变质软岩路堤填料特性的大型三轴试验研究

2015-03-13曹周阳杜秦文王晓谋

铁道建筑 2015年9期

关键词：糜棱岩千枚岩路堤

曹周阳，杜秦文，王晓谋

(1.郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院，河南郑州 450046;2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

变质软岩路堤填料特性的大型三轴试验研究

曹周阳1，杜秦文2，王晓谋2

(1.郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院，河南郑州 450046;2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

陕西省柞水至小河高速公路建设中遇到大量的变质软岩填料，由于其风化严重，裂隙发育，强度较低，在爆破开采、装载运输、机械摊铺、碾压成型和整平过程中颗粒破碎严重，遇水后会进一步发生破碎，影响路堤的稳定性。因此，在开展岩石成分分析与力学试验的基础上，对风干与饱和情况下的变质软岩填料进行了大型三轴试验研究。试验结果表明:剪切过程中试样在不同围压下的应力应变关系呈硬化型，应变较小时剪缩明显;试样的内摩擦角较大，并随着围压的增加而减小;饱和情况下试样的强度参数小于风干时，但变化幅值较小，总体上能够满足工程强度及质量要求，可以用作高速公路路堤填料。

变质软岩路堤填料大型三轴试验应力应变关系剪切强度破碎率

陕西省柞水至小河高速公路穿越秦岭山区。由于秦岭山区地形起伏较大，路堑和隧道工程建设中产生大量的弃渣，如板岩、千枚岩、片岩等变质岩，同时路堤填方工程量也较多。为了满足公路设计中的线形要求和填挖平衡原则，废渣料不得不用作路堤填料。然而开采下来的全风化和强风化石料，变质程度不均匀，裂隙发育，在车辆荷载、推土机以及压路机的反复碾压下颗粒破碎严重，遇水后工程性质较差，填料层表面颗粒细化明显，有泥皮现象。如果将其用于填筑路堤，尤其是填筑高填方路堤时，能否满足工程质量要求有待进一步研究。鉴于此，在前人［1-6］研究填料强度的基础上，对陕西省柞水至小河高速公路的变质岩填料开展了大型三轴试验。

1 岩石的成分分析与力学性质

1.1 岩石的成分分析

采用江苏星光机电设备有限公司生产的 XGJM-125岩石磨片机对岩石进行磨片，然后采用上海普丹光学仪器有限公司生产的XPV-25C/25D研究型偏光显微镜拍照，如图1所示。岩样为显微鳞片变晶结构，变余粉砂质结构，千枚状构造。原岩为泥质岩和泥质粉砂岩，互为条带状，其中泥质条带变成绢云母和绿泥石，并定向排列，粒径＜0.04 mm，其中绢云母和绿泥石各占一半，另含有5%粉细纱。泥质粉砂岩中粉砂含量约50%～60%，其余变为绿泥石和少量绢云母，粒径＜0.04 mm，粉砂由石英和长石组成，各占一半，夹少量云母碎屑。另在岩石切片边缘有一糜棱岩化带，条纹条带构造，由＜0.01 mm细碎物质组成，其内方解石透镜体断续分布。根据《岩石分类和命名方案变质岩岩石的分类和命名方案》［7］(GB/T 17412.3—1998)将岩样定名为糜棱岩化千枚岩。

图1 糜棱岩化千枚岩

由矿物成分分析结果可知，糜棱岩化千枚岩不含亲水矿物伊利石、蒙脱石及高岭石，但定向排列的硅酸

岩类、云母或绿泥石往往使岩石强度降低、抗风化能力减弱，故糜棱岩化千枚岩能否作为路堤填料尚需进行定量分析。

1.2 岩石的力学性质

由于地质构造及外界的风吹日晒雨淋等作用，致使岩块微裂纹发育，表面剥落严重，条带条纹结构明显，含有较多的绢云母和绿泥石，单个岩石颗粒性质并不稳定，经开采下来的岩石由表及里风化程度强、裂隙较多、破碎严重，由颗粒破碎的岩石制成标准试件比较困难，因此，依据《公路工程岩石试验规程》［8］应用点荷载试验来判定其强度大小，结果见表1。点荷载强度与单轴抗压强度之间采用Rc=22.82I7550)［9］进行换算。其中，Rc表示单轴抗压强度，Is(50)表示点荷载强度指数。由表1可以看出，岩样强度均＜30 MPa，根据文献［8-10］中岩石强度的分级方法，该岩样为软质岩石，简称软岩。由此可知工程中所用的大部分填料的原岩为强风化的软质岩石。

表1 试样强度试验结果

2 路堤填料的大型三轴试验

2.1 试验内容及方法

为了减少试验结果受试样粒径大小的影响，试样的最大粒径必须控制在试样直径的1/5以下［11］，最大粒径为60 mm，将粒径＞5 mm颗粒定义为粗颗粒［12］。试样的级配采用等量替代法，此类方法为室内试验中处理粗颗粒料级配的常用方法之一。试样级配见表2。

