DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.038

路用红砂岩碎石土湿化变形特性试验

韦慧¹，曾胜¹，赵健¹，李振存¹，李文¹，胡甜^1，2

(1. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004；

2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉，430056)

摘要：针对湿热地区红砂岩碎石土用作路基填料易发生湿化崩解，导致路基刚度软化及其耐久性能降低的问题，采用自行研制的大型干湿循环压缩剪切仪，开展不浸水条件与反复浸水下红砂岩碎石土的一维大型压缩试验，揭示红砂岩填料在干湿循环条件下的湿化压缩变形规律。研究结果表明：湿化变形量随浸水次数增加而增加，压缩模量在前2次干湿循环过程中衰减幅度较大，第3次后逐渐趋于稳定；地基土附加湿化变形量随浸水时间增加而增大，变形模量随含水率增加而减小。试验结果可为红砂岩填筑路基的安全施工及其长期沉降预测提供依据。

关键词：道路工程；红砂岩；湿化变形；刚度；大型压缩试验；载荷板试验

中图分类号：U416.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)06-2261-06

Test on wetting deformation of red sandstone gravel soil in filled subgrade

WEI Hui¹, ZENG Sheng¹, ZHAO Jian¹, LI Zhencun¹, LI Wen¹, HU Tian^{1, 2}

(1. School of Traffic and Transportation Engineering,

Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China；

2. Second Highway Survey, Design and Research Institute of China Communication, Wuhan 430056, China)

Abstract: Considering that wetting disintegration is easy to take place in red sandstone gravel soil, which leads subgrade stiffness to soften and decrease its durability, one-dimensional compression test of red sandstone gravel soil was tested at repeated soaking and un-soaking status by using large-scale compression direct shear apparatus for wetting-drying cycle, and the wetting deformation law of red sandstone filling was revealed under wetting-drying cycle status. The results show that the wetting deformation is improved with the increase of soaking times, and compression modulus is gradually reduced, both of which are changed greatly in the first two soaking under wetting-drying cycle status and then are gradually stabilized. At different soaking time, additional wetting deformation of foundation soil is improved with the increase of soaking time, and attenuation increases with the increase of water content. The test results provide reliable basis for safe construction of filling subgrade with red sandstone and long-term subsidence prediction.

Key words: road engineering; red sandstone; wetting deformation; stiffness; large-scale compression test; bearing plate test

红砂岩在湖南省境内分布广泛。在湖南境内修建高速公路不可避免地有较长路段穿越通过红砂岩，但此区域红砂岩大都为泥质胶结结构，具有遇水软化、崩解、扩容膨胀等不良工程性质。为了避免弃土造成环境污染和解决路堤填料缺乏的问题，需要将沿线的红砂岩碎石土作为路基填料。根据南方湿热地区已有的红砂岩路基工程实际情况，填方路基大量存在路基沉陷及导致路面开裂和桥头跳车等病害，严重的路基沉降最大超过40 cm。究其原因，主要是降雨入渗、毛细作用和温度影响使红砂岩工程性能发生退化。因此，研究红砂岩碎石土填筑路基受水分入侵导致的湿化变形及强度和刚度衰退问题，对更好地利用南方湿热多雨地区沿线广布的红砂岩碎石土具有重要意义。近年来，随着交通建设的发展，红砂岩等软质岩越来越多地作为路用材料使用^[1-4]。在路基建造和运营过程中，由于地下水位上升、雨水入渗等引起土体的湿化变形及其造成的潜在危害已经越来越受到岩土界的重视，并对红砂岩等软质岩的崩解性、软化性、强度衰减及路用性能进行了大量研究。陈勇等^[5]进行了风化红砂岩吸水膨胀变形试验，指出由于含水率的变化使膨胀岩发生了显著的软化现象，其弹性模量、抗压强度随吸水率增加而呈对数减小；胡新民^[6]通过红砂岩浸水崩解试验分析了红砂岩水敏性的影响因素，并提出了Ⅰ类和Ⅱ类红砂岩路用性能改良技术措施及施工工艺。曾胜等^[7]采用烘干－浸泡方式对红砂岩干湿循环过程进行模拟试验，得出了其内摩擦角及黏聚力的衰减规律，并应用于边坡稳定分析；沈明荣等^[8]通过单轴压缩蠕变试验研究了红砂岩长期强度的确定方法；毛雪松等^[9]通过现场试验分析了浸水量和浸水时间对风化千枚岩的湿化变形、变形率及路基回弹模量的影响；王晓谋等^[10]采用室内大型压缩试验研究了变质软岩路堤填料的湿化变形特性；刘翔等^[11]通过三轴“单线法”湿化变形试验研究了花岗岩全风化土在不同围压、不同湿化应力水平下湿化情况的抗剪强度指标c和j的变化规律；谈云志等^[12]利用改进的装置研究了红黏土的湿化变形规律及其湿化变形模量。但人们对湿化变形特性研究主要集中在变质岩、砂土作为路基填料的情况^[13-15]。对于以变形控制为主的路基结构，反映实际环境变化条件下的红砂岩碎石土反复浸水湿化压缩及其湿化变形规律鲜有报道。为此，本文作者依托湖南长沙绕城高速公路红砂岩路基填筑试验路段，针对南方湿热多雨的气候和地形条件，开展不同浸水条件下红砂岩碎石土的大型压缩试验及不同浸水时间下的现场载荷板试验，研究其湿化变形特性及刚度衰减规律，以便为高填方路基工程湿化变形量预估提供科学依据。

