石英二长岩全风化物路基填料的可行性室内试验研究

李渊杰，李粮纲，余 雷

(1.中国地质大学(武汉)，武汉 430074;2.中铁第四勘察设计院，武汉 430063)

京沪高速铁路沪宁段穿越苏州、无锡、常州及镇江，多为地势低平的东部沿海平原地区，优质填料缺乏。通过多次勘测调查，发现南京至上海段沿线存在可利用的填料，如黏土，石英二长岩全风化物，碎石土等。沪宁段可供集中取土的料源地较少，通过室内试验对镇江石马采石场石英二长岩全风化物的工程性质进行研究，判定石英二长岩全风化物作为京沪高速铁路路基填料的可行性，指导京沪高速铁路的设计和施工。

日本20世纪60年代就开始对软岩填筑路基的可行性开展了一定的试验研究和工程实践［1］。但在道路运营过程中出现了大量工后不均匀沉降，其主要原因是沉积软岩发生粉化和表面淋滤后，在列车动荷载作用下易于发生翻浆冒泥。

国内铁路、公路以及堆石坝工程等填方工程多采用不水解的坚硬岩石颗粒作为填料，很少采用软质岩块作填料［2］。本文针对京沪高速铁路石英二长岩全风化物特征进行了室内试验，对其是否可作为填料进行了研究。

1 石英二长岩全风化物的矿物成分分析

石英二长岩分布在江苏镇江市南及东南一带，其全风化物为灰黄夹灰白色，呈砂土状，可见原岩结构面。试验所用风化物取自镇江石马采石场。

1.1 石英二长岩全风化物的矿物成分分析试验

采用X-衍射分析石英二长岩全风化物矿物成分，以探讨石英二长岩全风化物在风化过程中的物性变化特征。石英二长岩全风化物成分分析结果如表1所示。

表1 石英二长岩全风化物的矿物成分 %

从试验结果分析可知，石英二长岩全风化物矿物成分以石英和长石为主，其次是蒙脱石和高岭土等矿物，而且蒙脱石含量超过了7%，这说明石英二长岩全风化物具有一定的亲水性，且具有较强的膨胀性，作为填料其水稳性及耐久性均较差。

1.2 石英二长岩全风化物的颗粒分析试验

土的颗粒组成是土类分类与描述的主要指标，它决定了土的结构特征。颗粒成分对石英二长岩全风化物的工程性质有着非常大的影响。颗分试验采用筛分法，筛分法是利用一套孔径不同的标准筛来分离一定量的砂土中与筛孔直径相应的粒组，而后称量，计算各粒组的相对含量，确定砂土的粒度成分。

石英二长岩全风化物颗粒分析级配曲线如图1所示，颗粒分析试验结果说明，石英二长岩全风化物为粗砂，经计算其不均匀系数为Cu=6.6，曲率系数为 Cc=0.7，级配不良，作为填料其工程性质较差。

图1 石英二长岩全风化物粒径级配曲线

2 石英二长岩全风化物的击实试验

击实试验是模拟施工现场压实条件，采用锤击方法使土密度增大、强度提高、沉降变小的一种试验方法。击实试验分轻型击实试验和重型击实试验两种方法，本次试验采用重型击实的方法。在制备试样时，将石英二长岩全风化物用木锤锤碎，过40 mm筛，按4分法准备5份试样，按2%～3%的级差分别加水并拌匀(闷料时间不少于24 h)，含水量以全风化岩屑塑限含水量作参考。击实试验分3层，每层击数为98击，试筒容积为2 177 cm3。

图2为石英二长岩全风化物的击实曲线，从曲线可知，石英二长岩全风化物最优含水率为10.3%，最大干密度为1.98 g/cm3。从击实曲线上还可以看到，石英二长岩全风化物含水量变化范围控制在6.6%～13.5%以内，对应的干密度变化范围在0.06 g/cm3以内，范围很小，与黏土相比，石英二长岩全风化物含水量对干密度的影响较小;如果取压实系数Kh=0.95，对应干密度为1.88 g/cm3，已超出图2所示范围，表明风化物可压实含水量范围较大。

图2 石英二长岩全风化物的击实曲线

3 石英二长岩全风化物的承载比试验

CBR(California Bearing Ratio)即加州承载比，由美国加州公路局提出，CBR值就是试料贯入量达到2.5 mm或5.0 mm时的单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度(7.0 MPa或10.5 MPa)的比值，是评定路基填料强度的主要指标。在国外多采用CBR作为路面材料和路基土的设计参数。随着国内试验检测技术的完善，CBR试验越来越被设计及施工单位所重视，并已成为设计及施工参考依据之一。制备试件时，采用与重型击实试验相同层数且每层相同的击数，按路基施工时的最佳含水率和压实系数分别为0.95、0.98、1.00制备三个试件，每个试件分三层，每层98击，经泡水4昼夜后得出CBR值，才是路基填料真正的强度值。

