弱～强风化泥质粉砂岩改良技术研究

何 泽，袁 伟

(1.广东博意建筑设计院有限公司，广东 顺德 528312;2.中国市政工程西北设计研究院有限公司 武汉分院，武汉 430056)

某铁路客运专线沿线分布有大量的弱～强风化泥质粉砂岩。通过室内试验得知，这是一种易风化的软质岩。国外在筑路过程中如遇易风化的软岩，一般采用废弃或延长施工工期(延长工期是为了使软岩完全风化)方式处理。而我国受土地资源、经济状况、建设周期等条件限制不能照搬，因此开展弱～强风化泥质粉砂岩改良技术的研究具有非常重要的经济价值和工程实践意义。

1 弱～强风化泥质粉砂岩的基本工程特性

1.1 天然状态

泥质粉砂岩手摸有粗糙感，细砂含量多，等粒结构，致密块状构造。强风化泥质粉砂岩可以用风镐破碎开采，弱风化泥质粉砂岩需爆破开采，爆破后岩块直径一般为0.1～2.0 m。

1.2 化学成分和矿物成分

表1列出了弱～强风化泥质粉砂岩样品的化学成分。该岩样以SiO2为主。

表2列出了弱～强风化泥质粉砂岩样品的主要矿物成分。该岩样以石英、钠长石为主，占69.88%，其次是黏土矿物高岭石。

弱～强风化泥质粉砂岩的化学成分和主要矿物成分，使得该岩石具有强度低、弱膨胀性、易风化等特点。

1.3 物理力学指标

通过室内试验，得到各项力学指标见表3。由表3可知，弱～强风化泥质粉砂岩属于一种软岩，具有易崩解、易软化、易风化、弱膨胀性的工程特点。

表1 弱～强风化泥质粉砂岩化学成分

表2 弱～强风化泥质粉砂岩主要矿物成分

表3 弱～强风化泥质粉砂岩物理力学指标

2 弱～强风化泥质粉砂岩破碎料的改良措施

弱～强风化泥质粉砂岩破碎料直径较大，如果碾压不充分，会在列车荷载作用下继续发生粉碎而造成沉降。因此，弱～强风化泥质粉砂岩破碎料不宜直接使用。

2.1 弱～强风化泥质粉砂岩破碎料的颗粒分析

根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2004)［1］规定，取一部分浸泡不同时间的弱 ～强风化泥质粉砂岩破碎料进行筛分试验，试验结果见图1。

图1 弱～强风化泥质粉砂岩破碎料颗粒级配曲线

从图1可看出:

1)弱～强风化泥质粉砂岩破碎料的颗粒粒径受浸水时间的长短影响不是很大;

2)弱～强风化泥质粉砂岩破碎料属于圆砾土，细颗粒含量在30%左右。无论按其抗风化能力还是按其细颗粒含量，应将其划归到路基填料C组中去;

3)弱～强风化泥质粉砂岩破碎料颗粒级配曲线比较平缓，但存在一小段平坡，表明破碎料缺乏0.2～2.0 mm范围内的颗粒。

2.2 弱～强风化泥质粉砂岩改良方法的确定

根据文献［2］，改良应优先选用物理改良的方法，即向其中掺加粒料。弱～强风化泥质粉砂岩经破碎后，粒径分布很不均匀，级配良好。但因其在碾压过程中可能会发生二次破碎，从而导致现场颗粒级配与室内试验的颗粒级配存在一定的差别。另外，由室内筛分曲线发现，弱～强风化泥质粉砂岩破碎料缺乏0.2～2.0 mm范围内的颗粒，并且细颗粒含量偏多，用于路堤的填筑时，对路堤的稳定性是不利的。因此，应该选用一些工程性质比较稳定、粒径比较粗大、0.2～2.0 mm范围内的颗粒含量相对比较多的材料添加。

综上所述，并考虑到施工的方便与经济性，决定选用中粗砂作为弱～强风化泥质粉砂岩的改良剂。实际所用中粗砂的筛分曲线见图2。

2.3 弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土外加料剂量的确定

图2 所用中粗砂的颗粒级配曲线

本文拟从物理力学性质指标出发，采用掺入不同含量中粗砂的方法改良弱～强风化泥质粉砂岩的颗粒级配和CBR值，从而确定最佳的中粗砂剂量。

2.3.1 不同掺砂量的泥质粉砂岩物理改良土的颗粒级配

根据弱～强风化泥质粉砂岩破碎料以及中粗砂的筛分结果，从而绘制出颗粒级配曲线，见图3。从图3可知，随着掺砂量的增加，混合料中0.2～2.0 mm范围内的颗粒会相对地有所增加，0.075～0.20 mm范围内的颗粒会相对地有所减少，细颗粒含量呈现下降的趋势，掺砂量达到15%以后，细颗粒含量不超过25%。混合料的颗粒粒径所发生的变化，使得混合料在物理性质方面得到改善。