1  试验土料

本文选取的试验工点为湖南长沙绕城高速公路高填方路段，路堤填高为14.2 m，填料为红砂岩土石混合料。此处高路堤经过水塘，路段常年积水，地下水位较高。随着季节的变化，地下水水位升降易影响路基土湿度。考虑到路基外水分横向渗透、地下水毛细作用引起的毛细水和路表水垂直下渗以及路基内部水分的迁移，地基土受干湿循环作用明显。

试验用料取自该施工标段的红砂岩填料料场。路基填料的岩性主要是石英砂岩，部分夹有泥质粉砂岩，干密度为2.1 g/cm³，相对密度为2.72，最大粒径为60 mm。粒度为20~60 mm的颗粒质量分数为35.9%，粒度为5~20 mm的颗粒质量分数为38.3%，粒度小于5 mm的颗粒质量分数为25.8%。

2  大型压缩试验及结果分析

2.1  试验设备

试样土料含有粒度大于20 mm的碎石颗粒，需进行大粒径土样压缩试验。同时，为了满足反复干燥-潮湿的干湿循环状态及其浸水时间对路基压缩变形的影响，需对常规粗粒土压缩仪进行改进。本文采用自行研制的室内土工大直剪仪进行试验。该试验设备主要由剪切盒、加载系统(水平和垂直向)、量测系统、加热干燥系统等组成。

压缩剪切盒的长×宽×高为500 mm× 500 mm×300 mm；加载系统能够加载 100 kN 以内的任意荷载；反力架上配有电热风扇，以供烘干土样；压缩盒中间的储水环和底部的止水暗箱可以供试样浸水饱和。

2.2  试验方案与步骤

为了更好地模拟最不利的干燥-潮湿环境，直接进行不浸水条件下和反复浸水的一维压缩试验，不再以含水量变化来模拟干湿循环，从而得出不同状态下的土体压缩曲线，研究干湿循环次数对土体压缩模量的影响。共进行5组压缩试验，其中：1组为不浸水试验；4组为不同浸水次数的压缩试验，分别为1次、2次、3次和4次浸水。

根据试验路段的填高(14.2 m)和填土重度，可确定浸水高路堤土体的最大竖向应力为300 kPa 左右。试验分4步(即50，100，200和300 kPa共4级荷载)施加，荷载最大为300 kPa。

不浸水压缩试验步骤如下。

1) 按照相应的级配和含水率配好试样，将压缩盒内壁及底部清理干净，并放置好。

2) 将30 mm透水砂置于容器底部，整平，盖上透水纤维、反滤塑料薄膜。分3层将已配制好的土样置于仪器盛土盒内，试验要求击实81次(每层击实27次)，并尽量整平。击实完成后，运用水平仪检测表面是否平整。在土层上加盖透水反滤塑料膜后再加铺厚度为30 mm的透水砂。

3) 盖上仪器盛土盒盖，放置千斤顶于正中，安装测力环，预加1.0 kPa压力，使各部分紧密接触；安装百分表，并静置4 h^[16]。

4) 预压完成之后，施加第1级荷载。按常规压缩试验要求时间段读取百分表上的读数，至稳定为止。固结稳定的标准为最后1 h变形量不超过0.01 mm，然后施加下一级荷载。

5) 试验结束后拆除加载装置，小心取出完整土样，称其质量，并测定其终结含水率。

浸水压缩试验与不浸水压缩试验区别在于：分层击实后，往试样表面和储水环加水，使储水环储备足够的水以保证试样底部一直处于浸水状态^[17]。浸水 24 h为1次浸水。之后排掉压缩盒中的水，并加热烘干，再浸水24 h，定义为2次浸水。重复上述操作，直至达到试验需要的循环浸水次数后进行加载试验，加载过程与不浸水试验的相同。

