千枚岩弃渣用作路基填料的水稳定性试验研究

赵 磊，梁庆国，张延杰，尹亚雄

(1.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070;2.中铁第一勘察设计院有限公司，西安 710043)

兰渝铁路清水隧道位于甘肃省陇南市武都区，隧道洞身涉及地层主要为志留系中、上千枚岩夹板岩、碳质千枚岩夹板岩、灰岩。隧道通过地层主要以碳质千枚岩为主，局部夹有板岩。碳质千枚岩为深灰、灰黑色，含碳质鳞片交晶结构，片状构造。由于千枚岩属于软岩，若作为高速铁路路堤填料，其粒径组合会随碾压过程、裸露时间长短及含水率情况而变化［1］。

对千枚岩路用性能方面的研究，郑明新［1］，李冬立［2］，何泽［3］等曾对武广铁路客运专线软质千枚岩和泥质粉砂岩等软岩用作路基填料进行过综合性实验研究，其试验测试包括矿物成分分析、耐崩解性、软岩单轴抗压强度、击实试验、直剪试验、三轴试验等。杨烨等［4］针对国道317线汶马公路千枚岩路基进行了路用性能方面的研究，通过对千枚岩构成、压实性能、CBR试验和水稳定性方面的试验，认为，千枚岩抗压强度较小，不具备膨胀性，有较好的压实性能，能满足路堤填料的一般要求;但水稳定性极差，不能用于水位线以下的路基填筑。

本文尝试通过对千枚岩弃渣进行室内试验，来分析其作为高速铁路路基填料的适用性，以期为高速铁路的设计与施工提供参考。

1 千枚岩弃渣化学成分和矿物成分

1.1 化学成分(表1)

由表1可知，清水隧道碳质千枚岩围岩的化学成分中SiO2含量为46.24%，其次，按含量大小依次为Al2O3，Fe2O3，K2O，MgO，CaO，Na2O 和 Ti。这 8 种成分占88.05%。其它化学元素的含量总共为3 023.6 μg/g，其 中 以 Mn、P 和 Zn 最 多，合 计 达2 073 μg/g，占其它元素总量的68.5%。与其它类型变质岩比较，清水隧道千枚岩弃渣中的 Al2O3较高，CaO较少，Al2O3/(K2O+Na2O)比值为 3.1，且 K2O的含量大于Na2O的含量，应属于泥质变质岩类。

表1 主要化学成分百分含量 %

1.2 矿物成分(表2)

在矿物成分中，出现最多的前四种矿物依次为伊利石、斜长石、高岭石和石英，这四种总共占矿物百分含量的74.1%。三种黏土矿物以伊利石含量为最高，其次为高岭石和蒙脱石，合计含量达49.7%，如果将同族类型的绿泥石也考虑在内，则黏土矿物族的合计百分含量将接近60%。

表2 矿物成分测试结果 %

2 千枚岩弃渣物理性质

千枚岩弃渣粒径级配曲线如图1，基本物性参数试验结果汇总如表3。从试验结果看，该种千枚岩弃渣的细颗粒部分塑性指数极低，以粗颗粒为主，粒组变化范围较宽，级配不连续，属于级配不良粗粒土。

表3 物理力学性质试验结果汇总

3 击实性质

3.1 击实试验结果分析

试验根据铁路工程土工试验规程，选择重型Z3进行击实试验，击实后的试样黏结力较弱，用手即可轻易掰断。

根据击实试验数值通过最小二乘法，可以拟合出不同颗粒含量下含水率与干密度的曲线关系，并可确定其最优含水率和最大干密度。x表示含水率，y表示干密度，结果如图2和表4。

图1 千枚岩弃渣的粒径级配曲线

图2 击实曲线

表4 千枚岩弃渣击实试验结果汇总

3.2 击实前后颗粒级配变化

为进一步了解击实前后的颗粒级配变化，在第二组击实前后进行了颗分试验，结果如图3、图4。

击实后的级配曲线明显全部上移，说明试样经过击实后，击实样颗粒均有较明显的破碎变细现象。击实后试样的不均匀系数明显变大，而曲率系数则显著降低，普遍从未击实前的大于3.0变为击实后的小于3.0，并且趋于相同，从级配不连续变为级配连续，加之不均匀系数远大于5，说明击实后可以达到级配良好。

