千枚状板岩CBR特征及影响因素分析

但汉成，李 亮，胡 萍，赵炼恒

（中南大学土木建筑学院，长沙 410075）

千枚状板岩CBR特征及影响因素分析

但汉成，李 亮，胡 萍，赵炼恒

（中南大学土木建筑学院，长沙 410075）

路基填料的承载比（CBR值）是土体抗局部剪切力（潜在强度）的反映，是评价其路用性能的重要指标。为了研究千枚状板岩CBR值的特征和影响CBR值的主要因素，结合武广客运专线的工程实际，对沿线的千枚状板岩进行了室内CBR值试验。从颗粒组成、矿物成分以及泡水时间、最大颗粒粒径和击实次数几方面研究了其对填料CBR值的影响，并对影响因素采用无重复双因素方差分析方法进行了显著性分析。结果表明：影响CBR值的主要因素是填料中的颗粒矿物组成和泡水时间与击实次数，颗粒大小影响不是很大。在此需要强调的是风化软岩不能直接用于浸水地区路基的填筑，必须对填料进一步改良，同时加强路基、路面的防护与排水措施。

加州承载比；千枚状板岩；方差分析；风化软岩；显著性；击实

CBR值是反映在进行贯入试验之后，试件中部分土体与整体之间产生相对位移（即剪切）时，在滑动面（即剪切面）上所产生的抗剪切力特性的表征，是土壤抗局部剪切力强度（潜在强度）的反映。其值反映到公路路基上，则是指路基的抗局部剪切力的能力［1］。武广客运专线沿线的第一系至白垩系下统泥质粉砂岩、泥岩、含砾砂岩、泥质板岩、千枚状板岩等全风化-弱风化软岩弃碴，多为软岩或极软岩，抗风化能力、抗水性以及抗变形能力均较差，其风化后强度急剧降低，为了将这些软岩用于路基的填筑，对于其工程特性的研究的意义十分重大。日本20世纪60年代就开始对软岩填筑路基的可行性开展了一定的试验研究与工程实践，而国内的铁路、公路一般都采用硬质填料，比较少采用软岩作为路基填料［2］。软岩稳定性差，在地表水和地下水的作用下其强度迅速减弱，若作为高速铁路路堤的填料，则有必要研究其在高速列车等循环荷载作用下的应力、变形、强度指标和水稳定性问题，但诸如此类问题的研究工作，目前国内开展得较少［3～6］。CBR试验将探头贯入土中的过程和道碴在列车荷载作用下挤陷入基床表面的现象极为相似，所以将CBR试验应用于铁路路基压实质量管理也是比较合理的［2，7］。本文结合武广客运专线的工程实际，对沿线的千枚状板岩进行室内CBR值试验，从颗粒组成、矿物成分以及泡水时间、最大颗粒粒径和击实次数几方面来研究其影响因素对填料CBR值的影响，为相关工程的设计与施工提供参考。

1 千枚状板岩的基本特征

试验所用千枚状板岩取自武广客运专线某段，颗粒分析结果见表1。

表1 千枚状板岩强风化及全风化体混合料的自然土粒组成Table 1 Particle composite of strongly weathered and entirely weathered compound materials of phyllitic slate

板岩的SiO2，Al2O3和Fe2O3三种氧化物之和为91.24%。经X-射线的衍射分析，这种软岩不含蒙脱石等强亲水性岩土，属非膨胀土，但易风化和浸水易软化矿物含量高，且千枚状板岩还含有高岭石，而这些矿物成分都对软岩的性质产生重要影响。室内试验测定了板岩天然含水量、天然密度、相对密度、干密度、孔隙比、孔隙率和饱和度，液限和塑限，测试结果见表2。