2.3  试验结果与分析

图1和图2所示分别为不同浸水状态下的单位沉降量和压缩模量随有效应力的变化关系。从图1和图2可以看出：浸水后红砂岩碎石土的单位沉降量与不浸水的单位沉降量相比明显增加，压缩模量明显减小；在同一压力下，反复浸水后的单位沉降量随浸水次数增加而增加，压缩模量随浸水次数的增加而减小；单位沉降量在2次浸水干湿循环之前增长幅度较大，之后逐渐变缓；在前2次浸水干湿循环条件下，压缩模量降幅较大，之后逐渐趋于稳定。另外，在同一试验条件下，压缩模量随垂直压力增加，呈逐渐增大趋势。由此可知红砂岩碎石干湿循环软化在于：其骨架架空孔隙广泛存在于骨架颗粒间，架空孔隙被砂质或黏土质颗粒集合体部分充填；红砂岩骨架颗粒之间点与点相互接触，或者是主要由黏粒、黏土矿物、易溶盐组成的胶结物质连接而成，在反复浸水加载过程中，黏粒表面薄膜水逐渐增厚，黏土矿物自身产生体积膨胀，易溶盐溶解消失，使得胶结物的胶结强度逐渐丧失，最后骨架结构失稳，发生崩解湿陷^[16]。为定量描述浸水湿化对压缩性能的影响，借鉴岩石强度软化系数的定义，本文定义1个刚度软化系数δ，即土体浸水试件与自然含水试件的压缩模量的比值：

                (1)

图1  不同浸水状态下单位沉降量变化规律

Fig. 1  Change law of unit settlement in different soaking states

图2  不同浸水状态下压缩模量变化规律

Fig. 2  Change law of compression modulus in different soaking states

式中：E_sh为浸水湿化后试件的压缩模量；E_s为自然含水试件的压缩模量。根据式(1)，不同浸水次数下红砂岩碎石土的刚度软化系数随应力水平的变化关系如图3所示。从图3可见：1次浸水后50 kPa下软化系数为0.41，之后随固结应力的增加达到0.67；2次浸水后软化系数最小值为0.28，之后随固结应力的增加达到0.52；2次浸水后增加浸水次数对软化系数影响不大，其数值基本上与2次浸水的一致。

综合分析以上试验结果，浸水前后红砂岩碎石土的压缩性能大幅度衰减，进行浸水红砂岩高填路堤沉降计算时，应充分考虑干湿循环作用所导致的刚度软化效应；另一方面，在前2次浸水时，红砂岩填料会产生较大的湿化崩解变形；湿化变形量随着干湿循环次数增加逐渐减少，直至趋于稳定。为此，在红砂岩土石混填路基施工时，建议进行洒水预崩解、浸水压实或在路堤成型后，使路基经过一二个雨季自然沉降，再进行路面修筑，有助于变形特性的改善^[16]。

图3  不同浸水状态下软化系数与应力水平关系曲线

Fig. 3  Relationship between softening coefficient and effective stress in different soaking statuses

3  现场载荷试验及结果分析

为了反映天然状态以及不同浸水时间下路基原位强度、刚度性状的变化规律，进行现场承载板试验。

3.1  试验方案

载荷板试验采用直径为40 cm的圆形钢板，通过卡车进行配重作为反力装置。将浸水条件下的试验点选取在天然状态下的试验点附近，保证土体的近似性，以便天然状态下和浸水条件下的试验结果具有可比 性^[18]。本次试验共选择试样点6个，分别进行天然状态下逐级加载试验、浸水4 h逐级加载试验、天然状态下恒载试验、浸水4 h恒载试验、浸水8 h恒载试验、浸水12 h恒载试验。试验方案如下。

1) 逐级加载试验，分为天然状态下的土基承载变形试验和浸水4 h下的土基承载变形试验。

2) 恒载试验，分别恒载100，200，300和400 kPa，均在天然状态下浸水4，8和12 h。天然状态逐级加载试验每级加载量为50 kPa，每加一级荷载前后均各记录承载板沉降量1次。每级荷载施加后，1 h内按5，10，15，15和15 min间隔测读沉降值，以后每隔30 min测读1次。当1 h沉降量小于0.1 mm时，即可加下一级荷载，继续观测并记录沉降量，直至沉降再次达到稳定为止。在加荷量达到设计要求值的2倍以上或达到终止试验后，现场取样以确定含水率。

