千枚巖路基填料級配對路基性能研究

魏佩順

(鄭州市公路工程公司 鄭州 450000)

0 引 言

我國西南地區(qū)，地形崎嶇、山地與山谷相互交錯，高速公路大多采用橋隧形式.修建橋隧時產生的大量棄渣，若隨意棄置，會對生態(tài)環(huán)境造成破壞[1-2].將橋隧中的棄渣填筑路堤，既可有效解決路基填料運輸問題，又可保護環(huán)境、降低工程造價.廣甘沿線含有大量千枚巖，主要由絹云母、石英組成，其強度低、風化程度不同、抗變形能力差，以及水穩(wěn)定性差，千枚巖與普通硬質巖石在力學工程特性有較大差異[3].如何采用千枚巖填筑路基，對控制路基強度、穩(wěn)定和變形提出了更高的要求.

劉新喜等[4]研究發(fā)現風化軟巖壓實性較好，CBR隨壓實度提高逐漸增大，可用于填筑路基.鄭明新等[5]通過研究軟質千枚狀板巖礦物成分、耐崩解性、力學強度，以及擊實特性，認為風化軟巖填筑路基具有可行性.卿啟湘等[6]通過室內模擬實驗，研究了軟巖路基應力、應變特性.熊躍華等[7]研究了粗顆粒含量和含水率對泥質千枚板巖擊實特性影響，建議路基施工含水率控制在12%.畢冉[8]研究了不同壓力下千枚巖的破壞狀態(tài)和級配變化.田鵬程[9]運用數理統(tǒng)計確定天然千枚巖顆粒級配，并研究了不同室內擊實方法下千枚巖破壞狀態(tài).而千枚巖物理力學性質不一，在外界環(huán)境作用下級配不斷發(fā)生變化.鑒于此，本文通過室內試驗模擬現場千枚巖級配變化，確定合理的級配；并在此基礎上，針對素千枚巖工程特性不滿足路基填筑要求，采用水泥對其進行改良，研究水泥改良千枚巖填料的路用性能.

1 千枚巖工程特性

1.1 千枚巖物理性質

取自路塹開挖現場，根據其風化程度選取了二類代表性千枚巖，分別是微風化千枚巖A和強風化千枚巖B，見圖1.

圖1 千枚巖

由圖1可知，千枚巖A的巖體較為完整，主要呈板狀結構，巖芯多呈10～15 cm塊狀或柱狀，錘擊聲不清脆，較易擊碎；千枚巖B的巖體相對完整，多呈板狀、塊狀或短柱狀，巖芯多為4～10 cm的塊狀，夾雜有3～4 cm的碎片狀，錘擊聲啞，易擊碎.參照文獻[10]測定千枚巖A、B技術性質，見表1.

表1 千枚巖物理指標

由表1可知，隨風化程度加強，千枚巖顆粒密度和塊體密度逐漸減小，含水率、吸水率，以及孔隙率逐漸增加.

1.2 千枚巖力學特性

1) 點荷載強度 風化千枚巖A、B點荷載強度試驗結果見表2.

表2 千枚巖點荷載強度

由表2可知，千枚巖強度與風化程度相關，風化程度越高，強度和軟化系數越小.說明千枚巖浸水后，強風化千枚巖在水作用下較容易發(fā)生破壞.

2) 抗剪強度 對微風化千枚巖A垂直、水平節(jié)理進行直剪試驗，試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm.千枚巖抗剪強度試驗結果見表3.

表3 千枚巖抗剪強度

由表3可知，同一節(jié)理方向時，千枚巖天然狀態(tài)φ和c均大于飽和狀態(tài)，但相差不大，說明水對千枚巖抗剪強度影響較?。涣硗?，相同狀態(tài)時，千枚巖垂直節(jié)理方向的φ和c均大于水平方向，說明加載方向和結構面影響千枚巖抗剪強度.

1.3 水穩(wěn)定性

參照文獻[10]，選用崩解試驗和膨脹試驗評價千枚巖水穩(wěn)定性.

1) 耐崩解特性 對微風化、強風化千枚巖分別進行5次干燥循環(huán)崩解試驗，試驗結果見表4.

表4 千枚巖崩解試驗結果

由表4可知，千枚巖崩解量隨循環(huán)作用次數的增加逐漸增大，而耐崩解性指數則逐漸減小.循環(huán)作用5次時，微風化、強風化千枚巖耐崩解性指數分別為90.8%，81.5%.

2) 膨脹特性 對微風化千枚巖進行膨脹試驗，測試其軸向和徑向膨脹率，實驗結果見表5.

表5 千枚巖膨脹試驗結果

由表5可知，微風化千枚巖徑向、軸向膨脹趨勢很小，基本保持原有結構.

2 千枚巖顆粒級配

2.1 試驗方案

1) 室內破碎強千枚巖，控制最大粒徑≤60 mm，對其進行篩分試驗.試驗結果見表6.通過改變含石量模擬現場千枚巖破碎狀態(tài)下的級配，參照文獻[10]，采用室內重型擊實試驗分析級配對最大干密度和最佳含水率的影響.擬含石量為30%，40%，50%，60%，70%和80%.含石量是指千枚巖粒徑大于5 mm的顆粒質量百分率.

