预崩解炭质泥岩路堤填料工程性能试验研究

曾铃，肖柳意，刘杰，侯鹏，袁玉荣

预崩解炭质泥岩路堤填料工程性能试验研究

曾铃1，肖柳意1，刘杰2，侯鹏1，袁玉荣1

(1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114)

预崩解炭质泥岩作为路堤填料已在我国西南地区路堤工程中广泛应用，通过室内试验系统分析压实度、含水率以及酸碱环境对预崩解炭质泥岩路用性能、力学性能及渗透特性的影响，并结合娄底龙琅高速对其应用情况进行研究。研究结果表明：预崩解炭质泥岩的回弹模量、CBR值、抗压强度随压实度的增大呈线性增长，随含水率的增大呈现先增大后减小的波动趋势；CBR值和抗压强度随pH值的增大呈负相关变化，而回弹模量则随pH值的增大呈正相关变化；预崩解炭质泥岩渗透系数随压实度的增大逐渐减小，随含水率的增加逐渐增加，pH值的增大均可使渗透系数增大，其中压实度对预崩解炭质泥岩的渗透系数影响最大；随含水率的增加，预崩解炭质泥岩微观结构由粒状转变为片状，酸性环境下试样片状结构的厚度较碱性环境薄，碱性环境下试样微观结构呈块状且粉末状成分增多。

路堤工程；预崩解炭质泥岩；路用性能；力学性能；渗透特性；电镜扫描

炭质泥岩是由软弱灰岩、砂岩、页岩和页岩互层等沉积类岩石构成的地质体[1]，干燥条件下其力学性能良好，但因其含大量亲水性极强的黏土矿物，季节性降雨过程中岩体极易崩解而丧失结构的整体性，造成炭质泥岩填筑路堤沉降、崩坍及失 稳[2-3]。随着我国“一带一路”战略的实施，公路、铁路等基础设施迅速发展，不可避免在炭质泥岩地区进行大规模路堑开挖和路堤填筑，存在废料堆弃场地难寻和远距离运土填筑造价高等问题，从经济与环保2方面考虑，利用预崩解炭质泥岩进行路堤填筑势在必行[4-5]。由于炭质泥岩具有风化快、强度低等特点，其物理力学性能一直是广大学者及工程人员的关注热点[6]。目前，国内外学者针对泥岩类路堤填料路用性能已作大量研究，郭寅川等[7]通过室内试验对风化岩路基填料的路用性能及风化程度进行了评价，表明随着风化程度的加大，风化岩路用性能与水温敏感性降低；杜延军等[8]研究了电石渣稳定过湿黏土路基填料的路用性能，发现电石渣相对生石灰在相同掺量和养护条件下更利于填料中改良反应的进行，可有效地改善过湿黏土填料的路用性能；Muhanna等[9]研究表明，围压较小时对路基土体回弹模量影响较小，但当围压超过100 kPa后，对回弹模量影响显著增大。水对路堤土体的浸湿、饱和及冲刷作用，往往造成土体强度降低，导致路基的各种病害发生[10-12]，针对上述现象，部分学者对泥岩填料的力学及渗透性能进行研究。尚云东等[13]研究了HTAB改良膨胀土的强度指标及水稳定性，发现经溴烷铵改良后的膨胀土强度及水稳定性均显著提升；曾铃等[14]基于三轴CT试验对预崩解炭质泥岩的力学特性进行分析，发现试样压实度越高，峰值强度越大，其应力应变曲线类似于黏土；Mario等[15]从物理、化学、力学和成分组成等角度研究了干湿循环对哥伦比亚安第斯山脉泥岩力学性能的影响。Ditchell等[16-18]从室内、现场试验深入研究了压实黏土衬里的防渗性能，证明压实黏土是一种性能良好的填埋场衬里材料。上述研究在泥岩路用性能、力学性能及渗透特性等方面取得了较为丰硕的成果，促进了路堤填筑技术的发展，但仍存在一些问题有待研究。首先，现有研究主要针对红层泥岩、风化花岗岩及膨胀土等，关于预崩解炭质泥岩作为路堤填料的工程案例鲜见报导；其次，已有研究多集中于软岩的某一性能或单一因素对软岩性能的影响，而关于多因素对预崩解炭质泥岩性能的系统研究寥寥可数。鉴于此，本文以娄底-龙琅高速为研究背景，开展不同含水率、压实度及酸碱环境条件下预崩解炭质泥岩的路用性能、力学性能及渗透特性试验研究，验证预崩解炭质泥岩作为路堤填料的可行性，以期为路堤填料施工提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用炭质泥岩取自娄底龙琅高速K9+800工点处，使其充分预崩解，充分崩解后的炭质泥岩粒径级配曲线见图1；取充分预崩解的炭质泥岩进行X线衍射分析，其X线衍射图谱见图2；可知，其矿物组成主要为石英、云母、绿泥石、高岭石，其余各矿物成分质量分数均≤7%，化学成分以SiO2，Al2O3和Fe2O3为主；对充分预崩解的炭质泥岩进行基本物理试验，试验结果见表1。

