改良千枚巖填料的CBR值影響因素分析

毛雪松, 朱鳳杰，黃 喆，王莉云，陳燕琴

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 ，陜西 西安 710064)

改良千枚巖填料的CBR值影響因素分析

毛雪松, 朱鳳杰，黃 喆，王莉云，陳燕琴

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 ，陜西 西安 710064)

選用十堰至天水高速公路安康東段的千枚巖為原材料，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。千枚巖屬于軟巖的一種，強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差且易崩解，不宜直接作為高等級(jí)公路路基填料，需要對(duì)其進(jìn)行改性后填筑路基。同時(shí)基于CBR測(cè)試結(jié)果，結(jié)合方差分析理論分析了不同水泥摻量與不同粗粒料級(jí)配對(duì)千枚巖填料CBR的影響。結(jié)果表明：水泥摻量與粗粒料級(jí)配對(duì)千枚巖CBR值影響都比較顯著；但在考慮到經(jīng)濟(jì)和工程特性要求時(shí)，通過(guò)分析選擇水泥摻量為3%與粗粒料含量為55%級(jí)配組合為最佳組合。

道路工程；千枚巖；水泥改良；級(jí)配；方差分析理論；CBR

0 引 言

“十天”高速公路安康東段沿線分布著大量的強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖具有強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、易破碎等性質(zhì)，屬于軟巖的一種，在路基填料中屬于劣質(zhì)材料，故不宜作為高速公路路基填料。沿線棄方的堆放和填方的選材成為一項(xiàng)突出矛盾。若將其作為路基的填料，不僅可以解決這個(gè)矛盾，同時(shí)也會(huì)保護(hù)環(huán)境、降低造價(jià)。因此需要對(duì)千枚巖進(jìn)行改性處理。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)軟巖的研究，多集中在填料的工程性能、可行性、改良前后強(qiáng)度變化以及浸水特性上。羅小杰[1]通過(guò)抗壓試驗(yàn)，分析了千枚巖物理力學(xué)特性；I.A.SADISUN等[2]進(jìn)行無(wú)側(cè)限膨脹試驗(yàn)，分析了黏土類軟巖的膨脹特性；毛雪松等[3]對(duì)水泥改良前后的千枚巖填筑路基遇水后濕化變形進(jìn)行了研究；趙磊等[4]對(duì)蘭渝鐵路清水隧道沿線千枚巖填料改良后的工程特性進(jìn)行了研究，并建立有限元數(shù)值模型；蘇永華等[5]利用多重分形理論分析了軟巖發(fā)生膨脹崩解的力學(xué)機(jī)理。從上述分析中可知，對(duì)水泥劑量和級(jí)配對(duì)千枚巖填料CBR值影響的研究比較少。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和方差理論分析對(duì)不同水泥摻量和不同粗粒料級(jí)配水平組合下千枚巖填料CBR特性的影響效果展開(kāi)研究和分析，以確定能滿足力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)要求的水泥改良千枚巖填料的水泥摻量和級(jí)配水平組合。

1 千枚巖填料的物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 千枚巖的礦物組成

選用“十天”高速公路安康東段沿線的千枚巖作為實(shí)驗(yàn)原材料。利用X射線衍射儀(圖1)做X射線衍射試驗(yàn)并利用電子掃描顯微鏡(圖2)做磨片電鏡試驗(yàn)，可知千枚巖原巖中主要礦物成分為絹云母和雛晶黑云母，同時(shí)還含有一些長(zhǎng)石礦物(圖3、圖4)。

圖2 電子掃描顯微鏡Fig.2 Electron scanning microscopy

圖3 X射線衍射試驗(yàn)圖譜Fig.3 X - ray diffraction test pattern

圖4 千枚巖的磨片電鏡Fig.4 Abrasive disc phyllite electronic microscope

1.2 千枚巖原巖的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

把采集到的千枚巖試樣，按照GB/T50266-99《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]的規(guī)定，制成形狀規(guī)則的四方體，并分為未飽水和飽水兩組，分別做單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，所得結(jié)果如表1。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可知，千枚巖原巖的單軸抗壓強(qiáng)度范圍為12～30 MPa。規(guī)范中定義軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于30 MPa的巖石，同時(shí)，從表1中計(jì)算的結(jié)果可知千枚巖的軟化系數(shù)均小于0.52，低于規(guī)范規(guī)定的軟化系數(shù)的最小值0.75。故可以判定，風(fēng)化后的千枚巖是一種水穩(wěn)性差、抗壓強(qiáng)度低且易碎的軟巖。因此當(dāng)作為路基填筑材料時(shí)，在水和荷載共同反復(fù)作用下極容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

1.3 千枚巖填料物理指標(biāo)測(cè)定

按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]測(cè)得千枚巖填料中的液限、塑限和塑性指數(shù)的平均值分別為16.1%，17%和3.8%。通過(guò)相關(guān)規(guī)定以及塑性土分類的劃定可知，強(qiáng)風(fēng)化體千枚巖填料是屬于一種低液限粉土，在路基填料中屬于劣質(zhì)填料。

