水分對(duì)于風(fēng)化千枚巖填筑試槽路基回彈模量的影響＊

毛雪松 孟慶猛 樊宇朔 鄭小忠

（長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 西安 710064）

（中國(guó)山東國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作公司2） 濟(jì)南 250000）

0 引 言

風(fēng)化千枚巖分布的區(qū)域，巖體抗風(fēng)化能力、抗水性及抗變形能力均較差，且遇水、風(fēng)化作用后強(qiáng)度急劇降低，這些工程性質(zhì)決定了千枚巖作為路基填料的特殊性.風(fēng)化千枚巖屬于劣質(zhì)軟巖，為解決路堤填料缺乏，棄方占地的問(wèn)題，以達(dá)到節(jié)省投資、保護(hù)環(huán)境的目的，風(fēng)化千枚巖分布地區(qū)常用風(fēng)化千枚巖作為路基填料［1］.鄭達(dá)等［2］以金沙江上游泥盆系中統(tǒng)中段的絹云母千枚巖與硅質(zhì)板狀千枚巖為研究對(duì)象，揭示了千枚巖微觀破裂形式、破裂機(jī)理與其礦物組成之間的聯(lián)系.但漢成等［3］通過(guò)對(duì)千枚狀板巖進(jìn)行了室內(nèi)CBR 值試驗(yàn)，從顆粒組成、礦物成分以及泡水時(shí)間、最大顆粒粒徑和擊實(shí)次數(shù)幾方面研究了其對(duì)填料CBR 值的影響.毛雪松等［4-5］研究了水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的力學(xué)性能，并在十天高速安康東段試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了浸水前后的承載板試驗(yàn)，分析了路基的濕化變形特性.劉新喜等［6］進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)化軟巖壓實(shí)特性試驗(yàn)研究，分析了該類材料填筑路基的可行性.通過(guò)上述分析可知，對(duì)千枚巖的研究主要集中在CBR 值的影響因素以及千枚巖作為路基填料的路用性能的研究，而水分對(duì)于千枚巖填料路基回彈模量影響的研究研究甚少.本文采取1m×1m×1.2m 的一維路基模型，進(jìn)行室內(nèi)試槽路基模型試驗(yàn)，并結(jié)合磨片電鏡實(shí)驗(yàn)分析了水分對(duì)風(fēng)化千枚巖回彈模量的影響，為相關(guān)工程提供了理論參考.

1 試槽路基模型濕化變形室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 填料的工程性質(zhì)

1.1.1 液限和塑限

對(duì)千枚巖填料的液限塑限進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)前將填料用粉碎機(jī)碾碎，過(guò)0.5mm 篩，加水拌勻裝入容器，并置入保濕箱，濕潤(rùn)時(shí)間不少于24h.測(cè)得液限WL為19.9%，塑限WP為16.0%，塑性指數(shù)IP為3.9.

由文獻(xiàn)［7］可知，千枚巖全風(fēng)化體中的細(xì)粒土（粒徑＜0.5mm）為低液限粉土.由千枚巖磨片電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：該巖石主要由云母和石英組成，其中白云母和黑云母占50%左右，石英占42%左右.這種土塑性指數(shù)小、粘粒含量少、強(qiáng)度和水穩(wěn)定性差，保水性差，易于下滲，土體板結(jié)性較差，僅靠壓路機(jī)的振動(dòng)很難達(dá)到壓實(shí)要求，在路基填筑中屬劣質(zhì)填料.

1.1.2 風(fēng)化千枚巖填料的級(jí)配

將千枚巖進(jìn)行破碎，使其最大粒徑不大于60mm，然后進(jìn)行篩分試驗(yàn)，級(jí)配曲線如圖1所示.該填料的不均勻系數(shù)為18.7，曲率系數(shù)為0.58，小于5mm 的粗顆粒約占30%以上，屬于級(jí)配不良.

圖1 填料的初始級(jí)配曲線

1.2 試槽路基模型填筑方案

路基一維模型的規(guī)格為長(zhǎng)1 m，寬1 m，高1.2m.試槽路基分12層填筑，每層厚10cm，下面5層按照下路堤標(biāo)準(zhǔn)填筑，上面7層按照上路堤標(biāo)準(zhǔn)填筑.在奇數(shù)層填完后，埋設(shè)水分傳感器，每層5根，共埋設(shè)6層，布設(shè)見(jiàn)圖2.試槽路基試驗(yàn)箱見(jiàn)圖3.

圖2 水分傳感器布置平、立面示意圖

圖3 試槽路基試驗(yàn)箱示意圖

1.3 路基濕化變形及含水率測(cè)試系統(tǒng)

試槽路基濕化變形測(cè)試系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）主要由地下水和地表水補(bǔ)給裝置、試槽、加載裝置、水分測(cè)試和采集系統(tǒng)4部分組成，圖5為加載裝置.