1.2 试验方案

结合预崩解炭质泥岩路堤的工程实际，研究含水率、压实度及酸碱环境(pH值)对预崩解炭质泥岩路用性能、力学性能及渗透特性的影响。《公路路基设计规范》(JTGD30—2015)规定路堤填筑工程中岩土体压实度需大于等于90%[19]，故拟定4种压实度分别为92%，94%，96%和98%；考虑自然状态下含水率在10%左右浮动，故配置4种初始含水率分别为6%，10%，14%和18%；考虑酸碱环境影响，故将配制试样的蒸馏水pH值分别取5，7和9，对应酸性、中性及碱性3种环境，采用控制变量法设计试验方案，见表2。为降低试验误差，各组试验做3组平行试验，试验结果取3组试验的平均值。

图1 预崩解炭质泥岩粒径级配曲线

图2 炭质泥岩X线衍射谱

表1 炭质泥岩物理指标

1.3 试验装置及试验方法

根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)规定[20]，采用路面材料强度仪测试预崩解炭质泥岩的回弹模量、CBR值及无侧限抗压强度。

表2 试验方案

图3 部分泡水试样

试验制样所选的预崩解炭质泥岩粒径均小于2 mm，回弹模量试样采用内径152 mm，高170 mm的试筒进行制样，试验过程中，先转动手轮对试样进行预压，预压结束后，将预定压力分成5份，分级进行加载；CBR值试样与回弹模量试样尺寸一致，CBR试样制取完成后，将试样进行泡水处理测其膨胀量，试样泡水过程如图3所示，再将泡水后的试样在特定荷载下进行贯入试验，转动手轮使贯入杆以1.25 mm/min的速度压入试件；无侧限抗压强度试样直径40 mm，高100 mm，试验过程中，以轴向应变0.1 mm/min的转速转动手轮，且控制试验时间在20 min内。

采用应变式直剪仪进行快剪试验，试验过程中，其剪切速率控制为0.8 mm/min，使试样在3~5 min内完成剪损；其部分剪切后的试样如图4所示。

采用变水头法进行渗透试验，将装有渗透试样的环刀装入渗透容器中，慢慢开启止水夹，水由筒底向上渗入，使试样饱和。排除渗透容器内的空气，开始渗透试验，如图5所示。

图4 部分剪切试样

图5 渗透试验

2 试验结果与分析

表3为预崩解炭质泥岩在不同压实度、含水率及pH值条件下的回弹模量、CBR值、无侧限抗压强度、抗剪强度及渗透系数的试验结果。

2.1 预崩解炭质泥岩路用性能

预崩解炭质泥岩用于路基填筑，必须满足路用性能的要求，本文主要对其回弹模量及CBR值(承载比)进行研究。

2.1.1 回弹模量

回弹模量是反映路基承载力及路面结构设计的主要参数，可直接影响路基变形及应力分布。图6为预崩解炭质泥岩的回弹模量随含水率、压实度及pH值变化曲线，由图可知：1) 预崩解炭质泥岩的回弹模量随含水率的增大呈现出线性降低的趋势；2) 预崩解炭质泥岩的回弹模量随压实度的增大不断增大，压实度大于94%后其增长速率逐渐减缓；3) 预崩解炭质泥岩的回弹模量随pH值的增大而增大，表明从酸性、中性到碱性环境下预崩解炭质泥岩的回弹模量依次增大，且改变相同的pH值从碱性到中性的回弹模量变化速率大于从中性到酸性的变化速率。