1.4 千枚巖填料的崩解特性

崩解性又稱為濕化性，指的是黏性土之間由于土顆粒之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)而產(chǎn)生的強(qiáng)度在受到水的入侵后而發(fā)生消弱或者喪失，導(dǎo)致土體崩解的特性。

將千枚巖填料制作成體型不一的試樣，放置烘箱內(nèi)烘至恒重，接著放入干燥的容器中稱重。再將試樣放入盆中加水至淹沒(méi)試樣0.5 cm以上，浸水1 d后烘干，稱重，這一過(guò)程稱為一次循環(huán)。

崩解率和干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如表2。

表2 風(fēng)化千枚巖不同干濕循環(huán)次數(shù)的崩解率

擬合曲線為

Idn=1.7n-8.78

R2=0.997 9

(1)

式中：Idn為耐崩解性系數(shù)，%；n為干濕循環(huán)次數(shù)。

由圖5可知，當(dāng)循環(huán)的次數(shù)越多時(shí)，風(fēng)化千枚巖試樣的崩解率越大；當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)類似于泥土的粉末。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、總結(jié)，說(shuō)明千枚巖填料抗風(fēng)化性能和水穩(wěn)性都比較差，強(qiáng)度低，崩解度較高。

圖5 風(fēng)化千枚巖崩解率隨干濕循環(huán)變化的試驗(yàn)擬合曲線Fig.5 Weathered phyllite disintegration rate changes withthe wet-dry cycle test fitting curve

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由第1節(jié)可知，千枚巖填料強(qiáng)度較差。為提高千枚巖填料的力學(xué)性能，采用水泥改良路基，因此水泥摻量與千枚巖填料級(jí)配是影響其強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。在最佳含水率的條件下選用表3中的3個(gè)不同的粗粒料級(jí)配組合，同時(shí)每個(gè)組合中水泥摻量選為3%，4%，5%，6%，這樣級(jí)配組合和水泥摻量水平的個(gè)數(shù)分別為3和4。通過(guò)CBR試驗(yàn)和兩因素方差分析相結(jié)合的方法，研究水泥摻量和粒料級(jí)配以及二者的交互作用對(duì)水泥改良千枚巖填料CBR值變化的影響。因此對(duì)不同的級(jí)配和水泥在最佳含水率的條件下配制試件，每3個(gè)試件為一組，各進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，共計(jì)36次實(shí)驗(yàn)。

表3 千枚巖填料各級(jí)配組合的粒徑組成

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果如表4和圖6。

表4 CBR試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同水泥摻量對(duì)CBR值的影響分析

從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，當(dāng)粗粒料含量一定時(shí)，增大水泥摻量時(shí)，改良千枚巖填料的CBR值也會(huì)隨之增大，改良后得到的CBR最大值約為230%，增加了近5倍左右。說(shuō)明水泥摻量改良千枚巖CBR值有一定的效果。

3.2 不同粗粒料含量對(duì)CBR值的影響分析

從圖6(a)和圖6(b)中可以得出，當(dāng)水泥含量一定時(shí)，隨著粗粒料含量的增加，千枚巖CBR值先增大后減小，其中粗粒料為55%的組合相對(duì)于粗粒料為65%和粗粒料為45%的組合，其CBR值具有最大值，這是因?yàn)?5%的千枚巖級(jí)配性能更好些，水泥與粗粒料之間的反應(yīng)更加充分，而65%的，由于粗集料過(guò)多，導(dǎo)致細(xì)集料較少，從而導(dǎo)致大部分的水泥都附著在粗粒料表面，使得反應(yīng)不夠充分，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，因而沒(méi)有55%對(duì)千枚巖CBR值影響大。

3.3 不同級(jí)配和不同水泥劑量對(duì)CBR值的影響可重復(fù)兩因素方差分析

方差分析是指在方差相等的條件下,對(duì)多個(gè)服從正態(tài)分布的總體，驗(yàn)證它們的均值是否相等的一種統(tǒng)計(jì)方法,且作F檢驗(yàn),判斷因素的作用是否影響顯著。筆者旨在研究水泥劑量和粗粒料含量對(duì)千枚巖CBR值的影響，故假定水泥劑量和粗粒料含量的方差各自相等，且服從正態(tài)分布。設(shè)因素a和b分別為級(jí)配因素，水泥摻量因素，分別有3個(gè)和4個(gè)不同的水平，在每個(gè)不同的水平組合條件下，每組分別進(jìn)行3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)。因此可用“可重復(fù)兩因素方差分析”對(duì)水泥摻量和級(jí)配對(duì)水泥改良千枚巖填料CBR值影響進(jìn)行方差分析，所得分析結(jié)果如表5。