石英二长岩全风化物CBR试验结果如表2所示，为了了解浸水作用的影响，本次试验做了未浸水条件下的对比试验。试验结果表明，当压实系数 Kh取0.95～1.00时，CBR值的范围在7.8% ～18.8%之间，参照高速公路标准，当压实系数为0.95时，试验值不符合路基填料要求。

试验结果还表明，水对石英二长岩风化物的CBR值有显著的影响，当压实系数Kh为0.95时，浸水后的强度值仅为未浸水强度值的44%。随着压实系数的增加，其影响趋弱。

CBR强度值随压实系数的提高而增加，如图3所示，提高压实度能显著改善石英二长岩全风化物的力学性能。

表2 石英二长岩全风化物CBR试验结果 %

图3 石英二长岩全风化物CBR值与压实系数的关系

4 石英二长岩全风化物的物理改良室内试验

考虑到石英二长岩全风化物级配不良，当压实系数为0.95时，CBR强度值偏低，因此进行了石英二长岩全风化物的室内改良试验。改良方法是采用掺入粗集料的物理改良方法，粗集料为湖州角砾土，组成颗粒以角砾为主，不均匀系数 Cu为16.17，曲率系数Cc为2.64，角砾土级配曲线如图4所示。

图4 改良用粗集料粒径级配曲线

在室内共进行了不同掺入比(10%、15%、20%、25%)的颗粒分析、击实和CBR试验，分析不同掺入比的改良效果。

4.1 颗粒分析试验

改良前后的石英二长岩全风化物颗粒组成试验结果如表3所示。

表3 石英二长岩全风化物改良前后颗粒组成试验

从颗粒分析试验结果来看，掺入粗集料后，不均匀系数随粗集料掺入量的增加而增加，由11.24增加到13.71。曲率系数相对改良前也略有增加，由0.99增加到1.15。且加入粗集料后，风化物＞2 mm的含量得到明显变化，大约占总成分的 35% ～40%，小于0.075 mm的含量也略有减少，风化物由粗砂变为砾砂，工程性质得到改善。

4.2 击实试验

改良后石英二长岩全风化物击实试验结果如表4所示。

表4 石英二长岩全风化物改良后击实指标

石英二长岩全风化物掺入粗集料后，最优含水量随掺入比的增加而减少，由9.7%减小到8.6%，最大干密度随掺入比的增加而增加，由2.10 g/cm3增加到2.14 g/cm3，石英二长岩全风化物的压实工程特性得到提高。

4.3 承载比试验

石英二长岩全风化物改良前后承载比试验结果如表5所示，CBR值与粗集料掺入量的关系如图5所示。

表5 改良后石英二长岩全风化物承载比试验结果(Kh=0.95)

由表5可以看出，石英二长岩全风化物掺入粗集料后，当压实系数Kh为0.95时，CBR值比改良前有明显提高，由改良前的7.8%增加到44.3%。由图5可知，当掺入量在10% ～25%之间时，CBR值随掺入量的增长近似呈线性关系。结合试验结果及合理经济因素，可以考虑取粗集料掺入比为15% ～20%进行现场填筑试验。

图5 CBR值与粗集料掺入量的关系

5 结论

1)从矿物成分试验结果分析可知，石英二长岩全风化物具有一定亲水性，而且具有较强的膨胀性，作为填料其水稳性及耐久性均较差。

2)石英二长岩全风化物颗粒分析试验结果说明:风化物为粗砂，不均匀系数 Cu=6.6，曲率系数 Cc=0.7，级配不良，工程性质较差。从改良后的石英二长岩全风化物颗粒分析试验结果来看，掺入粗集料后，风化物从粗砂变为砾砂，工程性质得到明显改善。

3)石英二长岩全风化物含水量的变化范围控制在6.6%～13.5%以内，对应的干密度变化范围在0.06 g/cm3以内，范围很小，与黏土相比，石英二长岩全风化物含水量对干密度的影响较小;如果取压实系数Kh=0.95，对应干密度为1.88 g/cm3，试验表明风化物可压实含水量范围较大。石英二长岩全风化物掺入粗集料后，最优含水量随掺入比的增加而减少，最大干密度随掺入比的增加略有增加，风化物的压实工程特性得到提高。

4)试验结果还表明，水对石英二长岩风化物的CBR值有显著的影响，当压实系数为0.95时，浸水后的强度值仅为未浸水强度的44%。随着压实系数的增加，其影响趋弱。CBR强度值随压实系数提高而增加，提高压实度能显著改善石英二长岩全风化物的力学性能。

5)石英二长岩全风化物掺入粗集料改良后CBR值比改良前明显提高，当掺入量在10% ～25%之间时，强度值随掺入量增长近似线性关系。结合试验结果及合理经济因素，可以考虑取粗集料掺入比为15%～20%进行现场填筑试验。

［1］冯沅，刘军勤.开山软岩填筑路基施工技术［J］.山西交通科技，1997(4):35-38.

［2］中华人民共和国交通部.JTJ013—95 公路路基设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1995.