福建省永安市风化砂岩路基填料的路用性能

何瑞冰

(黎明职业大学 土木建筑工程学院，福建 泉州 362000)

路基深挖高填在山区道路的修筑中非常普遍，因此在山区修筑路基时，对填料需求量大，同时运输成本高。在福建省永安市的道路建设中，爆破产生大量风化砂岩，若能就地取材，用于当地道路路基填筑中，将降低工程成本，有效保护环境。已有的大量研究表明：相较于其他路基填料、填石，风化岩填料的强度低，稳定性差[1-2]。王甲飞等[3]在研究千枚岩路用性能时发现风化千枚岩路基填料的路用性能受风化程度影响较大，随着风化程度升高，其强度与稳定性均大幅度降低。李燕[4]在研究风化石灰岩路基填料的压实性能时发现，风化岩经过充分压实可以有效改善颗粒级配情况，保证足够的压实度。徐天明[5]通过室内试验发现河南山区风化砂岩的稳定性和强度均良好，无明显的膨胀，可用于路基填筑。Miscevic等[6]在研究风化填料的工程特性时发现，风化填料在荷载的作用下，部分填料产生破碎，填充进颗粒骨架，导致路基不均匀沉降。张建华[7]通过FLAC3D软件模拟路基施工中的分层填筑，发现地基沉降最大的地方是路基中心处，且沉降值受到填土干密度、弹性模量和泊松比影响。Mestat等[8-15]认为通过FLAC3D模拟路基在施工过程中的变形特征，能有效指导选用合适的路基填料。目前针对风化砂岩路用性能的研究较少，且不同地域、不同风化程度等因素，都会影响风化砂岩的工程性能。因此，探究风化砂岩填料的路用性能，能有效指导福建省永安市路基填筑与环境保护。

1 原材料风化程度判定

材料取自福建省永安市北部FC市政道路工程，该路段属205国道复线，道路全长910.038 m，项目按照城市主干道设计，行车速度40 km/h。依据项目钻探发现，该地区的岩体主要有三种不同风化程度的砂岩，分别为：黄褐色的碎块状强风化砂岩，岩石破碎，风化裂隙很发育；灰黄色的中风化砂岩，岩石破碎，风化裂隙发育；灰白色微风化砂岩，岩石较完整，有少量风化裂隙。每种风化程度的砂岩取样后，按照《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T 0276—2015)测定其颗粒密度、含水率等物理性质；按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)对风化砂岩填料进行颗粒分析、击实试验等。通过全面的室内试验分析，评估风化砂岩的路用性能。

2 风化砂岩物理力学性质

2.1 物理性质

取样后在中国地质大学(武汉)结构试验室和黎明职业大学土木建筑工程学院完成物理力学试验。由于强风化砂岩呈碎块状，制样时，强风化砂岩打磨成边长为50 mm的立方体试件，中风化砂岩和微风化砂岩按照《公路工程岩石试验规程》(JTG E41—2005)规定的标准试件制作。测试块体密度时采用量积法，共准备6个试件。将试件置于105 ℃的烘箱中放置24 h，再取出放置于干燥器中冷却至室温，称量并计算块体密度。颗粒密度则采用密度瓶法进行测定，再由块体密度和颗粒密度计算得出风化砂岩的孔隙率。含水率和吸水率的指标由烘干法和天然吸水率试验得到。风化砂岩的物理性质测试结果见表1。

表1 砂岩的基本物理指标

如表1所示，随着风化程度的提高，块体密度下降，而含水率逐步增大。这是由于风化程度的提高伴随着岩石破碎程度和风化裂隙发育程度的提高，裂隙增多导致吸水率增加，密度降低。

2.2 力学性质

抗压强度是体现岩石力学性质的重要指标。强风化砂岩的钻孔岩芯破碎，采用点荷载试验在现场完成试验。中风化砂岩和微风化砂岩可制成标准试件后采用压力机进行单轴抗压强度测试，试验设置以0.5 MPa/s的速率进行加载，直至试件破坏，记录试件破坏时的荷载并计算单轴抗压强度，试验结果见表2、3。

表2 点荷载试验结果

表3 单轴抗压强度测试结果

根据《工程岩体分级标准》(GBT 50218—2014)对岩石坚硬程度定性划分的标准可知：微风化砂岩的平均饱和单轴抗压强度值>50 MPa，属于坚硬岩；中风化砂岩的平均饱和单轴抗压强度值为30～60 MPa，属于较硬岩；强风化砂岩的平均饱和单轴抗压强度值为15～30 MPa，属于较软岩。

3 风化砂岩路基填料工程特性

3.1 级配组成

试验所采用的风化砂岩填料是由爆破所得，需对材料中的大粒径进行破碎，再从破碎后的填料中随机选取试样进行筛分试验，并注意在筛分过程中保证填料的干燥状态。完成颗粒分析试验，绘制不同风化程度砂岩样本的颗粒曲线图(见图1)，并计算得出风化砂岩填料的不均匀系数和曲率系数(见表4)。

图1 颗粒分析试验结果

表4 风化砂岩的不均匀系数与曲率系数

由试验结果可知：强风化砂岩和中风化砂岩的不均匀系数大于10，级配良好；微风化砂岩的级配不良。

3.2 压实特性

依据图1颗粒分析试验结果，取不同风化程度的砂岩填料，每种风化程度制作5个试件，并分别按照3%、4%、5%、6%、7%和8%加水闷料，选用4.5 kg击锤完成击实试验(Ⅱ-2)。击实试验结果如图2所示，中风化砂岩的最大干密度值最大。

