千枚巖棄渣用作路基填料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

趙 磊，梁慶國(guó)，張延杰，尹亞雄

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710043)

蘭渝鐵路清水隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)，隧道洞身涉及地層主要為志留系中、上千枚巖夾板巖、碳質(zhì)千枚巖夾板巖、灰?guī)r。隧道通過地層主要以碳質(zhì)千枚巖為主，局部夾有板巖。碳質(zhì)千枚巖為深灰、灰黑色，含碳質(zhì)鱗片交晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。由于千枚巖屬于軟巖，若作為高速鐵路路堤填料，其粒徑組合會(huì)隨碾壓過程、裸露時(shí)間長(zhǎng)短及含水率情況而變化［1］。

對(duì)千枚巖路用性能方面的研究，鄭明新［1］，李冬立［2］，何澤［3］等曾對(duì)武廣鐵路客運(yùn)專線軟質(zhì)千枚巖和泥質(zhì)粉砂巖等軟巖用作路基填料進(jìn)行過綜合性實(shí)驗(yàn)研究，其試驗(yàn)測(cè)試包括礦物成分分析、耐崩解性、軟巖單軸抗壓強(qiáng)度、擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等。楊燁等［4］針對(duì)國(guó)道317線汶馬公路千枚巖路基進(jìn)行了路用性能方面的研究，通過對(duì)千枚巖構(gòu)成、壓實(shí)性能、CBR試驗(yàn)和水穩(wěn)定性方面的試驗(yàn)，認(rèn)為，千枚巖抗壓強(qiáng)度較小，不具備膨脹性，有較好的壓實(shí)性能，能滿足路堤填料的一般要求;但水穩(wěn)定性極差，不能用于水位線以下的路基填筑。

本文嘗試通過對(duì)千枚巖棄渣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，來分析其作為高速鐵路路基填料的適用性，以期為高速鐵路的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 千枚巖棄渣化學(xué)成分和礦物成分

1.1 化學(xué)成分(表1)

由表1可知，清水隧道碳質(zhì)千枚巖圍巖的化學(xué)成分中SiO2含量為46.24%，其次，按含量大小依次為Al2O3，F(xiàn)e2O3，K2O，MgO，CaO，Na2O 和 Ti。這 8 種成分占88.05%。其它化學(xué)元素的含量總共為3 023.6 μg/g，其 中 以 Mn、P 和 Zn 最 多，合 計(jì) 達(dá)2 073 μg/g，占其它元素總量的68.5%。與其它類型變質(zhì)巖比較，清水隧道千枚巖棄渣中的 Al2O3較高，CaO較少，Al2O3/(K2O+Na2O)比值為 3.1，且 K2O的含量大于Na2O的含量，應(yīng)屬于泥質(zhì)變質(zhì)巖類。

表1 主要化學(xué)成分百分含量 %

1.2 礦物成分(表2)

在礦物成分中，出現(xiàn)最多的前四種礦物依次為伊利石、斜長(zhǎng)石、高嶺石和石英，這四種總共占礦物百分含量的74.1%。三種黏土礦物以伊利石含量為最高，其次為高嶺石和蒙脫石，合計(jì)含量達(dá)49.7%，如果將同族類型的綠泥石也考慮在內(nèi)，則黏土礦物族的合計(jì)百分含量將接近60%。

表2 礦物成分測(cè)試結(jié)果 %

2 千枚巖棄渣物理性質(zhì)

千枚巖棄渣粒徑級(jí)配曲線如圖1，基本物性參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?。從試驗(yàn)結(jié)果看，該種千枚巖棄渣的細(xì)顆粒部分塑性指數(shù)極低，以粗顆粒為主，粒組變化范圍較寬，級(jí)配不連續(xù)，屬于級(jí)配不良粗粒土。

表3 物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 擊實(shí)性質(zhì)

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)根據(jù)鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程，選擇重型Z3進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)后的試樣黏結(jié)力較弱，用手即可輕易掰斷。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)值通過最小二乘法，可以擬合出不同顆粒含量下含水率與干密度的曲線關(guān)系，并可確定其最優(yōu)含水率和最大干密度。x表示含水率，y表示干密度，結(jié)果如圖2和表4。

圖1 千枚巖棄渣的粒徑級(jí)配曲線

圖2 擊實(shí)曲線

表4 千枚巖棄渣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總

3.2 擊實(shí)前后顆粒級(jí)配變化

為進(jìn)一步了解擊實(shí)前后的顆粒級(jí)配變化，在第二組擊實(shí)前后進(jìn)行了顆分試驗(yàn)，結(jié)果如圖3、圖4。

擊實(shí)后的級(jí)配曲線明顯全部上移，說明試樣經(jīng)過擊實(shí)后，擊實(shí)樣顆粒均有較明顯的破碎變細(xì)現(xiàn)象。擊實(shí)后試樣的不均勻系數(shù)明顯變大，而曲率系數(shù)則顯著降低，普遍從未擊實(shí)前的大于3.0變?yōu)閾魧?shí)后的小于3.0，并且趨于相同，從級(jí)配不連續(xù)變?yōu)榧?jí)配連續(xù)，加之不均勻系數(shù)遠(yuǎn)大于5，說明擊實(shí)后可以達(dá)到級(jí)配良好。