圖4 試槽路基濕化變形測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖5 加載裝置

1.4 路基濕化變形補(bǔ)水方案

為了模擬地表水和地下水對(duì)路基回彈模量的影響，分別從路基的頂部和底部進(jìn)行補(bǔ)水.在試槽路基模型底部設(shè)置20cm 厚的碎石層，碎石的粒徑在5.8cm 左右.碎石層填筑在方形鋼槽內(nèi)，鋼槽一側(cè)留有方孔，用來(lái)補(bǔ)水.用碎石層水位的上升來(lái)模擬地下水上升.

在試槽頂部進(jìn)行噴頭噴水進(jìn)行地表水補(bǔ)給，補(bǔ)給體積通過(guò)連接噴頭的上部容器刻度進(jìn)行控制.

在本試驗(yàn)中模擬地下水和地表水輪流補(bǔ)給模型路基，每次補(bǔ)水5L，每隔24h進(jìn)行一次水分采集，并進(jìn)行承載板測(cè)試.補(bǔ)水方案見(jiàn)表1～2.

水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由SOILMOISTURE EQUIPMENT CORP生產(chǎn)的tree system 水分測(cè)試儀和水分傳感器組成.監(jiān)測(cè)通道60路，測(cè)試精度1%，最小采集周期1min.

表1 地下水補(bǔ)給測(cè)試方案

表2 地表水補(bǔ)給測(cè)試方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地下水上升對(duì)試槽路基回彈模量的影響

地下水的上升是路基內(nèi)部含水率增高的主要形式之一，通過(guò)碎石層對(duì)試槽路基進(jìn)行地下水補(bǔ)給，測(cè)試地下水對(duì)路基變形和回彈模量.

1）試槽路基含水率的變化 在本模型中，地下水對(duì)試槽路基內(nèi)部含水率的影響隨路基高度的增高不斷減小，試槽路基底部埋設(shè)水分傳感器的第一層和第二層最接近地下水，通過(guò)這2層（即地下水位以上10cm），以及第三層（即地下水位以上30cm）以上水分的變化可以分析路基內(nèi)部含水率隨時(shí)間的變化情況.

在充分補(bǔ)充地下水后，引起的路基內(nèi)部水分變化見(jiàn)圖6.由圖6可見(jiàn)，地下水位以上10cm 處的路基土體含水率在每次補(bǔ)水后都有升高趨勢(shì)，且很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；地下水位以上10cm 處路基含水率達(dá)到10%左右后趨于穩(wěn)定，含水率不再升高；地下水位以上30cm 處，在地下水補(bǔ)充充足時(shí)，含水率變化不大，略有升高.其原因是地下水上升主要是靠細(xì)粒料的毛細(xì)作用，而風(fēng)化千枚巖含粗顆粒較多，且孔隙率較大，因此地下水對(duì)風(fēng)化千枚巖路基上部含水率的影響較小.

圖6 補(bǔ)充地下水引起的路基內(nèi)部水分變化

2）試槽路基濕化變形 受路基底部補(bǔ)水的影響，試槽路基在承載板試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生的濕化變形變化見(jiàn)圖7.在每次補(bǔ)水后的第一次承載板測(cè)試發(fā)生的濕化變形最大，然后趨于平穩(wěn)；在每次補(bǔ)水后路基的濕化變形都會(huì)有所增長(zhǎng)，隨著地下水的補(bǔ)給的不斷飽和路基濕化變形也隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定.

圖7 補(bǔ)充地下水后試槽路基濕化變形

試槽路基的濕化變形主要是由于路基底部第一層和第二層發(fā)生變化引起的，其原因仍是因?yàn)榈叵滤仙饕强考?xì)粒料的毛細(xì)作用，而風(fēng)化千枚巖含粗顆粒較多，且孔隙率較大.因此上層路基填料的性質(zhì)受地下水的影響也比較小，濕化變形也不明顯.

2.2 補(bǔ)充地下水后對(duì)試槽路基承載能力變化的影響

由試槽路基承載板試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8.由圖8可見(jiàn)，隨著地下水的補(bǔ)給路基的回彈模量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì).分析其原因，隨著補(bǔ)水時(shí)間的推移和補(bǔ)水量的不斷增加，千枚巖填料不斷的崩解破碎，在進(jìn)行承載板測(cè)試的時(shí)候?qū)е侣坊粩嘹呌诿軐?shí)，再加上之前的承載板測(cè)試對(duì)路基有壓實(shí)作用，之后測(cè)試的路基回彈模量呈增長(zhǎng)趨勢(shì).第二次和第三次補(bǔ)水后路基的回彈模量都發(fā)生衰減，是由于補(bǔ)水使路基的含水率暫時(shí)增大，濕化變形量回彈，路基的壓實(shí)度也隨之降低，故導(dǎo)致回彈模量呈現(xiàn)衰減現(xiàn)象.

