气孔构造玄武岩填料压实质量控制方法研究

刘江波，周师凯，田 军，曲诗章，刘晓明

(1.海口市市政工程设计研究院，海南 海口 570100； 2.湖南省张桑高速公路建设开发有限公司，湖南 张家界 427000； 3.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

1 概述

气孔状是典型的岩浆岩构造之一[1-2]。气孔状岩浆岩在全球分布广泛。在海南省火山地区地表广泛分布气孔构造玄武岩，在这些区域修筑道路需采用这类岩石作为填料，这类气孔构造玄武岩属于岩浆岩，成岩材料质地坚硬，本应为“硬质岩”，但由于存在大量气孔，岩石整体强度低于30 MPa，因此又属于软质岩。路基压实质量对道路的安全、高效运营有着重要影响[3-4]，这种质硬的软岩之前研究较少，又由于其岩块密度因气孔含量不同差异显著，按常规填石路堤的固体体积率测试又不合适，因此深入研究气孔构造玄武岩软质岩填料路基的压实质量控制方法显得很有必要。为了控制路基的压实质量，蔺彪[5]等利用静力贯入测定路基压实度，盛安连[6]等、苏卫国[7]等、张宜洛[8]等利用瞬态冲击法测定路基压实度，金书滨[9]等采用动土应力值来评价填石路基压实效果，刘丽萍[10]等提出采用空隙率法及考虑粗粒料含量的改进最大干容重理论计算法来分析土石混合料的压实情况，而相关规范规定对于硬质岩填石路堤的检测参数为固体体积率[11]。

对于这类成岩材料坚硬但整体强度较低、密度变异大的气孔构造玄武岩填料的压实质量控制方法尚未见研究成果。本文以海口市典型的气孔构造玄武岩填料为研究对象，通过开展现场压实试验，然后采用灌水法测试、沉降观测等方法对路基压实前后的状态进行测试，结合颗粒级配分析来探讨硬质软岩填料的压实质量控制方法，希望本研究能深化相关技术工作者对特殊路基填料的理解。

2 路基填料和压实工艺

2.1 气孔状玄武岩填料

如图1所示气孔状玄武岩是取自海南省海口市的中等风化玄武岩，呈灰色、灰褐色，隐晶质结构，气孔状构造，主要矿物成分为斜长石、辉石和橄榄石等。裂隙稍发育，岩石材质坚硬，但样品岩石标准试样的饱和抗压强度区间为21.36～29.72 MPa，属软质岩。

图1 气孔构造玄武岩

2.2 压实设备及压实工艺

为了研究此类岩石填料的压实特性，开展了现场压实试验。考虑到玄武岩的质地、力学强度特征，根据碾压试验路段的测试结果及已有填石路基压实施工经验[12]，试验采用静压及振动压实相结合并辅以冲击压实的碾压方式进行碾压，压实设备有18～22 t压路机及SD30T冲击碾压机(最大瞬间冲击功率30 kJ)。现场工作流程为：在现场的水文环境、地质情况勘察以及可能需要的临时排水装置设施安装等项目落实后，进行现场测量放样—填料开挖及装运—填料逐层填筑—逐层摊铺整平—碾压—压实质量检测，并按要求在碾压方案确定前进行碾压试验，依据规范要求[13]，关键施工控制技术要求有：①路堤填料粒径尽量控制在400 mm以内，并不宜超过层厚的2/3。对于粒径过大的进行二次破碎，直到满足最大粒径要求。②路床底面以下400 mm内，填料粒径控制在150 mm以内，路床填料粒径需控制在100 mm以内，填料应分层摊平，当石料性质差异性比较大时，不同性质的石料应分层分段填筑。③碾压组合为：先静压2遍，然后进行弱振2遍，强振3遍，再用压路机静压1遍，检测压实质量合格后进行冲击碾压施工，以进一步验证压实质量，压路机运行速度为2～4 km/h。碾压过程中同步进行沉降观测，路基压实现场如图2所示。

图2 路基压实现场

3 压实质量检测

3.1 灌水法

考虑填料粒径较大，采用灌水法进行密度试验。根据规范要求[14]，在同一区域内整平场地，分别在压实前后现场人工挖出直径约为1.2 m试坑，如图3所示。记录压实前后试坑中储水质量及挖出的土体质量，即可得出试坑体积及密度，测试结果数值见表1。

图3 灌水法现场试验

表1 灌水法试验结果Table1 Testresultsofirrigationmethod压实前后灌水体积/L试坑土体质量/kg天然密度/(103kg·m-3)压实前322.18493.921.53压实后316.69545.131.72

3.2 沉降观测

在碾压过程中，同时进行路堤表面沉降观测，以掌握路基变形特征。在各测点位置每压实一次记录一次测点高程，计算出同一试验段同一断面不同测点的平均分级沉降量及累计沉降量，选取代表性“碾压遍数-沉降量”数据绘于图4中。