图2 击实试验结果

相较于强风化山岩，中风化砂岩的风化程度较低，故密度大、孔隙小。微风化砂岩由于风化程度最低，抵抗破碎能力较强，过多的粗颗粒挤密形成骨架孔隙结构，所以最大干密度值较小。此外，在击实过程中，风化程度越高的砂岩，破碎率越高，其中强风化砂岩的破碎率达到43%。

3.3 承载比试验

选取不同风化程度的砂岩制样，按照每层击实数为30、50、98，完成重型击实试验。击实试验后，将试样浸水，记录CBR(加州承载比)值随浸水时间变化情况，试验结果如图3、4、5所示。

图3 击实次数为30时浸水时间与CBR值关系图

图4 击实次数为50时浸水时间与CBR值关系图

图5 击实次数为98时浸水时间与CBR值关系图

不同风化程度的砂岩在标准重型击实试验中得到的CBR值均符合《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)的要求。当每层击数为30～50时，风化程度低的砂岩，抗击能力较强。当每层击数达到98时，细颗粒填充进粗颗粒形成的骨架，CBR值增大。尤其是粗颗粒含量较大的中、微风化砂岩，CBR值增大的程度较大。此外，当击实数为30时，填料压实不充分，CBR值在浸水时间增加时有明显下降趋势，随着时间的增加，强、中、微风化砂岩的CBR值分别下降27.46%、22.35%、29.83%。当每层击数为50时，浸水时间的增长对CBR值降低的影响逐渐减小。当每层击数增加到98时，不同风化程度砂岩的CBR值均无明显降低，浸水作用对其承载比无明显影响。试验结果说明，不同风化程度的砂岩水稳定性均良好，要保证风化砂岩路基的强度和稳定性，需保证击实强度，才能有良好的路用性能。

4 基于FLAC3D软件的路基沉降模拟及稳定性

4.1 有限元模型的建立及赋值

通过工程资料及现场情况调查，选取桩号K0+029.520位置处的横截面，并作简化处理，得出计算模型，如图6。

图6 K0+029.520横断面(单位：m)

地基高度为20 m，宽度为50 m，路基坡顶处宽度为20 m，坡度为1 ∶1.5从下而上用不同色度进行分组(group)，分别为粉质黏土层、填土层和填料层。使用Generate命令，采用六面体实体单元(brick)分别建立地基和路基的初始有限差网格，并在高度为20 m(z=20 m)的平面上使用“Attach”命令建立地基与路基的交界面(见图7)。

图7 网格划分及建立交界面

采用的本构模型为摩尔-库仑模型，该模型可用于土体及岩体在剪切作用时的力学响应，且所需参数较少，能有效提高数值模拟的准确性。摩尔-库仑模型使用时需赋予相应的材料参数(见表5)。

表5 摩尔-库仑模型所需基本参数

其中，粘聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比为室内试验得到，体积模量和剪切模量是由弹性模量和泊松比计算所得，计算公式为

(1)

(2)

式(1)、(2)中：K为体积模量；G为剪切模量；E为弹性模量；υ为泊松比。

模型将受到土体重力作用，因此需计算地基的初始平衡力。模拟地基初始位移时，对地基部分的填土层和粉质黏土层分别赋予摩尔-库仑模型及相应参数，对路基部分赋予空模型(model null)，确保路基部分的网格不参与初始应力应变的计算。同时通过“fix”命令设定边界条件，约束地基沿x轴方向的速度。最终计算得到自重下路基沉降云图(见图8)。

图8 Z方向初始位移云图

使用“initial”命令，将自重下的地基位移归零，保留初始地基应力，确保能更加直观地观察到填筑施工时，填料对地基应力应变的影响。

4.2 数值模拟结果

路基的沉降变形包括施工阶段沉降和工后沉降，其中施工阶段的沉降较快。通过FLAC3D软件模拟不同风化程度的砂岩在路基填筑施工阶段的沉降情况，采用分层填筑的方式模拟施工过程，每次填筑高度为1 m，并对该部分模型赋予相应参数，每层填筑完毕都需进行位移计算，施工完成后的沉降情况如图9、10、11所示。

图10 中风化砂岩路基沉降云图

图11 微风化砂岩路基沉降云图

由图9、10、11可知：

(1)随着风化程度的增加，路基的沉降值逐渐增大，微风化砂岩路基的最大沉降值为50.105 mm，中风化砂岩路基的最大沉降值为87.134 mm，强风化砂岩路基的最大沉降值为118.68 mm。

(2)在施工中，路基中心线处的沉降值大于两侧的沉降值，选用风化程度低的砂岩作为填料可以减小路基的不均匀沉降导致的路基变形。

5 结 论

本文采用单轴抗压强度试验、击实试验、承载比试验及FLAC3D数值模拟等对福建省永安市的风化砂岩进行了全面的室内试验分析，得出该市的风化砂岩可就地用于路基填筑，确认其作为路基填料的工程特性与其风化程度相关。

(1)风化程度影响砂岩密度、吸水率等物理性质。风化程度越高，砂岩内部的裂隙越多，导致其密度降低，吸水率升高。

(2)风化程度影响砂岩的力学性质。风化程度对砂岩的饱水强度影响显著，风化程度高的砂岩，饱水强度衰减更为明显。

(3)控制路基填料的最大干密度和最佳含水量对于路基整体强度及稳定性至关重要，因此在选用风化砂岩作为路基填料时，选用合适的颗粒级配有利于提高填料的最大干密度值，确保填筑后的强度及稳定性。

(4)风化砂岩路基填料的承载能力受击数影响较大。充分压实后，风化砂岩的CBR值增幅明显。

(5)路基沉降数值受风化程度的影响显著，采用风化程度低的砂岩作为路基填料并充分压实，可减小路基的不均匀沉降。

(6)测试结果表明，该市的风化砂岩填料的强度和稳定性满足路基要求，可以就地取材，用于当地路基填筑。