2 CBR值的影响因素分析

根据土力学原理，由土壤形成的“土体”在贯入试验中所反映的强度实质上是它的局部抗剪切强度，可以采用库伦定律表示为τ＝σtanφ+c。式中：τ为抗剪切强度；σ为剪切面上法向压力；tanφ为摩擦系数；c为土壤的内聚力。其中，内聚力实际上是土壤之间的连接力，是阻止土壤颗粒发生相对移动的主要力。当剪力超过内聚力后，内摩擦力将开始起阻止作用；当剪力超过两者之和时，土体就发生破坏。在外荷载和自重的作用下，路基内部产生剪应力和相应的变形，当作用在路基上的荷载超过其抗剪强度时，就会产生剪切破坏。因此，可以对土样进行贯入试验得到CBR值，以此评价路基土体的抗剪强度，从而间接得到路基土的局部抗剪强度［8］。土体的剪切阻力（剪切强度）取决于许多因素，即剪切阻力＝f（e，φ，C，σ′，c′，H，T，ε，dε，S），其中：e为孔隙比；φ为内摩擦角；C为土的矿物成分；σ′为有效正应力；c′为内聚力；H为应力历史；T为温度；ε为应变；dε为应变速率；S为土的颗粒组成。

3 击实试件的室内CBR值

室内CBR试验按《铁路工程土工试验方法》（TBJ102-96）［9］和《土工试验方法标准》（GB／T50123-1999）［10］中规定的方法进行，按击实试验重型Ⅱ法Ⅱ-2制备试件。研究击实功、最大颗粒粒径及不同泡水时间对试件CBR试验的影响。试样最大粒径有38 mm和20 mm两种，击数按30，50及98三种进行试验，按饱水时间不同，试件分4组进行，第一组试件饱水24 h，第二组饱水96 h（4 d），第三组饱水168 h（7 d），第四组饱水240 h（10 d）。每次CBR试验进行CBR值、浸水膨胀量、吸水量、干密度的测试，其中浸水膨胀量大小可反映试件的膨胀性能。表3、表4给出了千枚状板岩强风化及全风化混合料试样试件不同泡水时间的CBR值试验结果。图1给出了千枚状板岩击实试件泡水4 d单位压力与贯入度关系曲线。

图1 千枚状板岩击实试件泡水4 d单位压力与贯入度关系Fig.1 Relationship between unit-pressure and penetration obtained from the phyllitic slate sample with different compaction times and immersion 4 days

表2 岩样天然状态下的三相比例指标Table 2 Three-phase proportion indexes of the phyllitic slate in natural state

表3 千枚状板岩强风化及全风化混合料试件CBR的试验结果（粒径＜38 mm）Table 3 Test results of CBR-values of strongly weathered and entirely weathered compound materials of phyllitic slate with particle size＜38 mm

表4 千枚状板岩强风化及全风化混合料试件CBR的试验结果（粒径＜20 mm）Table 4 Test results of CBR-values of strongly weathered and entirely weathered compound materials of phyllitic slate with particle size＜20 mm

4 CBR影响因素分析

4.1 颗粒及矿物组成的影响

大量试验研究表明，土体的颗粒性质（粒径大小）与黏聚力、内摩擦力的关系密切。土颗粒粒径愈大，内摩擦力愈大而黏聚力愈小；土颗粒粒径越小，土壤黏性愈强，黏聚力愈大而内摩擦力愈小。风化软岩的主要黏土矿物为高岭石、蒙脱石和伊利石。这些矿物成分的含量不同，导致风化物不同的工程特性，尤其是其中的黏粒矿物对风化物的性质影响较大。其中高岭石相邻晶胞之间具有较强的氢键连结，结合牢固，水分子不能自由渗入，形成较粗的孤粒，比表面积小，亲水性弱，压缩性较低，抗剪强度较大；蒙脱石相邻晶胞间距离较大，连结较弱，水分子易渗入，形成较细的黏粒，比表面积较大，亲水性较强，膨胀性显著，压缩性高，抗剪强度低；伊利石的工程地质性质则居于两者之间［7］。元古板溪群及冷家溪群风化千枚状板岩属极软岩，pH值≈6.8，呈弱酸性。化学组成见表5。

表5 千枚状板岩的矿物成分Table 5 Mineral component of phyllitic slate

而且从表1分析，大于2 mm的颗粒粒径超过50%，从其颗粒大小看，属于粗粒土。其粗颗粒多由易风化、质软且遇水易软化的软质岩块组成，虽粗颗粒含量较大，但不能将千枚状板岩碎碴划入粗粒土类，因为它是一种性能不稳定的岩土材料，它是属于巨粒土或粗粒土目前还没有定论，实际上它可定名为含黏性土的软质岩块。

