

2.贵州高速公路集团有限公司 贵阳市 550004)

摘 要:针对贵州地区高速公路炭质页岩路基填筑问题,开展了炭质页岩填料的路用工程性质试验,分析了不同干湿循环条件下炭质页岩填料CBR及回弹模量变化特征,发现:炭质页岩填料长期强度受干湿效应与风化作用衰减显著,其CBR随试样浸水时间增加逐渐降低,浸水7天后才渐趋稳定,比浸水4天的下降35.7%;其CBR与回弹模量随着干湿循环次数增加均出现衰减,5次循环后的稳定值较干湿前分别下降了48.7%和21.0%。建议采用5次干湿循环后CBR值作为炭质页岩填料的长期强度指标,试验表明该类填料的长期稳定CBR值满足下路堤填料强度要求。同时本文提出了贵州地区高速公路炭质页岩路基典型路段的处治措施及路基结构型式,可为类似工程提供参考。

关键字:炭质页岩 工程性质 干湿循环 崩解 CBR 路基结构

中图分类号: U417.33       文献标志码: A            文章编号:


炭质页岩是一种富含碳质的沉积岩,具有易风化崩解、遇水软化、难以压实等特点,采用炭质页岩填筑的路基,在行车荷载和大气环境作用影响下容易产生较大的沉降和不均匀变形,甚至产生路面开裂、边坡溜塌等路基路面病害。过去的高速公路路基工程建设中,一般均采取弃方换填处理方法。但随着我国高速公路建设向西部山区快速发展,很多地区匮乏适宜的路基填料,从经济与环保两方面考虑,在炭质页岩广泛分布区域,将路堑及隧道开挖的炭质页岩利用起来进行路堤填筑势成必然。关于炭质页岩,目前国内外学者做了较多的研究工作,如付宏渊[1]、解廷堃[2]、莫凯[3]、刘子昂[4]、曾玲[5]、罗根传[6]、王荆[7]等对炭质页岩的物理力学性质进行了详细研究,取得了许多有益的结论。我国炭质页岩分布广泛,不同地区炭质页岩填料性质及气候环境存在差异,尚需对不同地区炭质页岩的干湿效应与长期性能、及填料适用性与处治措施等开展更多探索。

本文以贵州地区炭质页岩为研究对象,开展炭质页岩填料的室内工程性质试验和干湿循环试验,分析其路用长期工程性能及作为路基填料的结构型式,为类似工程提供参考。

1炭质页岩填料路用工程性质

1.1基本性质

室内试验试样取于现场碾压试验段,根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007),得到风化炭质页岩岩屑的塑限为14.56%,液限为22.57%,干燥饱和吸水率约为15.52%,饱和渗透系数为5.8×10-5cm/s,说明炭质页岩填料液限值较低,满足规范上对路基填土的要求,但渗透性较大,施工时应注意其浸水软化现象。

图1击实曲线

图1击实曲线

根据重型击实试验得到击实曲线(图1),得到最大干密度2.24g/cm3,最优含水量为5.5%,与其天然含水量相近。从击实曲线也可看出,炭质页岩对含水率非常敏感。

由于炭质页岩填料含有较多粗颗粒,用一般的击实试验所求得的最佳含水量和最大干密度与现场的碾压施工差距较大。因此最佳含水量一般应为室内试验与现场试验综合确定,施工时含水量一般控制最佳含水量的±2%限值以内。

1.2崩解性

炭质页岩具有渐进崩解的特性,崩解过程中结构逐步退化,强度逐步丧失,并逐渐风化崩解为颗粒堆积物。为了研究炭质页岩崩解特性,采用室内泡水崩解和自然风化崩解相结合的试验方法。

图2.3


试样室内崩解如图2,炭质页岩经室内清水浸泡30天后,仅在表层出现少量的微裂纹,整体结构性未破坏,耐崩解性较强。在填料临时堆放场选取有代表性的岩块,持续观测其在日晒、雨水等自然条件循环作用下的风化崩解情况,见图3,不到半年时间完整岩样几乎全部风化崩解成块石状土和细粒土,在雨水浸泡之下,表层呈淤泥状。

可见,炭质页岩作为路堤填料,对环境中水的影响比较敏感,尤其抵抗干湿循环崩解能力较差,路堤边坡可能会产生较大变形,因此炭质页岩路堤边坡设计时应重点加强其防排水与防风化能力。

1.3 CBR值

CBR值可以反映土体的局部抗剪强度与水稳定性,是保证路基长期浸泡在水中土体结构不被破坏的技术依据之一。按《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)作压实度为93%的炭质页岩CBR试验。

