全强风化玄武岩路用工程性质研究

全强风化玄武岩路用工程性质研究 86 全国中文核心期刊 路基工程 2006年第 6期 (总第 129期 ) 全强风化玄武岩路用工程性质研究 谢春庆 摘 要 以滇西全风化 、 强风化玄武岩为基础 , 对全风化 、 强风化玄武岩的地层及分布特 征 、 力学性能 、 粒度成分 、 塑性指标 、 压实性能和 CBR 值进行了研究 , 建立了不同指标的相关 关系 , 并对其作为填料的工程性质进行了评价 , 研究成果运用于实践 , 成功地指导了某国家重点 工程高填方 (填高 60 m ) 试验段设计与施工 , 节省了时间和经费 。 关键词 全风化和强风化玄武岩 工程性质 填料 邱延峻 (成都军区空军勘察设计院 四川成都 610041) (西南交通大学土木工程学院 ) 全风化和强风化玄武岩是玄武岩经物理风化和 化学风化而残留在原 地的残留物 , 在滇西广泛分 布 。由于岩浆成分差异及气候条件和风化作用种类 的影响 , 滇西玄武岩全风化和强风化层具有较为独 特的 性质 。 本 文结 合 某 投资 数 亿 元的 大 型 工程 (最大挖方高度 35 m, 最大填方高度 60 m , 挖填土 石方量约为 2 000万 m) 进行了玄武岩全风化和强 风化层路用工程性质 , 尤其是作为 填料的试验研 究 。研究成果成功地 指导了对变形 具有严格 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 (挖填方整平后 , 要求工后沉降小于 5 cm, 不均匀 沉降小于 5 ‰) 的该工程的设计及施工 。 3 1 地层特征 1.1 基本特征 全风化 玄武 岩 :褐 灰 、 紫 灰 、 深 灰 、 紫 红等 色 , 可塑 , 局部硬塑状 , 湿 。主要矿物成分为埃洛 石 、 三水铅石 , 次为长石 、 赤铁矿 、 石英等 。岩性 呈土状 , 少量 碎块状 , 碎块 用手可捏碎和 轻轻折 断 。 用镐可挖掘 , 干钻易钻进 。 整个研究区均有分 布 , 台地部位 厚度较大 , 浅 切割缓坡部位 厚度较 小 。 厚度 0.4 ～ 50.0 m, 一 般 3 ～ 12 m , 平均 厚 7.91 m 。 强风化玄 武岩 :褐灰 、 紫灰 、 深灰 、 紫红 等 色 , 岩石原始结构大部分破坏 , 但清晰可见 。主要 矿物成分为埃洛石 , 次为长石 、 赤铁矿 、 石英等 。 岩芯多呈碎块状 , 探井挖掘的多呈碎块状 。 岩块用 锤易击碎 , 用镐可挖掘 , 干钻钻进困难 。与全风化 层呈透镜体状及互层分布 。 全风化和强风化玄武岩化学成分见表 1。 1.2 分布特征 研究区玄武岩全风化层 、 强风化层均属典型的 不均匀地基 , 形成原因主要有 :区内玄武岩地层由 谢春庆 , 男 , 高级工程师 、 博士后 、 注册岩土工程师 。 4 结论与建议 (1) 通过以上计 算分析表明 , 在竖向荷载作 用下 , 桩板结构可以较好地满足无碴轨道的变形控 制要求 。 (2) 在竖向荷载 作用下 , 沿纵 向桩间承台板 的竖向变形相对较大 , 沿纵向两侧桩的纵向弯曲相 对较大 , 其最大值约在距承台板 1 /3桩长处 , 设计 时 , 应注意桩身的长细比 , 且纵向桩距不要过大 , 即整个结构应具有一定的纵向刚度 。 (3) 在竖向荷载 作用下 , 沿纵 向两侧桩顶内 侧和桩底外 侧及其附近区 域 , M ises 应力 值较大 。 中间桩顶部和底部周围 M ises应力值较大 ;桩顶边 缘承台板 上的 M ises 应力 值为整 个承台 板上 的最 大值 。 参考文献 [ 1] 佐佐木直树 [ 日本 ] 著 , 王其 昌译. 板式轨 道. 北京 :中国 铁道出版社 , 1983. 6. [ 2] 张泽华 、 吕桂英. 塑性 本构关 系的实 验研究. 中国铁 道出版 社 , 1988. [ 3] 吉村 [ 日本 ] . 塑性力学概论. 《机械 の研究 》, 1954. 收稿日期 : 2005 - 09 - 26 谢春庆等 :全强风化玄武岩路用工程性质研究 87 表 1 全风化和强风化玄武岩化学成分 表 区间值 均值 % 项 目 S iO 2 A l2O 3 F e2O 3 C aO M gO 19.50 ～ 45.80 28. 