表2 试样的颗粒级配

试验仪器采用四川大学华西岩土仪器研究所开发的大型三轴剪切试验仪来进行，仪器直径300 mm，高600 mm，采用液压与补偿系统控制，见图2。

图2 大型三轴试验仪

试验所用填料试样密度为2.2 g/cm3，分别对风干与饱和试样在300，600，900，1 200 kPa围压下，进行不固结不排水三轴剪切试验与固结排水三轴剪切试验，试验剪切速率控制在0.1 mm/min。在试验过程中为了防止橡皮膜被岩石颗粒刺穿，采用双层1.5 mm厚的橡皮膜对试样进行约束，并且在最里层安装了3块约4 mm厚的活动胶板，剪切过程中当应力应变值出现峰值时停止试验，当无峰值时取轴向应变达到15%时停止剪切。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 填料的应力应变关系

通过三轴试验，风干与饱和填料试样在不同围压下的应力应变曲线对比见图3。

图3 变质软岩填料应力—应变曲线对比

由图3可知:糜棱岩化千枚岩填料在不同围压下的应力应变曲线均呈弹塑性变化，在偏应力逐渐增大的情况下，应变也逐渐增大，但曲线斜率渐小;相同应变情况下，偏应力随着围压的增大而增大。

糜棱岩化千枚岩填料在不同围压、相同应变情况下，饱和后所需应力小于风干时的应力，而且随着应变的增大，达到相同应变时，填料饱和后所需偏应力小于风干时的偏应力。这说明，糜棱岩化千枚岩填料饱和

后，在不同围压下，强度均在降低;在相同的偏应力下，饱和后应变会增大。若用做路基填料，应做好路基隔水、防水、排水工作，同时应当提高路基压实度，减小路堤工后沉降。

2.2.2 填料的体积应变与轴向应变关系

因试验仪器原因，没能测得风干时填料的体积应变。图4为饱和时填料的体积应变与轴向应变关系曲线。

图4 饱和时填料的体积应变—轴向应变关系曲线

由图4可知，三轴剪切过程中填料主要以剪缩为主，当轴向应变达到10%左右后剪胀才显现，说明随着偏应力的增大，颗粒运动经历了彼此充填到翻越相邻颗粒的发展过程。剪胀在低围压300 kPa时相对明显，说明围压对剪胀的发生有较大影响;随着围压增大，剪胀逐渐减弱，同时体积应变逐渐趋于稳定。这是因为试样在剪切过程中出现明显的颗粒破碎，使颗粒移动变得更加容易，从而抑制了剪胀的发生。

2.2.3 填料的莫尔圆和强度包线

图5为糜棱岩化千枚岩填料风干与饱和试样的莫尔圆和强度包线。

由图5可见:糜棱岩化千枚岩填料的强度包线呈非线性，且随着围压的增大，强度包络线弯曲程度逐渐降低，内摩擦角也呈递减趋势。据图可得风干试样、饱和试样的抗剪强度指标分别为 c风=155 kPa，φ风= 39.8°;c饱=79 kPa，φ饱=36.4°。数据表明填料浸水后的强度值明显减小，浸水湿化影响明显，然而对于粗颗粒含量＞70%的糜棱岩化千枚岩填料，其黏聚力较高。一般认为粗颗粒料中黏聚力是不存在的，进行工程设计时并不考虑黏聚力，根据强度包线求得的黏聚力为表观黏聚力［11］或假黏聚力［12］，同时文献［13-14］认为，这里的黏聚力为颗粒之间的咬合力，近代的堆石坝采用较陡的边坡而能表现出很好的稳定性，这在单纯考虑φ值的设计中，是不安全和无法解释的。

2.2.4 填料的颗粒破碎

对于细粒土或是砂土，在填料的压实过程中，一般认为只是克服颗粒间摩阻力而发生位移、错位、充填、挤紧、压密，使颗粒重新定向排列，从而使孔隙体积不断减小，不考虑颗粒破碎对填料强度的影响。然而对于糜棱岩化千枚岩填料而言，颗粒内部存在很多的裂隙、节理、片理等缺陷，因此，有必要对其颗粒破碎做进一步的分析。

图5 糜棱岩化千枚岩填料试样的莫尔圆和强度包线

Marsal［15-16］为了对颗粒破碎进行度量，提出用破碎率Bg表征相同压力下颗粒破碎程度，定义Bg为试验前后颗粒级配曲线上各粒组含量差值中所有正值之和，即Bg=Σ Δwk。Δwk=wki－wkf，wki为试验前级配曲线上某粒组的含量;wkf为试验后级配曲线上相同粒组的含量。

图6、图7表明，随着围压的增大，剪切后的试验级配曲线明显向右移动，大粒径颗粒含量减小，小粒径颗粒含量增加，剪切试验过程中明显产生了颗粒破碎现象，但级配变化较小，破碎量并不大。同时，颗粒破碎率Bg随着围压的增大而增大，二者近似呈幂函数关系。试样在各围压下饱和状态时的颗粒破碎率明显大于风干状态时，颗粒破碎的增加将导致糜棱岩化千枚岩填料的抗剪强度降低，并与图5所示剪切强度降低相互印证。这是由于试样饱和后岩石强度降低，在剪切压力作用下填料岩石表面颗粒剥落或棱角断裂，细颗粒增加，在偏应力增加的情况下饱和填料内部颗粒间咬合力和内摩擦角降低，同时颗粒出现破碎细化所致。