试验时,饱水时间分别考虑为浸水0天(不浸水)、2天,4天、6天及浸水8天五种条件,图4给出了炭质页岩填料不同浸水时间的CBR试验结果。

图4

图4 CBR值与浸水时间关系

试验结果表明,CBR值受浸水时间的影响较大,未浸水试样CBR值高达35.0,浸水2天的CBR值衰减到15.0,为未浸水试样CBR值的42.8%,其后CBR会随着泡水时间的增长降幅趋缓,近似成线性降低。炭质页岩浸水4天后的CBR值位9.5,满足规范中的相关规定。浸水7-8天后CBR值趋于稳定,下降为6.1,较浸水4天的CBR降低了35.7%。此外,浸水时间较长时,试件表面产生较明显的淤泥。CBR试验完成后拆样,可明显看出,浸水时间越长,试样内部越湿,含水量越大。这也进一步佐证了炭质页岩具有明显的软化特性,浸水后,其强度明显减小。因此,炭质页岩作为路基填料时,必须采取一定的防水措施。

1.4回弹模量

室内回弹模量试验按《公路土工试验规程》的承载板法进行,按击实试验重型II法制备试件,采用不浸水及分别浸水2d、4d、7d及15d多种工况,得出不同浸水时间下炭质页岩填料试验的回弹模量变化特征(图5)。

图5

图5 不同浸水时间下回弹模量

与CBR类似,回弹模量受泡水时间的影响同样较大,未浸水试样回弹模量为70MPa,比浸水试样回弹模量大很多,回弹模量随着泡水时间的增长先快速降低,浸水4天后,回弹模量下降为45MPa,当浸水7天后,回弹模量随浸水时间的增长趋于稳定,回弹模量降至38 MPa,较不浸水状态下降了45.7%,而相对浸水4天的回弹模量下降了15.6%。

2炭质页岩填料干湿循环效应与性质变化

2.1 干湿循环条件下CBR变化特征

进一步研究环境干湿效应对炭质页岩的强度指标影响特征,开展了炭质页岩0次、1次、3次、5次、7次干湿循环下CBR试验。

干湿循环过程:一次干湿循环试验包括浸水饱和及风干失水两个过程。试样制备完成后让试样底部浸水,让试样在毛细作用下饱和,然后逐步升高水位直至试样全部浸入水面以下为止,让试样在水下浸泡4天(或7天)后,完成浸水饱和过程(0次干湿循环);浸水饱和后将试样从水中取出,放于阴凉处,通过控制质量的方法使试样风干至其含水率为制样含水率,完成风干失水过程,继续泡水饱和处理(此为干湿循环1次)。重复上述过程,依次完成不同干湿循环次数的CBR试验。

图7

图7 不同干湿循环次数下CBR

通过各次循环后的CBR结果可以看出,随着干湿循环次数的增加,试样的CBR值逐渐降低,经历5次循环后趋于稳定,同时单次泡水4天比单次泡水7天强度降低幅度要大,但两者在5次循环后最终稳定值相差不大,但浸水时间短时经历的干湿循环次数要多。在经历5次干湿循环后,试样的CBR值衰减为4.0左右,基本能满足下路堤填料的最小强度要求,但较浸水前下降48.7%。由此可见,炭质页岩填料的CBR值受环境干湿效应影响显著,其强度指标应考虑长期稳定性,宜采用5次干湿循环后的稳定CBR值。

2.2干湿循环条件下回弹模量变化特征

采用与干湿循环下CBR试验类似的方法,进行炭质页岩0次、1次、3次、5次干湿循环下回弹模量试验,试验结果见图8。

图8

图8 不同干湿循环次数下回弹模量

试验结果表明,随着干湿循环次数的增加,试样的回弹模量逐渐降低,同样呈现先快后慢的趋势,3~5个干湿周期后,回弹模量趋于稳定,衰减为30~35MPa,较浸水前约下降21.0%。此外单次泡水4天比单次泡水7天回弹模量降低幅度要大,不同干湿循环方式下回弹模量最终稳定值相差不大。

3炭质页岩路基典型结构设计

室内工程性质试验和干湿循环试验表明,炭质页岩填料具有易风化崩解、吸水软化的不良工程特性,对环境干湿效应及风化作用的影响十分敏感,因此,高速公路炭质页岩路基应做好路基结构设计,并做好路基防排水,具体如下:

1)填方路段:炭质页岩填料宜用于下路堤填筑,路堤中心填高不宜超过8m,路堤底部应填筑厚度不小于50cm的砂砾或硬质岩石渣等透水性材料。路堤采用“5+1”方式进行填筑,即5层炭质页岩(松铺厚度30~40cm)+1层砂砾石或硬质岩石渣(厚度≥30cm);并在软岩填料顶面铺设一层复合防渗土工膜,阻隔路面水对软岩路堤的软化影响;边坡宜采用植生袋或骨架植草防护,当采用骨架植草防护时,边坡宜采用粘性土进行包盖封闭。具体方案详见图9、图10,图中尺寸单位均以厘米计。