2.3.2 不同掺砂量的泥质粉砂岩物理改良土的CBR值

CBR试验严格按照《公路土工试验规程》(JTJ 051—93)［3］进行。图4为30击泡水4天的物理改良土CBR值随不同掺砂量的变化情况。可知，随着掺砂量的增加，土体的CBR值会提高，膨胀量会有所减少。根据日本铁路对路基填料CBR值的要求(CBR＞10%)［4］，弱 ～强风化泥质粉砂岩掺入15% ～25%的中粗砂改良后，CBR值高达12.4% ～13.2%，能用于高速铁路路基填筑。由图3和图4可见，掺入15%的中粗砂后，弱～强风化泥质粉砂岩的物理力学性质得到明显改善，具备填筑高速铁路不浸水路堤本体部分的可行性。但考虑到现场施工时，会出现掺量的不准确性与拌合的不均匀性，特将实际掺砂量调整到20%。

3 循环击实与碾压对弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土的影响

3.1 改良土在循环击实泡水条件下的颗粒级配变化

图3 不同掺砂量的泥质粉砂岩物理改良土的颗粒级配曲线

图4 泥质粉砂岩物理改良土CBR值随掺砂量的变化

为了模拟弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土填筑的路堤在很不利的外界条件下(浸水及重复荷载的作用)可能发生的一些工程情况，在室内采取循环击实并泡水的试验方法重点研究击实土样颗粒粒径的变化情况。具体试验步骤见表4，试验结果见表5及图5。从试验结果可知:泥质粉砂岩物理改良土在锤击及泡水的作用下，细颗粒含量会有所增加，高达46%，这对填料的长期稳定性是不利的;同时还发现，当击实功达到一定的值后，泥质粉砂岩物理改良土能够达到密实的状态，其崩解性得到很大程度的改善，颗粒粒径基本上不再受泡水与击实的影响，抗压性能及水稳定性均良好。

3.2 改良土在碾压前后的颗粒级配变化

泥质粉砂岩物理改良土在室内击锤的作用下，会使其细颗粒含量偏多，但击实试验的锤击和压路机的振动碾压作用机理差别较大，因此室内试验研究成果不一定与现场施工的情况吻合。为了研究现场施工对泥质粉砂岩物理改良土颗粒粒径的影响，在碾压前后对物理改良土填料取样进行筛分试验，试验结果见表6及图6。从试验结果可知，泥质粉砂岩物理改良土的颗粒粒径受碾压机械的影响很小，细颗粒含量虽然会有所增加，但总量不超过35%，增量为5%左右;颗粒级配曲线依旧良好，符合要求［5］。

表4 泥质粉砂岩物理改良土循环击实与泡水试验的步骤

表5 泥质粉砂岩物理改良土循环击实与泡水筛分结果 %

表6 泥质粉砂岩物理改良土碾压前后筛分结果 %

图5 泥质粉砂岩物理改良土循环击实与泡水颗粒级配曲线

4 弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土现场填筑质量及路堤沉降观测

4.1 现场填筑质量检测

弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土全部用于某客运专线试验段路堤本体的填筑，共填筑了6层。每层压实后都进行各项物理力学指标的检测(见表7)，结果表明，地基系数K30、动态变形模量 Evd、二次变形模量Ev2和孔隙率n等力学指标都满足规范要求。

图6 泥质粉砂岩物理改良土碾压前后颗粒级配曲线

4.2 路堤沉降观测

在试验段的两个断面中心线处路堤本体内各埋设一个单点沉降计，进行路堤本体沉降观测。监测结果表明，该路堤本体的压缩沉降量很小，不超过6 mm，但沉降还有进一步发展的趋势，尚待持续观测。

表7 泥质粉砂岩物理改良土压实控制指标实测数据统计值

5 结语

对于不宜直接用作高速铁路路基填料的弱～强风化泥质粉砂岩，掺入中粗砂进行物理改良，经过大量的室内试验和现场实测，得到了以下重要结论:

1)弱～强风化泥质粉砂岩掺入20%中粗砂后，级配曲线更加平缓，且不存在平坡段，颗粒不均匀性良好，粒径变化范围较大，有利于填料压实质量的控制。

2)弱～强风化泥质粉砂岩掺入20%中粗砂后，能够提高土体的CBR值，水稳性得到增强。在压实系数达到92%时，改良土的CBR值高于10%，完全能用作高速铁路路基填料。

3)弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土经击实或碾压以后，崩解性得到很大程度的改善，抗压性能及水稳定性均良好，不过最好不要用作浸水路堤填料。

4)弱～强风化泥质粉砂岩物理改良土经过现场填筑压实以后，质量很好，沉降变形量很小。

［1］中华人民共和国行业标准.TB10102—2004 铁路工程土工试验规程［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］徐培华，王安玲.公路工程混合料配合比设计与试验技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］中华人民共和国行业标准.JTJ 051—93 公路土工试验规程［S］.北京:人民交通出版社，1993.

［4］(日)薄，宫林，小岛等.铁道部科学研究院译.采用软岩弃碴的大型填土的设计和施工［J］.土与基础，1984，32(7):53-59.

［5］铁道部第三勘察设计院，铁道第四勘察设计院.京沪高速铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2004.