浸水试验是在需要浸水的土基范围内开挖边长为80 cm、深约15 cm的坑槽并整平底面，往坑槽里灌水，在土基浸水到设定时间后进行试验。

3.2  试验结果与分析

图4所示为逐级加载下天然状态与浸水4 h的压力p-压缩变形s曲线。由图4可知：浸水4 h的曲线位于天然状态曲线的下方；天然状态曲线拐点对应的应力明显大于浸水后曲线拐点的应力；天然状态曲线直线段斜率要大于浸水曲线直线段斜率。这表明路基在浸水后使颗粒软化、破碎，造成强度损失和土体沉陷，在相同荷载作用下浸水路基变形大于天然状态下未浸水路基变形，即未浸水路基的整体承载能力、变形模量要比浸水路基的大。

图5所示为恒载作用下天然状态与浸水4，8和12 h各级荷载的最大沉降曲线。由图5可知：路基浸水后的变形明显大于浸水前的变形；在同一荷载下，浸水时间越长，最终变形越大；在同一浸水时间下，最终变形随施加的荷载增大而增大。

此外，浸水4 h湿化变形相对较小，原因在于水分开始侵入土体，土体的胶结强度降低不大，湿化效应逐渐起作用，处于启动阶段。浸水8 h后湿化变形急剧增大，原因在于水分继续侵入土体，土体的胶结强度有较大降低，发生明显湿化，处于加速阶段。浸水12 h后湿化变形相对前面4 h的湿化变形明显减小，原因在于土体接近于饱和状态，湿化效应已完全被激发，重新与外部荷载形成新的稳定状态，湿化变形趋于稳定阶段。这与现场取回的土样含水率测试结果相吻合：天然状态下含水率为18.64%，浸水4 h含水率为19.83%，增加幅值为1.19%；浸水8 h含水率为21.85%，相对浸水4 h时的增幅为2.02%；浸水12 h含水率为22.17%，相对浸水8 h时的增幅为0.32%。每4 h含水率增幅先增加后减小。原因在于随着浸水时间的增加，土体内部颗粒间的距离增大，孔隙比增大直接导致其原始黏聚力降低，含水率变化明显，到一定程度后逐渐达到新的稳定状态，相应的含水率变化区域稳定。

图4  逐级加载下天然状态与浸水4 h的p-s曲线

Fig. 4  p-s curves of natural state and soaking for 4 h loaded by different degrees

图5  恒载下天然状态与不同浸水时间的p-s曲线

Fig. 5  p-s curves of natural state and different soaking time under dead load

图6所示为不同浸水时间下附加湿化变形量随施加荷载的变化情况。附加湿化变形量为浸水后路基变形量与浸水前的差值。由图6可知：附加湿化变形量随荷载、浸水时间的增大而增大；在同一荷载下，浸水12 h后的附加湿化变形量比天然状态总变形量还要大，可见土体湿化效应使路基产生了较大的附加变形，若不予以重视和处治，会给路基安全运营带来潜在危害。

图6  不同浸水时间下的附加湿化变形量

Fig. 6  Additional wetting deformation under different soaking time

4  结论

1) 在同一压力下，反复浸水后的湿化变形量随浸水次数的增加而增加，在2次浸水干湿循环之前增长幅度较大，之后逐渐变缓趋于稳定。

2) 1次浸水后在50 kPa下刚度软化系数为0.41，之后随固结应力的增加达到0.67；2次浸水后软化系数最小值为0.28，之后随固结应力增加达到0.52；2次浸水后增加浸水次数对软化系数影响不大，其结果基本上与2次浸水的一致。

3) 路基湿化变形量随浸水时间先增大后减小，浸水8 h后附加湿化量已大部分产生，这与浸水路基含水率增幅的变化规律一致。

4) 红砂岩碎石土路基浸水湿化后刚度衰减程度大，附加湿化变形量大于天然状态总变形量，浸水高填路堤沉降计算应考虑刚度软化效应；基于红砂岩填料湿化变形主要发生在前2次浸水时的变形规律，在路基施工中采用预崩解、浸水压实方法有利于改善其变形特性。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-06-10；修回日期：2014-08-22

基金项目(Foundation item)：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-11-0977)；西部交通建设科技项目(2011318824350)；湖南省交通科技进步与创新项目(201204)(Project(NCET-11-0977) supported by Program for New Century Excellent Talents of Ministry of Education; Project(2011318824350) supported by Science and Technology Project of Western Transportation Construction; Project(201204) supported by Hunan Traffic Science and Technology Progress and Innovation)

通信作者：韦慧，博士研究生，从事路基路面养护工程研究；E-mail:65234551@qq.com