图片未命名

图9 填方路基处治横断面型式-1

图片未命名

图10 填方路基处治横断面型式-2

2)零填及软岩挖方路段:若路面下地基为炭质页岩,应相应超挖换填1.5m厚砂砾或硬质岩石渣,并在超挖层底面铺设一层复合防渗土工膜,路侧边沟下设置渗沟。具体方案详见图11,图中尺寸单位均以厘米计。

图片未命名

图11 零填及挖方路段处治横断面型式

3)软岩路堤横向填挖交界处:宜在路床范围铺设双层土工合成材料,铺设长度为填挖交界处两侧各不小于8m,当路幅宽度小于8m时,可满铺土工合成材料,其边缘宜采用反包处理。具体方案详见图12,图中尺寸均以厘米计。

图片未命名

图12 横向填挖交界处治横断面型式

4)路基纵向填挖交界处:路床范围挖方段土工合成材料长度不宜小于8m,填方段土工合成材料长度应覆盖过渡段,延伸至一般填方区的长度不宜小于5m。岩石路段的路基填挖交界处,宜采用高强立体型土工合成材料。具体方案详见图13,图中尺寸均以厘米计。

图片未命名

图13 纵向填挖交界处治横断面型式

4结论

本文以贵州地区炭质页岩为对象,开展了炭质页岩填料的室内工程性质试验和干湿循环试验,分析了其路用长期工程特性及路堤结构型式,得出以下主要结论:

(1)炭质页岩填料的CBR与回弹模量随着试样浸水时间增加均出现衰减,其中浸水前2天降幅最为明显,浸水时间到达7天后逐渐趋于稳定,比浸水4天的分别下降了35.7%与15.6%。

(2)随着干湿循环次数的增加,炭质页岩填料的CBR与回弹模量逐渐降低,经历5次循环后趋于稳定,5次循环后的稳定值较干湿前分别下降了48.7%和21.0%。

(3)相较于单次浸水时长,炭质页岩的长期性质受干湿循环效应与风化作用衰减更为显著,建议采用5次干湿循环后CBR值和回弹模量值作为炭质页岩填料的长期强度指标,试验表明,炭质页岩的长期稳定CBR及风化料液限等指标满足下路堤填料规范要求。

(4)针对炭质页岩填料易风化崩解、吸水软化的不良工程特性,给出了适用于贵州地区高速公路的炭质页岩填方、挖方、填挖交界等路段的处置措施及典型路基结构型式。

参考文献

[1] 齐洪亮,田伟平.中国极软岩的分布及对公路建设的影响[J]. 公路,2007, (12).

[2] 刘燕,吴国雄等.西部红层软岩地区高速公路路堤与桥梁方案评价研究[J]. 公路,2007, (01).

[3] 付宏渊,陈宗浩等. 室内模拟气候条件下炭质页岩崩解试验研究[J]. 公路与汽运,2011,(4).

[4] 莫凯.炭质泥岩水理特性及其路堤工后动力变形特征研究[D].长沙理工大学硕士论文,2013.

[5] 刘子昂,满立,别江波.贵州六盘水炭质泥岩工程特性研究[J].岩土工程技术,2014,28(1).

[6] 曾铃,付宏渊等.三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(3).

[7] 罗根传,付宏渊等. 预崩解处理后炭质页岩路用性能试验研究[J]. 中外公路,2012,(1).

[8] 王荆. 炭质页岩隧道弃渣的浸水特性试验研究[J]. 湖南城市学院学报(自然科学版),2014,(1).

(0)
(0)

我有话说

全部评论(0)

沙发空缺中,还不快抢~

张静波

张静波+加关注被关注:1292访问量:4913
注册岩土工程师高工
TA的评论分类经验心得(6)行业观察(0)热点解读(0)岩土杂谈(0)
TA发表的最新评论
贵州地区炭质页岩填料路用性能与路基结构设计研究
针对贵州地区高速公路炭质页岩路基填筑问题,开展了炭质页岩填料的路用工程性
阅读(378)2017-07-19
贵州省重载高速公路软岩路堤填料分级标准研究
本文结合贵州省高速公路所惯用的典型沥青路面结构,采用动变形控制方法对重交
阅读(292)2017-07-17
路基动压应力的现场测试分析
为探索车辆荷载作用下路基内动应力的分布及衰减规律,依托贵州惠罗高速公路项
阅读(640)2017-07-17
最新关注TA的人1292人关注
19122158711912215871yeziyetiyeyeziyetiyefirstdancefirstdancetangkaisuotangkaisuo浙江中林浙江中林ayangnaayangnaw45350956w45350956272153959272153959627091140627091140181866630821818666308299413683499413683414114339801411433980小蒋666666小蒋666666xch0306xch0306huangfuxingbahuangfuxingba欧杰杰欧杰杰10369273421036927342kate777kate777mwp406978131mwp40697813178728591178728591123618548592361854859
扫一扫,关注微信