根据室内击实试验研究结果及碾压施工的工程经验，千枚状板岩击实时的破碎率在35%～75%左右，且含水量对击实后的破碎率影响较大。

由于黏土矿物的总量对土体性状的影响程度远远超过土中所含黏土矿物相对数量的影响［1］，由此，可以判断含黏土矿物含量越高，CBR值就越小，文献［7］中泥质板岩的CBR值大于千枚状板岩的CBR值，实际上颗粒及矿物的组成是决定了软岩性质的，其影响是最主要的［1］。

4.2 泡水时间的影响

当浸水后的试样发生剪切移动时，并不是土体颗粒之间发生摩擦作用，而是通过周围的水层相互摩擦。由于水层具有润滑作用，因此水层越厚摩擦力就越小，也就是说吸水量越多摩擦力就越小。由图1可知，随着单位压力的增加贯入量是增加的，在某一压力下土体发生剪切破坏。98击试样的破坏压力要大于50击和30击的破坏压力，这也说明了通过提高击实次数可以提高CBR值，CBR值是随击实次数的增加而增加的。

从图2可知，CBR值随着泡水时间的增长而减小。整体上，击实98次的试样的泡水整体CBR值要大于50次和30次击实的试样。

图2 泡水时间与CBR值的关系Fig.2 Relationship between immersion time and CBR-value

4.3 最大粒径的影响

对于千枚状板岩这类强度低易风化的软岩中，由于细粒含量较多，粗粒不能形成骨架，粒间细粒能充分填塞，孔隙率小，咬合作用微弱。由图3可知，土颗粒的最大粒径对CBR值的影响不大。但是从图中还是能得出，土粒径越大，CBR值也越大。不同土料，其最大粒径是不同的，粒径越大则浸水对其影响越小，即对浸水越不敏感，相应的CBR下降值就越小。当难以通过增大夯实功来提高路基的填筑强度时，可通过增加粗颗粒的含量，实现路基CBR值和强度的提高。

图3 最大粒径值与CBR值的关系Fig.3 Relationship between max particle size and CBR-value

4.4 击实次数的影响

随着试件击数的增加，CBR值相应增大。最大颗粒粒径从38 mm减小到20 mm，CBR值平均减小5%左右，最大减小20%。CBR值随泡水时间的延长而减小，如最大颗粒粒径为38 mm、击数98击时其值分别减小13%，25%，32%。最大颗粒粒径为38 mm，击数从30击增加到50击时，不同泡水时间试件CBR值增加42%～104%；击数从50击增加到98击时，不同泡水时间试件CBR值增加13%～28%。因此，CBR值随击实次数增加而增加，但当达到一定数量后，击实次数对CBR的影响将越来越小即随着击数的增加，CBR值增幅在减小。图4为击实次数与CBR值的关系。

图4 击实次数与CBR值的关系Fig.4 Relationship between compaction times and CBR-value

4.5 综合分析

综合来看：千枚状板岩强风化及全风化混合料击实试件室内CBR值随颗粒粒径的减小而有所减小，CBR值随泡水时间的延长而减小，击实试件的颗粒粒径大小和泡水时间的长短对浸水膨胀量测试值的影响不是很明显。浸水膨胀量随击数的增加而有所增大，粒径小于38mm，击数分别为30，50和98的击实试件，泡水4 d，它的浸水膨胀量分别为0.54%，0.59%，0.65%；击数98颗粒粒径小于38 mm的击实试件，它泡水1 d，4 d，7 d和10 d时，其膨胀量的平均值分别为0.64%，0.65%，0.72%和0.76%，总的来看千枚状板岩击实试件浸水膨胀量较小，变化也不大，这说明它属于低膨胀性岩土。但当浸水时间较长时，在外表面产生较明显的淤泥。

5 影响因素的显著性分析

本文采用双因素无重复试验方差分析［11］对上述影响因素进行分析。表6是以粒径＜20 mm的千枚状板岩为例的影响因素值，表7是以粒径＜38 mm的千枚状板岩为例的影响因素值和分析结果，无重复双因素方差分析结果见表8。

由方差分析结果可知，泡水时间和压实度的方差分析F值均大于F-crit值，而且该F值对应的显著性水平几乎为0，所以这2个因素对CBR值有极显著的影响，且击实次数较泡水时间更为显著；而粒径对CBR值的影响相对于泡水时间和压实度而言较小。

表6 粒径＜20 mm千枚状板岩影响因素值Table 6 Influence factor values of phyllitic slate with particle size＜20 mm

