风化岩填料的压实变形特性试验研究

屈立勇

(西安公路研究院，陕西西安 710054)

0 引言

基于加快山区公路发展建设和保护脆弱生态环境的目的，风化岩已被日益广泛地用作路堤填料。然而风化岩填料不仅具有一般软岩填料强度低、抗风化能力、抗水性及抗变形能力较差等不利的工程性质，其填料颗粒微观结构存在大量的微裂纹及微孔洞等材料缺陷，在外部荷载及自然环境作用下，填料粒径组成和结构会发生较大的变化，使强度与变形特性具有明显的变异性。因此，随着风化岩作为路堤填料的广泛应用，其压实变形特性也愈来愈被工程技术人员所重视。

大型侧向压缩试验以一定粒径组成的混合散粒体为研究对象，试验过程制样方便、操作简单、耗时短，且试验的应力路径同路堤填筑及运营过程中路堤单元的应力路径比较相近，应力状态接近于静止土压力K0状态[1]。因此，选用大型侧向压缩试验来研究山区风化岩填料的压实变形特性。目前，关于大型侧向压缩试验的研究公路部门开展的较少，甚至在试验规程中也未涉及，而水利部门研究的则较早，并取得了一定的研究成果。程展林等[2]通过堆石料的压缩试验发现了压缩模量随压力时增时减的波动现象，并提出约束条件、粒径比及颗粒强度与上述现象有很大关系的结论。张兵等[3]利用堆石料的压缩试验分析了级配、初始孔隙比、岩性及泥岩含量对填料压缩性的影响，认为颗粒破碎应力是堆石料发生弹塑性变形的转折点，并提出对于不同初始孔隙比的同一种堆石料，在极高的应力状态下它们的压缩曲线汇聚到唯一的极限压缩曲线LCC。但上述研究主要反映的是高压应力状态下工程性质较好的堆石料变形响应，而对低应力水平状态下工程性质较差的强风化石料却研究的较少。为此，借鉴水利部门的研究成果对风化岩填料进行了不同结构状态、不同加载间距、不同浸水状态及循环加卸荷载的低压大型侧向压缩试验研究，并得到了一些有意义的结论。

1 试验简述

1.1 试验材料及试验仪器

试验用料取自某高速公路边坡刷坡强风化石料，岩性为千枚岩，试验材料分60 mm～40 mm，40 mm～20 mm，20 mm～10 mm，10 mm～5 mm，＜5 mm 5个粒组。仪器采用YS50-4型浮环压缩仪进行，压缩仪直径505 mm，高250 mm，千斤顶最大量程2 000 kN，百分表最大量程50 mm，最小刻度分值0.01 mm。

1.2 试验方案

1)不同结构状态下的压缩试验。受风化程度、地质构造和变质作用的影响其粒径组成、强度与变形特性具有明显的变异性，碾压后的路堤有可能形成悬浮—密实、骨架—密实与骨架—孔隙结构类型一种或几种，而不同的结构类型具有不同的变形特性，这对路堤的长期稳定性极为不利。因此，对三种不同结构类型的填料按 50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 进行加载。

2)不同加载间距下的压缩试验。风化岩填料压实机理不同于一般的硬质石料和细粒土，其颗粒强度低，在较低应力水平作用下即发生颗粒破碎。为了充分体现风化岩填料的这一特性，试验按50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 的正常加载及400 kPa之前按间距50 kPa，之后按100 kPa的加载方式对比进行。

3)不同浸水状态下的压缩试验。通过对饱和与干燥试样的压缩试验不仅可以分析了解现场分层碾压施工过程中加水与否，而且可以研究水—荷载的耦合作用对风化岩填料力学性能衰变机理。因此，对饱和试样和风干试样分别进行50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 的加载试验。

4)循环加卸载试验。通过循环加卸载试验来模拟不同行车荷载下的填方路堤变形情况，试验按100 kPa，200 kPa，300 kPa进行加载，待变加载到一定荷载(400 kPa，500 kPa，600 kPa)后，开始逐级卸载至300 kPa，然后充分进行以上步骤，终止压力为800 kPa，记录试验过程中不同荷载下的稳定变形。