表3 试验结果

回弹模量随含水率增大而减小的主要原因为，水进入土粒间可起润滑作用[21]，水的润滑会造成土的塑性变形逐渐增大，而塑性变形是不可恢复的故导致其回弹模量逐渐减小；回弹模量随压实度的增大不断增大主要是因为，压实度越大，试样的内部孔隙越小，颗粒间结合越紧密；因炭质泥岩中含有与酸碱都能发生化学反应的物质，酸碱性环境下会改变炭质泥岩原有的矿物组成，使其内部结构发生改变从而影响回弹模量的变化。

图6 预崩解炭质泥岩的回弹模量

2.1.2 CBR值

CBR值反映路基抗局部剪力的性能，是衡量路基填料强度的重要指标[22]。图7为预崩解炭质泥岩的CBR值随含水率、压实度及pH值变化曲线，由图可知：1) 预崩解炭质泥岩的CBR值随含水率的增大先增大后减小，在含水率为10%时达到最大值；2) 预崩解炭质泥岩的CBR值随压实度的增大而增大，且在压实度达到94%后其增长速率逐渐减缓；3) 在酸碱性环境下都会不同程度的降低预崩解炭质泥岩的CBR值，且酸性条件对CBR值的影响程度较碱性条件大。

图7 预崩解炭质泥岩的CBR值

CBR值随含水率增大先增大后减小是因为水在土粒间以自由水和结合水2种形式存在，自由水在土粒间主要起润滑作用，当试件发生剪切移动时主要是通过颗粒间的水膜分子来实现，当含水率较低时土粒间的水主要以结合水的形式存在，达到最佳含水率后土中的水主要以自由水的形式存在。CBR值随压实度的增大不断增大的原因为，压实度越高，土粒间的孔隙越小，颗粒间结合越紧密，炭质泥岩主要由SiO2，Al2O3和Fe2O3等组成而这些成分在酸碱性环境下都会发生化学反应，导致炭质泥岩的组成成分发生改变，而矿物组成是影响炭质泥岩CBR值的一个重要因素。

2.2 预崩解炭质泥岩力学性能

2.2.1 无侧限抗压强度

土的无侧限强度指土在无侧限条件下抵抗轴向压力的极限强度。图8为预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度随含水率、压实度及pH值变化曲线，由图可知：1) 预崩解炭质泥岩的抗压强度随含水率先增大后减小，在含水率为14%时达到最大值，且在含水率由6%变化到10%这一阶段抗压强度的变化速率最大；2) 预崩解炭质泥岩的抗压强度随压实度的增加呈现正相关增长，且增长曲线较平缓，无波动点；3) 酸性及碱性环境下，预崩解炭质泥岩的抗压强度均有不同程度的降低，且在酸性环境下的变化速率小于在碱性环境下的变化速率。

图8 预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度

无侧限强度随含水率变化的原因为，当含水率较低时，进入土粒间的水主要以结合水的形式存在，结合水可加强土粒分子间的相互作用力。

2.2.2 抗剪强度

土的抗剪强度是描述土体力学性质的重要指标，其抗剪强度决定了土工建筑物的承载力及稳定性。对预崩解炭质泥岩进行直剪试验可得到试样的剪应力-剪切位移关系曲线图，选取典型试样(T3)试验结果进行分析，其剪应力-剪切位移关系曲线图见图9；由图可知，预崩解炭质泥岩的剪切位移-剪应力曲线均为平缓、光滑的曲线，随着剪切位移的增加，剪应力逐渐增大。

图9 剪应力-剪切位移曲线(T3)

由各组试样的剪切位移-剪应力关系曲线图可得到各组预崩解炭质泥岩的抗剪强度值，见表4。由表可知：1) 各组预崩解炭质泥岩的抗剪强度与法向应力呈正相关关系，随法向应力增加而增大； 2) 各组预崩解炭质泥岩湿化变形后的抗剪强度在一定区间内变动，法向应力为100 kPa时，变化范围为77.9~248.2 kPa，法向应力为200 kPa时，变化范围为124.1~266.6 kPa，法向应力为300 kPa时，变化范围为152~342.5 kPa，法向应力为400 kPa时，变化范围为205.1~412.3 kPa；进而得到预崩解炭质泥岩剪切强度指标，即内摩擦角()和黏聚力()，具体结果如表5所示。