33 ～ 39.47 11. 83 ～ 12.95 0.12 ～ 0.99 0.44 ～ 1. 77 39. 05 30. 68 12. 83 0.30 1. 26 火山多次喷发形成 , 由于每次火山喷发以及每次喷 发 前后物质差异 , 其形成玄武岩密度 、 空隙 、 力学 性能以及抗风化能力 、 喷发间断时间等的不同 , 造 成了在垂向上表现为强风化与全风化的交叉或重叠 分布 , 即下次喷发玄武岩强风化层覆盖于上次喷发 的全风化层之上 ;在平面上由于原始地貌的不同和 离火山口远近的差异 , 在不同的地点 , 造成每次喷 发形成的玄武岩厚度不同和物理力学性质差异 ;也 就是说玄武岩无论在垂向上和平面上厚度差异大 , 无一定的分布规律 :全风化层中有强风化夹层和残 余风化形成的中风化块体 , 强风化层中有全风化层 或中风化包裹体 。玄武岩全风化与强风化层一般无 明确的界面 , 两者之间是一种渐变关系 。 1.3 结构特征 残坡积粉质粘土孔 隙比一般 1.30 ～ 1.70, 最 大可大于 2.00 ;全风化 、 强风化玄武岩孔隙比一 般 1.40 ～ 1.80, 最大 可大于 2.10 ;土质不均匀 , 含玄武岩小碎块 , 各样品颗分试验表明 , 粒组成分 变化很大 , 主要粒径集中在 0.25 ～ 0.005 mm , 一 般占 60 %以上 , 遇水易软化 , 风干后易击碎成粉 末 。样品易松散 , 试验制样困难 。 1.4 物理力学特征 对研究区玄武岩全 、 强风化层进行了大型载荷 试验 、 剪切试验 、 标贯试验和静力触探试验 ;为便 于对比和综合研究场区地层的物理力学特性 , 在区 内布置 6 个综合试验孔 , 孔深大于 30 m, 采样间 隔 0.5 m , 分别进行了标贯 、 静力触探 、 静载荷试 验 、 剪切试验 、 面波测试 、 波速测井 、 室内常规 、 三轴剪切 、 无侧限抗压强度等试验 , 并将这些成果 进行综合分析 。 分析可知 , 研究区全强风化玄武岩 具有低密度 、 高含水量 (一般 45 % ～ 60 %)、 高 饱和度 (一般 60 % ～ 90 %, 最大可达 100 %)、 大孔隙比 (一般 1.30 ～ 1.70, 最大可大于 2 .00)、 高压缩 性 ( a1 - 2 一 般大 于 0.5, 部分大 于 0.8)、 低承载力而抗剪参 数 、 波速 、 锥尖阻力 、 侧摩阻 力 、 岩土类别又相对较高的特性 。变异系数一般较 大 , 表明玄武岩全 、 强风化层主要物理力学参数变 化大 , 地基均匀性差 。 按 《公路土工试验规程 》进行 了相应的试验 。 试 验包括 :筛分试验 、 常规试验 、 剪切试验 、 高压固 结试验和 CBR 试验等 。 2.2 颗粒分析 根据 《公路土工试验 规程 》, d2 和 d0.075 是两 种土分类的界限粒径 , 故本文选择 d2 和 d0.075作为 反映滇西全风化和强风化玄武岩粒度成分的主要指 标 。 经统计分析后得全风化玄武岩 d2 全在 50 %以 上 , d0.075主要集中在 60 % ～ 85 %, 大于 50 %的 样本占 66 %。 强风化 玄武岩 d2 在 50 %以上 约 50 %, d0.075主要集中在 45 % ～ 55 %, 大于 50 % 的样本占 50 %。 这说明全风 化玄武岩为细粒 土 , 强风化玄武岩既可能是粗粒土 , 也可能是细粒土 。 2.3 塑性指标及分类 塑性指标有塑限 、 液限和塑性指数 , 它们反映 了水对细粒土性质的影响 。 由统计分析可知 (图 1), 塑限在 40 % ～ 50 %的样本占主要地位 , 占总 样本数的 74.9 %。 液限的分布区较广 , 50 % ～ 60 %占总样本数的 45.1 %, 60 % ～ 70 %占总样本数 的 46.2 %。 塑性指数主要集中在 10 ～ 15, 占总样 本数的 76.3 %。 将所有样本的液限 、 塑性指数汇总生成塑性图 (图 2)。 