表6 千枚巖篩分試驗結果

2) 對第一次千枚巖擊實試件進行破碎，并二次擊實；取最大干密度的千枚巖試件破碎進行篩分試驗，評價其級配.

由表6計算可得，不均勻系數19.2，曲率系數0.7，屬于級配不良.

2.2 擊實試驗結果

1) 一次擊實 含石量對室內最大干密度和最佳含水率的影響見圖2.

圖2 擊實試驗結果

由圖2可知，隨含石量增加，千枚巖最大干密度逐漸提高、最佳含水率逐漸降低；其中含石量為70%時，最大干密度最大，這是因為千枚巖中含有足夠的粗顆粒形成骨架，又有較多的細顆粒填充于骨架之中；另外，當含石量越大時，細顆粒越小，千枚巖吸水能力降低，導致最佳含水率不斷減小.因此，千枚巖最佳級配是含石量70%.

2) 二次擊實 不同含石量千枚巖擊實結果見圖3，篩分試驗結果見表7.

表7 千枚巖(含石量70%)篩分試驗結果

圖3 含石量-二次擊實千枚巖最大干密度關系

由圖3可知，含石量70%時，二次擊實千枚巖最大干密度最大，與第一次擊實結果相近.這說明含石量70%時，千枚巖級配良好，結構密實.

由表7計算可得，不均勻系數21.3，曲率系數1.8，級配良好.

3 水泥改良千枚巖

3.1 重型擊實試驗

對破碎千枚巖進行篩分試驗，根據圖2和圖3確定級配組成，擬控制含石量為50%,60%,70%,80%.采用水泥對破碎后的千枚巖進行改良，并測定其路用性能.擬水泥劑量4%,5%,6%.擊實試驗結果見圖4.

圖4 水泥劑量-水泥改良千枚巖最大干密度關系

由圖4可知，同一含石量下，隨水泥劑量增加，水泥改良千枚巖最大干密度逐漸提高.含石量60%～70%時，擊實效果較好，干密度較大.

3.2 CBR試驗

研究水泥改良對千枚巖CBR值影響，擬水泥劑量4%,5%和6%，含石量分別為60%和70%，擊實次數擬30,50,98次，最佳含水率下成型試件.CBR試驗結果見表8.

表8 水泥改良千枚巖CBR試驗結果

由表8可知，擊實次數與含石量一定時，水泥改良千枚巖隨水泥劑量增加CBR值逐漸提高；含石量60%和70%的水泥改良千枚巖，水泥劑量每提高1%，CBR值增加26.9%,23.6%.另外，相同擊實功下，含石量60%水泥改良千枚巖大于含石量70%千枚巖，這是因為隨含石量的升高，顆粒之間的空隙逐漸增大，水泥大多依附在粗顆粒表面，與細顆粒接觸較少，從而導致含石量70%千枚巖CBR小于含石量60%的千枚巖CBR.

3.3 無側限抗壓強度試驗

分析水泥劑量對改良千枚巖無側限抗壓強度的影響規(guī)律，控制最佳含水率和最大干密度，采用靜壓法成型試件.試件脫模后，立即放入塑料袋內密封好，在標準的濕度和溫度條件下養(yǎng)護7 d后，測試其無側限抗壓強度.擬水泥劑量4%,5%和6%，含石量分別為50%,60%和70%.試驗結果見圖5.

圖5 水泥劑量-改良千枚巖無側限抗壓強度關系

由圖5可知，含石量不變時，水泥改良千枚巖7 d無側限抗壓強度隨水泥劑量的增加呈現遞增趨勢，水泥劑量每增加1%，含石量50%,60%和70%改良千枚巖強度約分別提高51.3%,31.6%,62.0%.另外，含石量60%千枚巖強度高于其他兩個含石量的千枚巖，這是因為含石量70%千枚巖，骨架之間空隙大，細顆粒與水泥反應產生的膠凝物質作用不完全，致使其強度低于含石量60%千枚巖.對此，選擇含石量60%,4%水泥劑量改良千枚巖既滿足路基填筑要求，又經濟合理.

4 結 論

1) 千枚巖隨風化程度加強其密度、強度及水穩(wěn)性逐漸降低，含水率、吸水率和孔隙率逐漸增加.

2) 通過對不同含石量千枚巖進行擊實試驗，含石量70%千枚巖時，兩次擊實得到的最大干密度最大.

3) 通過水泥改良千枚巖，擊實次數與含石量一定時，水泥改良千枚巖隨水泥劑量增加CBR值逐漸提高；含石量不變時，水泥改良千枚巖7 d無側限抗壓強度隨水泥劑量的增加呈現遞增趨勢.

4) 選擇含石量60%,4%水泥劑量改良千枚巖既滿足路基強度要求，又經濟合理.