由表5可知：1) 预崩解炭质泥岩黏聚力值在33.2~175.4 kPa范围内变化，内摩擦角在9.8°~44.7°之间变化；2) 预崩解炭质泥岩黏聚力()随含水率增加先增大后减小，在含水率为10%时达到最大值175.4 kPa，内摩擦角()则随含水率增加逐渐减小；3) 预崩解炭质泥岩黏聚力()随压实度的增大而增大，内摩擦角()则随压实度增加先增大后减小在压实度为94%时达到最大值；4) 酸碱性环境下黏聚力()和内摩擦角()都会不同程度降低。

表4 预崩解炭质泥岩抗剪强度

表5 预崩解炭质泥岩的c, φ值

2.3 预崩解炭质泥岩渗透特性

渗透系数是评价土体渗透固结性能的重要指标，图10为预崩解炭质泥岩在不同压实度、含水率、酸碱环境下的渗透系数。由表可知：1) 各组炭质泥岩的渗透系数处在10-5~10-7cm·s-1量级，渗透性较低；2) 渗透系数随含水率的增大逐渐增大； 3) 渗透系数随压实度的增大逐渐减小；4) 酸碱性环境下都会使渗透系数不同程度的增大；5) 含水率、压实度、酸碱性都会对预崩解炭质泥岩的渗透性能造成影响，但影响的程度不相同，根据渗透系数变化的波动程度可知压实度＞酸碱性环境＞含水率。

图10 预崩解炭质泥岩的渗透系数

渗透系数随含水率的增大逐渐增大的原因为，含水率越高土粒间自由水的含量就越高，根据渗透原理可知含水率越高即水通过试样的时间就越短，故渗透系数随含水率增大而增大；渗透系数随压实度的增大而减小的原因为，压实度越高土粒间的孔隙越小，故水渗透试样的速度越慢，酸碱性环境会破坏土样原有的结构加大其孔隙率和孔隙比故水样通过孔隙的时间缩短。

3 性能演变机理分析

预崩解炭质泥岩其构成物质较复杂且遇水后极易崩解，由于其特殊的水理特性，若只从宏观角度对其性能进行研究，具有一定的局限性，故须利用扫描电镜从微观结构方面对预崩解炭质泥岩性能开展研究。取含水率为6%(T1)，10%(T2)，14%(T3)和18%(T4)以及在含水率为14%的酸性(T8)及碱性(T9)预崩解炭质泥岩进行电镜扫描分析，其扫描结果见图11所示。

(a) 含水率6%(T1)；(b) 含水率10%(T2)；(c) 含水率14% (T3)；(d) 含水率18% (T4)；(e) pH值为5(T8)；(f) pH值为9(T9)

由图11可知：1) 含水率为6%时，预崩解炭质泥岩多为粒状及柱状颗粒，结构边界清晰，颗粒之间存在孔隙；2) 含水率达到10%时，预崩解炭质泥岩粒状结构减少，开始出现胶结的片状结构，结构边界逐渐模糊；3) 含水率为14%时，预崩解炭质泥岩粒状结构完全消失，内部结构转变为片状结构，胶结程度大幅度增强；4) 含水率为18%时，试样仍以片状结构为主，但由于含水率过高，试样干燥后内部存在少量为孔隙；5) 在含水率相同的环境下，酸性环境会改变其片状结构的厚度，酸性环境下其厚度更薄，碱性环境下，其组成成分会结块且粉末状结构增多。

结合预崩解炭质泥岩性能，可知：1) 碱性条件会破坏预崩解炭质泥岩微观分子间的黏聚力，故酸碱性环境下预崩解炭质泥岩的抗压强度及CBR值均有不同程度的减小；2) 由于预崩解炭质泥岩的微观颗粒随含水率的变化呈现出单个颗粒到结块最后为粉末状的规律，期间颗粒分子间的黏聚力会呈现出先增大后减小，故预崩解炭质泥岩的抗压强度及CBR值会呈现出随含水率变化先增大后减小的变化趋势。

