《武汉工程大学学报》 2017年01期
64-68
出版日期：2017-03-29
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
恩施红层砂岩细粒土工程特性对比的试验研究
红砂岩大多形成于中生代和新生代，成岩作用差，岩体胶结程度低，易风化，在我国川、滇、皖、鄂、湘、内蒙、粤、鲁等地均有分布，红砂岩及其风化后形成的细粒土是工程建设中经常遇到的一类岩土体［1-2］. 学者对红层砂岩及其风化土的工程特性进行了大量研究，取得了丰富成果［3-8］. 由于成岩时物质来源、沉积环境不同，不同地区、不同时期形成的岩石在矿物成分、结构特征等方面存在差异，其风化产物-残积土的工程性质也表现出不同特点［9］. 同类或相似岩土体因成岩环境、风化作用等条件的不同而表现出不同的物理、力学、水理特性，这一现象已被许多学者发现，并开展了大量岩土体工程特性对比试验研究. 杨虹［10］通过室内试验，对比分析了湖南、广西两地膨胀土的特性；王建军［11］对襄樊地区两种膨胀土进行大量试验研究，发现黄褐色膨胀土比灰色膨胀土具有较好的水稳定性；滕珂［12］通过室内试验对比分析了不同含水率情况下广西南宁膨胀土与株洲红黏土的压缩蠕变特性；葛建［13］通过基质吸力试验，对比了高液限红黏土和含砂次生黏土的土水特征曲线；程克玲［14］对华中地区3种典型膨胀土和3种典型非膨胀土进行CBR试验，得到不同类型土的CBR与压实功关系；许豪［15］通过室内试验研究了膨胀土和红黏土在完全相同试验条件下的一维压缩蠕变特性以及回弹特性，得到了二者回弹量的差异. 恩施地区红层砂岩广泛分布，工程建设中常将红砂岩细粒土作为路基填料. 红砂岩细粒土表观特征（如颜色、颗粒组成等）种类较多，这些表观特征不同的细粒土工程性质差异性如何，是设计、施工中需要查明的问题. 本文选取恩施地区5种典型红砂岩细粒土，通过室内试验对比其物理、力学性质的差异；结合在建公路工程，分析上述差异对路基沉降的影响，为该地区红层砂岩细粒土物理、力学参数取值提供理论依据和参考. 1 试验部分1.1 试样采集本文试验采用的红砂岩细粒土取自恩施市区某取土场，共选取5种典型红砂岩细粒土，分别编号为1#、2#、3#、4#、5#，如图1所示. 1.2 物理性质试验对土样进行天然密度、天然含水率、颗粒分析和击实试验，室内试验按公路土工试验规程（JTG E40—2007）进行. 1.3 力学性质试验力学试验在武汉工程大学资源与土木工程学院中心实验室完成，试验仪器为TSZ全自动三轴仪，试验时采用不固结不排水条件控制. 试验过程中应力-应变曲线达到峰值时停止试验，如难达到明显峰值，则采用应变15%对应的应力差作为峰值. 1.4 算例分析为分析5种典型红砂岩细粒土物理、力学性质的差异对填筑路基的影响，以恩施市城区某一级公路改线工程路基为例，通过数值模拟方法对比分析采用上述不同红砂岩细粒土作为填料时路基的沉降变形差异. 1.4.1 计算模型 采用FLAC3D对路基填筑后的沉降变形进行数值分析，建立的数值模拟模型分2层，下部为地基，长200 m，高50 m，厚10 m；上部为填土，底宽130 m，顶宽100 m，高10 m. 模型共计3 654个节点，15 664个单元体，如图2所示. 1.4.2 边界条件 对模型x方向约束两个端面的水平位移，对底部约束垂直方向位移，对z方向前后两个端面约束水平方向位移，其余均为自由边界. 1.4.3 材料参数 材料密度、粘聚力、内摩擦角等参数均采用上述室内试验结果；根据三轴试验结果，弹性模量分别为2.08 MPa、2.03 MPa、2.24 MPa、2.18 MPa、2.39 MPa；泊松比根据经验取0.3. 2 结果与讨论2.1 物理性质物理性质试验结果见表1. 