圖3 不同含水率時(shí)試驗(yàn)前后不均勻系數(shù)變化

圖4 不同含水率時(shí)試驗(yàn)前后曲率系數(shù)變化

4 千枚巖棄渣的水穩(wěn)定性

4.1 千枚巖棄渣擊實(shí)試樣的崩解性

耐崩解性采用鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程中的濕化試驗(yàn)。濕化試驗(yàn)主要用于模擬強(qiáng)夯加固后再浸水可能產(chǎn)生的填料崩解的變化規(guī)律。主要試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖5。從試驗(yàn)結(jié)果看，千枚巖填料擊實(shí)后，隨著含水率的增加其最終崩解量逐漸減少，經(jīng)歷時(shí)間逐漸增加，崩解速率隨之減少。當(dāng)平均含水率為2.75%時(shí)，崩解量很大，速度快，崩解量為69.95%，在10 min之內(nèi)崩解穩(wěn)定，崩解速度為7.0%/min。當(dāng)平均含水率為4.76%時(shí)，崩解量中等，崩解量為45%，速度也較第一種慢，20 min達(dá)到崩解穩(wěn)定，崩解速度為2.5%/min。當(dāng)平均含水率為 7.37%時(shí)，崩解性最小，崩解量為27.35%，崩解速度也最慢，在30 min之內(nèi)完成崩解，崩解速度為1.05%/min。這說明，該種千枚巖在擊實(shí)后耐崩解性隨含水率的增加而增強(qiáng)，崩解速度隨之減慢。其原因是由于隨著含水量的增加，試樣內(nèi)部顆粒表面的水膜增厚，浸水時(shí)其增厚量相應(yīng)減少，并且由于在含水量增加時(shí)，起膠結(jié)作用的黏土礦物已經(jīng)膨脹過，殘余膨脹量隨之減少，因此浸水時(shí)崩解量會(huì)相應(yīng)減少。

表5 濕化試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖5 三種類型的崩解特性曲線

根據(jù)試驗(yàn)觀察，試件在剛放入水中時(shí)有大量氣泡出現(xiàn)，同時(shí)水迅速變渾濁，隨著時(shí)間的推移氣泡逐漸減少，但崩解繼續(xù)進(jìn)行。通過上述現(xiàn)象，可以推斷千枚巖擊實(shí)樣的崩解主要分為兩個(gè)階段:第一階段發(fā)生在浸水后初期，由于試件內(nèi)部孔隙中有大量空氣，隨著試件浸泡在水中，孔隙中的空氣溢出，試件浸水表面的千枚巖顆粒在氣泡的推動(dòng)下，以散粒形式伴隨溢出氣泡崩離母體，此時(shí)崩解形式主要以迸離為主;第二階段發(fā)生在浸水后期，顆粒由于受到軟化和膨脹力等因素繼續(xù)崩解，此時(shí)崩解形式主要以解離為主。

4.2 千枚巖棄渣的膨脹性

無荷載膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖6和表6。從試驗(yàn)結(jié)果看，這種千枚巖在25 h內(nèi)無荷載膨脹達(dá)到穩(wěn)定，平均膨脹率為2.59%。從膨脹發(fā)展過程看，5 h內(nèi)膨脹率可達(dá)到最終膨脹率的95%以上，說明主要的膨脹發(fā)生在最初的5 h之內(nèi)。

圖6 無荷載膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線

表6 無荷載膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1)從化學(xué)成分及礦物成分判斷，清水隧道碳質(zhì)千枚巖圍巖屬于泥質(zhì)變質(zhì)巖類，且黏土礦物族的合計(jì)含量接近60%。

2)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水量為5.4%，最大干密度為2.40 g/cm3。擊實(shí)后試樣細(xì)顆粒部分顯著增加，擊實(shí)后顆粒平均曲率系數(shù)均小于3.0，不均勻系數(shù)則顯著增大，說明該種填料具有較好的擊實(shí)性。

3)濕化試驗(yàn)結(jié)果表明，千枚巖的崩解性能隨含水量增加耐崩解性隨之增強(qiáng)，崩解速度隨之減弱。

4)盡管千枚巖試樣的自由膨脹率和無荷載膨脹率較小，但是擊實(shí)試樣的耐崩解性極差，說明這種千枚巖水穩(wěn)定性較差，不適合直接作為路基填料。

［1］鄭明新，方燾，刁心宏，等.風(fēng)化軟巖填筑路基可行性室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26(5):53-56.

［2］李冬立，聶志紅.全風(fēng)化泥質(zhì)板巖填料改良的室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2010(1):122-124.

［3］何澤，袁偉.弱—強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖改良技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2010(12):74-77.

［4］楊燁，閻宗嶺.汶馬公路千枚巖路基填筑技術(shù)［J］.公路交通技術(shù)，2009(6):14-16，20.