由表4可知，由級(jí)配因素和水泥摻量因素及其交互作用計(jì)算得到的F值大于F的臨界值，故根據(jù)方差分析理論知，其F檢驗(yàn)顯著，表明級(jí)配和水泥摻量的變化及其交互作用對(duì)CBR值的增加影響為顯著。因此需要對(duì)a，b兩因素不同水平及交互作用的平均測(cè)定結(jié)果進(jìn)行多重比較。其結(jié)果如表6～表8。

圖6 水泥摻量和粗粒料含量變化對(duì)CBR值的影響Fig.6 Influence of cement and coarse aggregate contentvariation on CBR value

差異源平方和SS自由度dfe均方差MSF值F臨界值(Fcrit)a因素3685．521842．7569．552283．402826b因素5432．7531810．91768．350773．008787a×b620．56103．41673．9033322．508189內(nèi)部誤差635．8672426．49446總變異10374．623510374．62

表6 級(jí)配因素水平多重比較

表7 水泥摻量因素水平多重比較

表8 級(jí)配和水泥摻量交互作用多重比較

表6～表8中a1，a2，a3分別代表粗粒料含量為45%，55%，65%；b1，b2，b3，b4分別代表水泥摻量為3%，4%，5%，6%；a1b1代表粗粒料含量為45%水泥摻量為3%的組合；aibj(i=1,2,3;j=1,2,3,4)可以按照a1b1類推?！?+”表明影響極顯著，“+”表明影響顯著，“》”代表兩個(gè)水平平均數(shù)相差很大。

由表6可得：a2》a3》a1。說(shuō)明在不同級(jí)配對(duì)水泥改良千枚巖填料CBR值增大的影響中，影響最差的是粗粒料含量為45%的，其次是65%的，最好的則為55%的。同時(shí)也證明了，當(dāng)水泥含量一定時(shí)，隨著粗粒料含量的增加水泥改良千枚巖填料CBR值是先增大后減小的變化規(guī)律。

從表7中可以得到：b4》b3》b2》b1。說(shuō)明當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，水泥摻量水平對(duì)CBR值增大影響是最大，其次為5%的水泥摻量水平，隨后為4%與3%的水泥摻量水平，這也說(shuō)明了改良千枚巖填料的CBR值是隨著水泥摻量的增加而增加的。

對(duì)表8進(jìn)行分析可得，a2b4>a3b4>a2b3>a2b2>a3b3>a1b4>a2b1(a3b2)>a1b3>a1b2>a1b1(a3b1)?？梢苑治龀霎?dāng)粗粒料含量和水泥摻量分別為55%和6%時(shí)的交互作用，對(duì)改良填料CBR值增大的影響效應(yīng)最為顯著，次之是為65%和6%的搭配組合，再次之是55%與5%的搭配組合，最后為45%與4%以及65%與3%的搭配組合。

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)考慮到需要滿足經(jīng)濟(jì)性和工程性要求時(shí)，在水泥劑量為3%時(shí)，相比于粗粒料含量為45%和65%，粗粒料含量為55%對(duì)CBR值增大的影響是最大的，因此是最滿足工程和經(jīng)濟(jì)要求的最佳水泥摻量和級(jí)配組合。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)千枚巖原巖實(shí)驗(yàn)分析可知，該類巖石的礦物成分以絹云母和雛晶黑云母為主，有少量的長(zhǎng)石礦物，且耐水性差，易崩解，在路基填料中屬于劣質(zhì)材料。

通過(guò)試驗(yàn)及可重復(fù)兩因素方差分析可知：水泥摻量和粗顆粒含量對(duì)千枚巖CBR都有著顯著的影響。隨著水泥摻量和粗顆粒含量的增大，CBR值與其呈正相關(guān)的關(guān)系，有非線性曲線變化趨勢(shì)。在考慮到經(jīng)濟(jì)和工程特性要求時(shí)，通過(guò)分析，選擇水泥摻量為3%，粗粒料含量為55%級(jí)配組合為最佳組合。

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(責(zé)任編輯 朱漢容)

Analysis of the Influences on CBR Value of Improved Phyllite as a Fill

MAO Xuesong, ZHU Fengjie,HUANG Zhe,WANG Liyun，CHEN Yanqin

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,P.R.China)

The phyllite as a the raw material was taken from the eastern Ankang section of Shiyan-Tianshui highway and used in series experiments. The results show that phyllite is a type of weak rock of low strength, poor stability and vulnerable to disintegration and thus cannot be directly used as fill of subgrade of high-level highway. Phyllite can only be used in subgrade as fill after it is modified. Based on the CBR test results, cement addition and coarse particle grading influenced a lot on CBR value of phyllite. But considering the constraints of economy and engineering properties , through analysis, the mix of cement addition of 3% and coarse particle content of 55% is the optimum combination.

highway engineering;phyllite; cement modified;gradation;variance analysis theory;CBR

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.08

2015-09-30；

2015-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378072)

毛雪松(1976—)，女，吉林春暉人，教授，博士，主要從事路基穩(wěn)定性方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：xuesongxian@yahoo.com.cn。

U416.1

A

1674-0696(2017)02- 043- 06