圖8 補(bǔ)充地下水后路基回彈模量變化

在多次補(bǔ)充地下水后路基回彈模量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其原因是試驗(yàn)條件對(duì)結(jié)果有一定的影響，承載板測(cè)試是在同一測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行的，路基在不斷被壓實(shí)，多次歷史應(yīng)力的影響使地下水對(duì)路基的影響不降反升.每一次荷載作用都會(huì)使路基填料逐漸趨于密實(shí)，因而在下一次荷載板測(cè)試時(shí)，所產(chǎn)生的永久變形占回彈變形的比例較前一次有所降低.風(fēng)化千枚巖填料的粗粒料所占比重比較大，因此路基的孔隙率較大，毛細(xì)水作用較弱，地下水上升的高度有限，因此地下水補(bǔ)給沒(méi)有引起路基承載能力的衰減.

試槽路基距地表10cm 的第五層和30cm 處的第六層受地表水影響最大，通過(guò)這2層水分的變化可以分析地表水的下滲情況.

圖9為補(bǔ)充地表水引起的路基內(nèi)部水分變化.由圖9可見(jiàn)，補(bǔ)充地表水后，水分下滲的速度很快，經(jīng)過(guò)3次補(bǔ)水，路基頂面以下10cm 處路基含水率達(dá)到飽和狀態(tài)；路基頂面以下30cm 處路基含水率在累計(jì)補(bǔ)充補(bǔ)充地表水量達(dá)到30L時(shí)，達(dá)到了飽和狀態(tài).

圖9 補(bǔ)充地表水引起的路基內(nèi)部水分變化

圖10為補(bǔ)充地表水后試槽路基混化變形.由圖10可見(jiàn)，隨著承載板試驗(yàn)次數(shù)的增加，試槽路基的濕化變形累計(jì)增加，并且濕化變形隨著補(bǔ)水速率的增快也相應(yīng)加快，根據(jù)試槽路基的濕化變形特性，補(bǔ)水速率越快，由于路基的孔隙率比較大，水分滲入路基的深度就越大；當(dāng)整個(gè)路基含水率達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，路基的濕化變形趨于穩(wěn)定.

圖10 補(bǔ)充地表水后試槽路基濕化變形

2.3 補(bǔ)充地表水后對(duì)試槽路基回彈模量變化的影響

圖11為補(bǔ)充地表水后試槽路基的回彈模量變化曲線.由圖11可見(jiàn)，路基回彈模量整體呈現(xiàn)衰減趨勢(shì).與初始回彈模量相比，最終回彈模量衰減了70%左右.其原因是地表水在重力作用下，由于風(fēng)化千枚巖填筑的路基孔隙率比較大，下滲的深度大，影響范圍比較深.風(fēng)化千枚巖在遇水時(shí)發(fā)生崩解破碎，強(qiáng)度大幅度降低.隨著補(bǔ)水次數(shù)的增加和時(shí)間的推移，強(qiáng)度整體不斷衰減.隨著地表水的不斷補(bǔ)水，路基含水率也不斷趨于飽和，使壓實(shí)度降低，也導(dǎo)致了路基回彈模量的大幅度衰減.

圖11 補(bǔ)充地表水后路基回彈模量變化

3 結(jié)束語(yǔ)

補(bǔ)充地下水時(shí)由于千枚巖填料路基的孔隙率比較大，水分上升高度較小，對(duì)路基上層的含水率影響較小，承載板測(cè)試的過(guò)程中對(duì)路基起到不斷壓實(shí)的作用，路基回彈模量出現(xiàn)增大趨勢(shì)；補(bǔ)充地表水時(shí)由于路基孔隙大，同時(shí)在水的自重下水分下滲深度也大，導(dǎo)致回彈模量明顯衰減.表明了地表水對(duì)路基的影響要比地下水更為明顯.

［1］鄭小忠.千枚巖風(fēng)化土作為路基填料的室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)水運(yùn)，2011，11（2）：200-201.

［2］鄭 達(dá)，巨能攀.巖巖石微觀破裂機(jī)理與斷裂特征研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)2011，19（3）：317-322.

［3］但漢成，李 亮，胡 萍，等.枚狀板巖CBR 特征及影響因素分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，26（8）：41-45.

［4］毛雪松，周雷剛，馬 骉，等.強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填筑路基改良技術(shù)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2012，25（2）：20-26.

［5］毛雪松，鄭小忠，馬 骉，等.風(fēng)化千枚巖填筑路基濕化變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析［J］.巖土力學(xué)，2011，32（8）：2300-2306.

［6］劉新喜，夏元友，劉祖德，等.化軟巖路基填筑適宜性研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（6）：903-907.

［7］交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗(yàn)規(guī)程JTJE40-2007［S］.北京：人民交通出版社，2007.