图3 不同含水率时试验前后不均匀系数变化

图4 不同含水率时试验前后曲率系数变化

4 千枚岩弃渣的水稳定性

4.1 千枚岩弃渣击实试样的崩解性

耐崩解性采用铁路工程土工试验规程中的湿化试验。湿化试验主要用于模拟强夯加固后再浸水可能产生的填料崩解的变化规律。主要试验结果如表5和图5。从试验结果看，千枚岩填料击实后，随着含水率的增加其最终崩解量逐渐减少，经历时间逐渐增加，崩解速率随之减少。当平均含水率为2.75%时，崩解量很大，速度快，崩解量为69.95%，在10 min之内崩解稳定，崩解速度为7.0%/min。当平均含水率为4.76%时，崩解量中等，崩解量为45%，速度也较第一种慢，20 min达到崩解稳定，崩解速度为2.5%/min。当平均含水率为 7.37%时，崩解性最小，崩解量为27.35%，崩解速度也最慢，在30 min之内完成崩解，崩解速度为1.05%/min。这说明，该种千枚岩在击实后耐崩解性随含水率的增加而增强，崩解速度随之减慢。其原因是由于随着含水量的增加，试样内部颗粒表面的水膜增厚，浸水时其增厚量相应减少，并且由于在含水量增加时，起胶结作用的黏土矿物已经膨胀过，残余膨胀量随之减少，因此浸水时崩解量会相应减少。

表5 湿化试验结果汇总

图5 三种类型的崩解特性曲线

根据试验观察，试件在刚放入水中时有大量气泡出现，同时水迅速变浑浊，随着时间的推移气泡逐渐减少，但崩解继续进行。通过上述现象，可以推断千枚岩击实样的崩解主要分为两个阶段:第一阶段发生在浸水后初期，由于试件内部孔隙中有大量空气，随着试件浸泡在水中，孔隙中的空气溢出，试件浸水表面的千枚岩颗粒在气泡的推动下，以散粒形式伴随溢出气泡崩离母体，此时崩解形式主要以迸离为主;第二阶段发生在浸水后期，颗粒由于受到软化和膨胀力等因素继续崩解，此时崩解形式主要以解离为主。

4.2 千枚岩弃渣的膨胀性

无荷载膨胀率试验结果如图6和表6。从试验结果看，这种千枚岩在25 h内无荷载膨胀达到稳定，平均膨胀率为2.59%。从膨胀发展过程看，5 h内膨胀率可达到最终膨胀率的95%以上，说明主要的膨胀发生在最初的5 h之内。

图6 无荷载膨胀率与时间关系曲线

表6 无荷载膨胀率试验结果

5 结论

1)从化学成分及矿物成分判断，清水隧道碳质千枚岩围岩属于泥质变质岩类，且黏土矿物族的合计含量接近60%。

2)击实试验得到的最优含水量为5.4%，最大干密度为2.40 g/cm3。击实后试样细颗粒部分显著增加，击实后颗粒平均曲率系数均小于3.0，不均匀系数则显著增大，说明该种填料具有较好的击实性。

3)湿化试验结果表明，千枚岩的崩解性能随含水量增加耐崩解性随之增强，崩解速度随之减弱。

4)尽管千枚岩试样的自由膨胀率和无荷载膨胀率较小，但是击实试样的耐崩解性极差，说明这种千枚岩水稳定性较差，不适合直接作为路基填料。

［1］郑明新，方焘，刁心宏，等.风化软岩填筑路基可行性室内试验研究［J］.岩土力学，2005，26(5):53-56.

［2］李冬立，聂志红.全风化泥质板岩填料改良的室内试验研究［J］.铁道建筑，2010(1):122-124.

［3］何泽，袁伟.弱—强风化泥质粉砂岩改良技术研究［J］.铁道建筑，2010(12):74-77.

［4］杨烨，阎宗岭.汶马公路千枚岩路基填筑技术［J］.公路交通技术，2009(6):14-16，20.