从图 2 可见 , 所有的样本皆落在 A 线之 下 , 且 90 %以上的样本液限大于 50 %, 说明全风 化和强风化的玄武岩主要为高液限粉土 , 其次为低 液限粉土 。 2 数据分析 2.1 统计分析指标 根据 《公路路基设计规范 》、 《公路路基施工 技术规范 》对路基填料的要求 , 选择了粒度成分 、 塑性指标 、 最大干密度 、 最佳含水量和 CBR 值等 指标来表征全风化和强风化玄武岩的工程性质 , 并 2.4 剪切指标 通过 20余组样品重型击实后剪切试验成果分 析 , 90 %以上的样品呈现 图 3、 图 4中的 关系曲 2 全强风化的玄武 线 , 且相关系数 R >0.90, 表明 岩填料随压实度增加 , 抗剪 性能增加 。 但还有 10 %样品压实度与内摩擦角 、 内聚力的相关关系不明 88 全国中文核心期刊 路基工程 2006年第 6期 (总第 129期 ) 显 , 甚至为负相关 , 分析原因可能是与样品中的碎 块含量有关 。 玄武岩样品试验数据放在一起统计 , 最大干密度和 最佳含水量有良好的线性相关关系 (图 6), 表明 最大干密度随最佳含水量增大而减小 。 在现场进行了 30余组大型剪切试验 , 全强风 化的玄武岩内聚力相近 , 在 15.2 ～ 23.5 kPa, 多数 在 20 kP a左右 , 但内摩擦角变化很大 , 在 21.8°～ 93.8°。统计分析内聚力与内摩擦角无明显相关关 系 , 相关系数 <0.4. 故未进行原地面地基处理就 填方的部位 , 在填方前采用的计算参数应在现场实 际测定 , 全区不应采用统一参数 。 同理将最大干密度和最佳含水量分别与粒度参 数分别统计拟 合发现 , 它们 之间有较好的 线性关 系 。 图 7中 (a) (b) 为拟合曲线图 , 根据拟合方 程可凭颗分试验成果大致计算其最大干密度和最佳 含水量 。 2.5 高压固结特性 高压固结指标是研究和计算原地面地基在填筑 体和 车荷载等作用下的施工期和工后沉降的重要参 数 , 为2.7 CBR强此完成了 11组高压固结试验 , 从 50 ～ 800 kP a分度 级测定其 e、 a、 E s 值 , 测定 结果说明随压 力增大 , 在压实度 95 %时 , 100 %的全风化玄武岩样 土样压缩系 数减少 , 剧烈 变化段集中在 200 kP a前 , 品 CBR 值 >20, 70 %以上强风化玄武岩样品 CBR 图 5是各级压力下平均空隙比和平均 压缩系数随压力值 >20, 20 % ～ 30 %强风化玄武岩样品 CBR 值 10 变化的曲线图 , 其拟合方程为 , e ～ 15。 按 《公路路 基设计规 范 》, 在压实 度 95% 2 2 =7E - 07p- 0.0009p +1.8209, R=0.9454, a = 时 , 样品的 CBR 强度全部满足规范要求 。 2 8.5092p - 0.5007, R =0.9801。 可见平 均孔隙比 3 结语 和平均压缩系数与压力呈现非常好的相关性 , 相关 (1) 滇西全风化和强风化玄武岩具有低密度 、 系数大于 0.98。 高含水量 、 高饱和度 、 大孔隙比 、 高压缩性 , 低承 载力 , 分布不均 , 性质变化大等特点 。 (2) 全风化和强风化的玄武 岩据塑性图判断 主要为高液限粉土 。 (3) 最大干密度和最佳含水量与 2 mm 筛孔和 0.075 mm 筛孔的通过率之和存在良好的线性关系 , 根据拟合方程可大致计算 其最大干密度和 最佳含 水量 。 (4) 土样压缩系数和孔隙 比随压力减少 , 并 在压力 200kP a前变化剧烈 , 之后趋于平缓 , 各级 2.6 最大干密度和最佳含水量 压力下平均孔隙比和平均压缩系数与压力呈现良好 统计资料表明 , 全风化的玄武岩和强风化玄武 的相关性 。 岩样品最大干密度和最佳含水量无明显差别 , 最大 (5) 当在压实度 95 %时 , 全风化和强风化的 干 密 度 在 1.297 ～ 1.545 g /cm 3, 最 佳 含 水 量 玄武岩的 CBR 强度满足规范要求 。 23.0 % ～ 37.6 %。将全风化的玄武岩和强风化的 收稿日期 2005 - 09 - 19