表7 粒径＜38 mm千枚状板岩影响因素值Table 7 Influence factors values of phyllitic slate with particle size＜38 mm

表8 无重复双因素方差分析结果综合表Table 8 Variance analytic results of nonrepeative double factors

在实际工程中，应该控制路基的压实度，然后根据所在地区的水文特性和路面承受荷载的实际情况来确定浸水时间和CBR的允许值，以达到最佳的效果。

6 结 语

结合武广客运专线的工程实际，对沿线的千枚状板岩进行了室内CBR值试验。从颗粒组成、矿物成分以及泡水时间、最大颗粒粒径和击实次数几方面研究了其对填料CBR值的影响，并对影响因素进行了显著性分析，得出了结论：影响CBR值的主要因素是填料中的颗粒矿物组成，与泡水时间、击实次数、颗粒大小影响不是很大。它的强风化及全风化混合料的CBR值能满足《铁路路基设计规范》对CBR值的要求。

CBR值随泡水时间的延长而降低。根据《铁路路基设计规范》中对路基填料的要求，在南方多雨地区，这些风化软岩弃碴不宜直接填筑路基。因此，在实际应用中必须通过填料改良，以提高它们的抗软化能力，抵御雨水的浸蚀，同时加强坡面防护及基面排水措施。需要强调的是填料不能直接用于浸水地区路堤的填筑。

［1］ 杨广庆，高民欢，张新宇.高速公路路基填料承载比影响因素研究［J］.岩土工程学报，2006，28（1）：97-100.

［2］ 杨广庆，刘树山，刘田明.高速铁路设计与施工［M］.北京：中国铁道出版社，1999.

［3］ 邓学钧.路基路面工程［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］ 陈希哲.土力学地基基础［M］.北京：清华大学出版社，1998.

［5］ 钟辉虹，黄茂松，吴世明，等.循环荷载作用下软黏土变形特性研究［J］.岩土工程学报，2002，24（5）：629-632.

［6］ 叶国静.路面永久变形的实验研究［J］.岩土工程学报，1987，9（1）：113-116.

［7］ 王雪红，王永和，卿启湘.板岩路基填料CBR特征及影响因素分析［J］.湖南工业大学学报，2007，21（2）：100-103.

［8］ 陈柏年，朱凤艳，韩勤.CBR试验内在机理研究及影响因素的分析［J］.交通标准化，2001，（1）：28-30.

［9］ GB／T50123-1999，土工试验方法标准［S］.

［10］TBJ102-96，铁路工程土工试验方法［S］.

［11］刘达民，程 岩.应用统计［M］.北京：化学工业出版社，2004.

（编辑：周晓雁）

Analysis for Influence Factors and CBR Characteristics of Phyllitic Slate

DAN Han-cheng，LILiang，HU Ping，ZHAO Lian-heng
（School of Civil Engineering and Architecture，Central South University，Changsha 410075，China）

The California bearing ratio（CBR）reflects the potential strength of subgradematerial and is an important index to evaluate its performance in expressway.In order to study themain influence factors of the CBR value and CBR characteristics of phyllitic slate，the CBR tests of the subgrade withmaterials ofweathered softrock from theWu-Guang Railroad Passenger Dedicated Line were done.On the basis of the result of tests，the influence factors of CBR of the subgradematerialswere studied，such asmineral component，immersion time，maximal particle size and striking times，and then a prominent property analysis wasmade with a method of nonrepeative double factor variance analysis，and useful conclusionswere obtained that themain influence factors of CBR of the subgradewithmaterials of phyllitic slate are the type and content ofmineral component，immersion time and striking times，and the influence of particle sizewas not very important.It isworthily emphasized that，theseweathered soft rock can notbe directly used as fillingmaterial in the immersion area and rainy region，thematerialmust be further improved，and some measures，such as the protection of road slope and drainage of foundation face，must be adopted.

CBR；phyllitic slate；variance analysis；weathered soft rock；prominent property；compaction

TU441.4

A

1001-5485（2009）08-0041-05

2008-8-26；

2008-11-13

国家自然科学基金资助项目（50408020）

但汉成（1983-），男，湖北潜江人，博士研究生，从事路基、路面工程研究，（电话）0731-2659893（电子信箱）danhancheng＠163.com。