2 试验结果及分析

风化岩填料在压缩试验过程中，变形曲线因加载间距的缩小而呈台阶状，压缩模量陡增突降的波动现象更是明显，详见图1。由图1可以看出，正常加载的变形曲线呈良好的双曲线型，终止压力800 kPa的变形仅为6.44 mm，而加载间距变为50 kPa～100 kPa时，不仅其变形均大于正常加载时相应荷载的变形，且变形曲线具有明显的台阶状，如200 kPa～400 kPa段的第一台阶，600 kPa～800 kPa段的第二台阶。其原因可能是:1)蠕变变形。加载后的稳压过程是填料内部应力及颗粒位置逐渐调整的过程，即填料的蠕变过程，由蠕变公式εf=atn知，蠕变变形随时间的增大而增大，加载间距越小，相应的加载次数越多，其蠕变过程进行也就较充分完全，故变形大于正常加载时相应荷载的变形。2)碾磨破碎。在一定荷载作用下，颗粒体形成独立的稳定结构，当增加荷载不足以改变此结构时，变形主要表现为较小的颗粒碾磨破碎变形，压缩模量陡增，变形曲线出现台阶状;反之，将出现局部颗粒挤压破碎，引起应力及颗粒位置重调整，此时压缩模量突降，造成相对较大的变形，如400 kPa～600 kPa段。

水—荷载的耦合作用一直是造成风化岩填料力学性能衰变的主要因素，因此开展浸水前后的压缩变形试验是十分必要的，其试验结果见图2。由图2a)看出:在荷载小于200 kPa范围内，饱和试样的压缩变形接近风干试样的压缩变形，而随着竖向荷载的增大，变形差值逐渐增大，终止压力800 kPa的变形差值达5.23 mm，几乎为干燥试样的总压缩变形的一半，这说明风化岩路堤施工期对填料洒水碾压有助于路堤的压实。同时由图2b)看出，干燥试样的压缩模量变化具有明显的波动性，而饱和试样的压缩模量则随荷载增大而增大。这说明水—荷载的耦合作用易弱化颗粒间的接触应力，加大颗粒集合体的组构形变。究其原因:1)风化作用使风化岩一般都含有亲水矿物，水的存在会加速颗粒的膨胀、崩解，使骨架颗粒的强度降低;2)风化岩填料颗粒本身含有较多的微裂隙及裂纹，水、荷载的耦合作用使微裂隙及裂纹边缘在加载时产生瞬间张拉力，加速颗粒裂隙及裂纹的扩展贯通，最终发生颗粒破碎;3)风化岩填料的压缩过程是荷载产生塑性功转化为颗粒破碎耗能与滑移摩擦耗能的过程，水的作用使滑移摩擦角φf降低，颗粒组构易于改变。上述试验结果也解释了现场采用风化岩填料修筑的施工便道会在降雨后一段时间内产生较大沉降变形的原因。

图3为风化岩填料的循环卸载—再加载曲线，从图3中可以看出，在本次低应力水平试验范围内，每次卸载后的回弹变形均较小，最大不超过0.8 mm，基本为不可恢复的塑性变形，这与文献[3]的试验规律一致，但未出现明显屈服点，每次再加载路径均未沿着卸载路径进行，而是随着循环次数的增加，相应荷载下的变形增量逐渐增大(见图4)，这可能与风化岩填料自身的工程特性有很大的关系。风化岩填料不同于钙质砂，其颗粒强度低、粒径大，受多次构造运动和变质作用的影响，其颗粒内部存在微裂纹及微孔洞等材料缺陷，在低应力循环荷载反复作用下造成颗粒及结构疲劳损伤的加剧，促使新裂隙及裂纹的不断产生，旧裂隙及裂纹反复扩展连通，引发试样颗粒断裂破碎、试样颗粒结构发生变化，结果导致随着循环次数的增加，相应荷载下的变形增量逐渐增大，终止压力变形大于图3中常规加载的终止压力变形。这说明风化岩路堤在行车荷载作用下产生较大的沉降变形。

3 结语

1)在低应力水平范围内，不同结构状态填料的压缩变形曲线形态略有不同，骨架—孔隙结构填料的变形曲线形态呈轻微的上凸型，变形较小，而其他两种结构填料的变形曲线则呈明显的下凹型，且变形相对较大。

2)风化岩填料在压缩试验过程中，变形曲线因加载间距的缩小而呈台阶状，压缩模量陡增突降的波动现象更是明显。

3)水—荷载的耦合作用一直是造成风化岩填料力学性能衰变的主要因素，因此在现场施工中应加强风化岩路堤的防排水处理。

4)风化岩填料自身的工程力学性质较差，在循环卸载—再加载作用下易加大试样的压缩变形，且随着循环次数的增加，相应荷载下的变形增量逐渐增大，这说明行车荷载对风化岩路堤的工后沉降有较大的影响。

5)在风化岩填料压缩试验过程中，压缩模量随压力时增时减的波动现象，这不仅与约束条件、粒径比及颗粒强度相关，而且与试样的结构状态、加载间距、密度与水—荷载的耦合作用也有很大的关系。

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