4 工程应用

炭质泥岩遇水极易崩解、强度劣化等特性是其异于其他填料的重要特征，也是炭质泥岩不能直接用于路堤填筑的主要原因。

娄底龙琅高速沿线路段炭质泥岩分布较广，在其修建过程中，针对炭质泥岩遇水崩解的特性，利用控制预崩解炭质泥岩的含水率及压实度的方法来控制填筑路堤的回弹模量及CBR值的施工工艺。为了更加符合实际施工情况，将开挖出的炭质泥岩进行晾晒浇水碾压等方法使其完全崩解，施工过程中炭质泥岩是否完全崩解的判断依据参照室外崩解试验结果。施工的基本过程如下：将开挖出的炭质泥岩挖通过晾晒浇水碾压等方法使其完全崩解，达到稳定后，装载运送至施工场地，并测定其含水率，通过洒水或晒干的方法使填料处于最佳施工含水率状态，采用推土机摊铺，采用先静后动的碾压方法对其进行碾压，并随时监控其压实度。具体施工工艺：开挖→预崩解→装运→卸料→含水率确定→摊铺→初压→整平→碾压→检测填料压实度→检测填料回弹模量及CBR值→终压。采用上述工艺施工的娄底龙琅高速K9+700-K10+010实践路段，经过多次暴雨、特大暴雨后，并未出现路堤的整体失稳、不均匀沉降等病害。

5 结论

1) 预崩解炭质泥岩的回弹模量、CBR值、抗压强度随压实度的增大而增大，在压实度保持一致的情况下回弹模量随含水率的增大而减小，CBR值和抗压强度随含水率的增大先增大后减小，最佳含水率时达到最大值。

2) 酸碱环境可使预崩解炭质泥岩的CBR值和抗压强度降低，而回弹模量则随pH值的增大逐渐增大。

3) 预崩解炭质泥岩渗透系数随压实度的增加逐渐减小，随含水率的增加逐渐增加，酸碱环境可使渗透系数增大，压实度对炭质泥岩的渗透系数影响最大。

4) 随含水率的增加，预崩解炭质泥岩微观结构呈片状，酸性环境下片状结构厚度变薄，碱性环境下，其片状结构结块且粉末状成分逐渐增多。

5) 娄底龙琅高速K9+700-K10+010实践路段表明：对于崩解的炭质泥岩填筑的路堤，根据本文试验得出的压实度和含水率进行压实，控制其回弹模量、CBR值，结果表明预崩解炭质泥岩用做路堤填料完全可行。

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Experiment study on road mechanical properties and permeability characteristics of pre-disintegration carbonaceous mudstone

ZENG Ling1, XIAO Liuyi1, LIU Jie2, HOU Peng1, YUAN Yurong1

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Pre-disintegrated carbonaceous mudstone has been widely used as embankment filling in southwest China. The effects of compaction degree, water content and acid-base environment on road performance and permeability characteristics of pre-disintegrated carbonaceous mudstone were studied. Combined with Longlang expressway project in Hunan province, its road preface were analyzed. The results show that the resilience modulus, CBR value and compressive strength of pre-disintegrated carbonaceous mudstone increase with the increase of compaction degree, and increase first and then decrease with the increase of water content. The acid-base environment will reduce the CBR value and compressive strength, while the resilience modulus will gradually increase with the increase of pH value. The permeability coefficient of pre-disintegrated carbonaceous mudstone decreases with the increase of compaction degree, and increases with the increase of water content. The pH value can increase the permeability coefficient, and the compaction degree has greatest influence on permeability coefficient of pre-disintegrated carbonaceous mudstone. With the increase of water content, the microstructure of pre-disintegrated carbonaceous mudstone changed from granular to flaky. The thickness of the microstructure is thinner in acidic environment, and the microstructure is blocky and powdery component is gradually increased in alkaline environment.

embankment engineering; carbonaceous mudstone; road performance; mechanical properties; permeability characteristics; electron microscopy

10.19713/j.cnki.43-1423/u. T20190301

TU411

A

1672 - 7029(2020)01 - 0073 - 09

2019-04-14

国家自然科学基金资助项目(51838001，51878070，51678074，51578079)；湖南创新性省份建设专项经费项目(2019SK2171)；长沙市杰出创新青年培养计划项目(kql905043)

曾铃(1986-)，男，重庆人，副教授，博士，从事道路工程研究；E-mail：zl001@csust.edu.cn

(编辑 涂鹏)