图4 碾压遍数与沉降量关系

如图4所示：随着碾压遍数的增加，路堤表面累计沉降逐渐增大后趋于平稳，碾压过程中初始静压2遍沉降增加显著，表明此时松铺填料被碾压，填料孔隙显著减小；随后的弱振2遍，粗粒被进一步填充，沉降差变化较稳定；紧接着进行强振3遍，强振初始分级沉降量明显增加，此时压实作用影响变大，部分巨粒转为粗粒后沉降继续发展，填料被进一步压密，沉降量逐渐趋于稳定至最后一次强振，分级沉降变为2 mm左右。最后进行静压一遍，路基平整、总沉降基本不变，沉降差在2 mm以内，满足规范要求[9-10]。

4 压实前后的级配特征

4.1 颗粒级配变化

普通软质岩填料在压实过程中，总是伴随着颗粒级配的变化，为此本研究对气孔构造玄武岩填料碾压前后的颗粒级配进行了测试。测试样品为灌水法挖出的固体。逐级筛分后，记录填料粒径及其对应的质量，然后绘制颗粒级配曲线。如图5所示为筛分后按粒组堆好的填料，图6为筛分后绘制的填料颗粒级配曲线。

图5 填料筛分现场

图6 填料级配曲线

从图6定性来看，碾压前后填料的颗粒级配差异并不显著，将各粒组整理如表2所示。

表2 填料不同组分含量Table2 Differentcomponentcontentsoffillingmaterials试验情况细颗粒含量/%细粒组/%粗粒组/%巨粒组/%压实前3.490.0317.8282.15压实后2.840.0126.4073.59

从表2可知压实后，巨粒组含量减少量约为8.56%，而粗粒组含量增加约为8.58%。将5 mm作为粗、细颗粒的分界粒径[14]，而细颗粒填料含量并未出现大的波动。

4.2 压实前后填料级配特征分析

无粘性填料的级配特征是决定其物理性质的关键因素，直到分形理论的出现，如何表征填料级配的特征一直是个难题。分形理论由MANDELBROT[15]提出，是研究不规则几何形状、复杂系统的有力工具[16]。分形理论在填料方面有广泛的应用，如舒志乐[17]等通过试验分析说明土石混合体在统计意义上具有自相似性。周荣[18]等研究了级配分形维与粗粒填料压实特性的相关性，陈镠芬[19]等分析了粗粒土级配分形维与缩尺后颗粒级配分形维的关系并利用分形维对颗粒破碎情况进行了定量分析。1992年TYLER和WHEATCRAFT[20]从“质量-粒径”分布角度提出可以方便计算级配分形维数的计算式(1)，为分形维的计算开辟新途径。

(1)

式中：R为某一特征粒径；r为粒径小于R的任一颗粒粒径，RL为最大粒径；M(r

将压实前后气孔构造玄武岩填料的级配曲线表达成双对数坐标形式，并在此条件下对两个级配曲线进行线性拟合，得到填料的分形曲线如图7所示，由此可得压实前后填料的分形维数分别为2.132和2.201。

图7 填料级配分形曲线

结果表明，压实后填料的分形维虽有所提高，但提高不大。说明在压实过程中，填料的级配结构变化不大。

5 适用压实质量检测方法讨论

在粗粒料填筑体的压实质量控制方法中，采用灌水法检测路基固体体积率是一种常用的方法。如表1所示，压实前后现场路基填料密度增加，但是要用灌水法测填料密度计算固体体积率，则还需要粗粒料本身的表观密度。对于气孔构造的软质玄武岩这是困难的，因为岩石中存在大量封闭气孔导致软质玄武岩的密度变化很大，在极端的情况下，这类软质玄武岩甚至可以浮在水面(此时，称为浮石)。如图1、图5所示，观察填料粒径大小的分布及形状特征发现，玄武岩填料有气孔发育并且气孔分布不均，在此情况下很难通过试验得到该气孔状玄武岩填料的固体体积，因此不宜采用固体体积率控制路基填料压实效果。所以，软质玄武岩填料压实质量不适合采用灌水法检测。

虽然颗粒分析表明压实作用主要是将少部分巨粒破碎，但是填料压实前后分形维的稳定性表明，路基压实过程中的沉降来自颗粒间空隙的减小，并非颗粒破碎。因此采用沉降观测来控制压实质量是可行的。由于颗粒结构不发生显著变化，压实作用多体现在令其移动到更稳定的位置，而不是将其破碎，所以每一遍压实作用，都将使得路堤力学强度提高，直至完全稳定。压实过程中填料逐渐稳定的过程，在变形上可以反映出来，体现为沉降观测值趋于稳定的特征，所以对于软质玄武岩填料，结合合适的压实设备、施工工艺采用沉降观测法控制其压实质量的结果是可信的。

6 结论

气孔构造玄武岩具有成岩材料质地坚硬、整体强度低的特点，是一种硬质软岩，本文在现场试验的基础上，通过灌水法、沉降法检测，结合压实前后的颗粒级配测试及分形理论分析，得到以下结论：

a.基于分形理论分析表明，压实前后分形维没有明显变化，因此常见的压实机械和功能不能改变本文所研究气孔构造玄武岩的颗粒状态。

b.强度20～30 MPa之间的气孔状玄武岩填料路基的压实质量可以结合合适的压实设备、施工工艺，采用沉降观测法来控制。

因此，对于气孔构造玄武岩路堤的质量评价有效方法是沉降测量法，建议此类路堤施工中，采用沉降观测法获取压实工艺参数后，严格按压实工艺施工作为压实质量控制方法。