试验结果表明：5组试样天然密度差异明显，1#、2#土约为2.0 g/cm3，3#、4#、5#土约为1.55 g/cm3，最大天然密度约为最小天然密度的1.37倍；天然含水率差异较明显，由大到小依次为4#、5#、2#、1#、3#，最大值为9.33%（4#），最小值为7.03%（3#）；5组试样最优含水率较接近，约12%. 颗粒分析试验结果如图3所示，根据土工试验规程，5组试样颗粒不均匀系数均小于5，均为级配不良土；4#为含细粒土砂，1#为中砂，2#、3#、5#为细砂. 2.2 力学性质通过不固结不排水试验，得到不同围压下试样主应力差与轴向应变曲线，如图4所示. 由图4可知，5种红砂岩细粒土在围压较低（100 kPa、200 kPa）时，应力-应变曲线峰值差别不大；在围压较高（300 kPa）时，应力-应变曲线峰值差别明显. 其中围压为300 kPa时，1#、5#应力应变曲线峰值对应主应力差值约800 kPa，其余试样约600 kPa. 由图4所示试验结果得到5种红砂岩细粒土的抗剪强度参数，见表2. 由表2看出，5种红砂岩细粒土的粘聚力差别较大，而内摩擦角较为接近. 粘聚力由大到小依次为4#、5#、3#、2#、1#，最大值30.7 kPa，约为最小值（15.9 kPa）的2倍；内摩擦角最大值为32.6 °（1#），最小值为29.2 °（4#），二者相差约12%. 对于砂类土，内摩擦角大小与粗粒组含量正相关，粘聚力与细粒含量正相关. 上述5种试样中，1#为中砂，粗粒含量最高，因而粘聚力最小，内摩擦角最大；4#为含细粒土砂，细粒含量最高，因而粘聚力最大，内摩擦角最小；2#、3#、5#为细砂，其粗粒、细粒含量介于1#、4#之间，因而粘聚力和内摩擦角大小也介于1#、4#之间. 可见，土的物理性质与力学性质存在内在联系. 2.3 数值模拟模型计算考虑到数值模拟模型为对称结构，沉降最大的部位在路基顶面中轴线附近，为此，监测路基顶面中点处变形量，为路基最大变形. 采用不同土作为填料时路基顶面中线处沉降量计算结果见图5. 由图5可知：5种土作为填料时，路基沉降量大体可以分为两组. 一组是1#、2#土，对应的路基沉降量较大，分别为0.606 m、0.572 m；另一组是3#、4#、5#土，对应的沉降量较小，分别为0.290 m、0.303 m、0.275 m．1#、2#土对应的沉降量约为3#、4#、5#土的2倍. 对比5种土的物理性质参数发现，1#、2#土密度较大，约为2.0 g/cm3；3#、4#、5#土密度较小，约为1.55 g/cm3，这与路基沉降变形规律有明显相关性，但较大密度与较小密度在数值上并非2倍关系. 出现上述现象的主要原因可能是，在数值计算中，土在自重作用下的沉降变形受密度与变形参数的共同影响. 三轴试验得到5种土的弹性模量分别为2.08 MPa、2.03 MPa、2.24 MPa、2.18 MPa、2.39 MPa，1#、2#土弹性模量均较小，3#、4#、5#土弹性模量均较大. 即1#、2#土密度较大且弹性模量较小，3#、4#、5#土密度较大且弹性模量均较大，从而导致作为路基填料时，1#、2#土沉降量显著大于3#、4#、5#土. 3 结 语通过室内试验及数值模拟，对恩施地区5种典型红砂岩细粒土的工程特性进行了对比，得到以下结论：1）5种典型红砂岩细粒土天然含水率接近，天然密度差异明显，均为级配不良均粒土. 不固结不排水条件下，5种土粘聚力最大值为30.7 kPa（4#），最小值为15.9 kPa（1#）；内摩擦角最大值为32.6 °（1#），最小值为29.2 °（4#）. 2）探讨了土的抗剪强度参数与土颗粒组成之间的关系，1#为中砂，粗粒含量最高，因而粘聚力最小，内摩擦角最大；4#为含细粒土砂，细粒含量最高，因而粘聚力最大，内摩擦角最小；其他土样介于1#、4#之间. 3）不同性状红砂岩细粒土在路基填土中沉降量存在明显差异，密度和变形参数是影响沉降量的重要因素，作为路基填料时，土在自重作用下的沉降变形受密度与变形参数的共同影响. 4）本文选取的5种典型恩施红砂岩细粒土的工程特性差异明显，在设计、施工过程中应加以区分.