全-强风化砂质板岩填料性能及其改良试验*

胡 敏，杨果林，周胡波

(1.湖南科技大学建筑与艺术学院，南省 湘潭 411201；2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

随着中国高速公路的主战场由平原转向山区，公路构造物增多，对路基填料的需求量加大.山区风化岩居多，优质路基填料匮乏，因此，就地取材，科学评价与合理利用风化岩来填筑路基已成为山区高速公路建设的关键技术之一[1].对风化岩进行全面的室内试验，研究层理面、风化程度等对其强度与变形的影响，对指导风化岩填筑路基具有重要的现实意义.高春玉等[2]对砂质板岩开展三轴加卸载试验，研究这种具微面理砂质板岩的变形特性、强度特性及破坏规律；鄢定嫒等[3]发现砂质板岩内部赋存的大量定向层理弱面对宏观强度特性和变形特征有明显影响，表现出显著的各向异性特征.路基除满足强度要求外，对沉降特性、耐久性和长期水稳性也有较高要求.这意味着填料的选择不能仅考虑颗粒级配，还要从填料的耐久性、长期水稳性等方面考虑[4].吴平等[5]提出砂质板岩具有强崩解特性，揭露遇水后，砂质板岩快速发生氧化反应，进而发生崩解，风化程度越高，崩解越强烈；银明锋等[6]研究了砂质板岩非饱和竖向渗透特性，分析了土柱的干密度、初始含水率和降雨强度等因素对竖向入渗特性的影响，得到那了不同因素条件下土柱的竖向渗透系数、积水时间和积水量的分布特性，以及土柱吸水量和吸水能力的变化；聂志红等[7]研究了不同荷载对砂质板岩蠕变性能的影响，发现砂质板岩粗粒土填料在路基荷载作用下具有明显的衰减蠕变特征；刘群等[8]研究了含水率对砂质板岩蠕变性能的影响，发现天然、非饱和态的粗粒土达到稳定蠕变所需的时间较长.由于全-强风化砂质板岩遇水易软化、崩解，水稳性差，所以从安全角度出发，全-强风化砂质板岩通常不能满足公路、铁路路基等基础工程的填筑要求，需要经过化学改良[4，6，9-12].闫国栋等[12]针对不同的养生条件、龄期、压实度等影响因素对风化泥质板岩的水泥改良与石灰改良进行了定性对比试验，发现石灰改良土泡水情况下，强度大大降低，而水泥改良土强度不受泡水时间限制，具有更好的稳定性.但没有给出原状土或改良土的具体力学性能指标.李冬立等[11]采用的无侧限抗压强度试验表明，用石灰改良的全风化泥质板岩在未泡水时，其强度能满足设计要求，但水稳性差；而用水泥改良，其强度随水泥掺量和养护时间的增加而增大.陈乐求等[9]主要考虑了动应力幅值、围压、加载频率和应变率等因素对改良土力学性质的影响，发现水泥改良后，泥质板岩粗粒土的静、动力学性质均有显著的提高，改良效果良好.

根据上述研究成果可知，全-强风化砂质板岩填料用于公路路基填筑时，需要同时考虑其力学特性、变形特性及水理性.由于全-强风化砂质板岩固有性质的差异性大，随地点、岩层、环境的不同而不同，因此必须全面了解全-强风化砂质板岩改良土的性能，才能确定其能否满足高等级公路路基填料的设计要求.笔者研究了某工段风化填料的基本特性、颗粒级配、压实特性，最佳掺入剂及其最佳掺入量，并在此基础上进一步分析土性、养护条件、改良剂掺入量等因素对改良土抗剪特性和水稳性的影响，以期为今后类似工程提供参考.

1 全-强风化砂质板岩原状土性能

1.1 击实与击实破碎特性

全-强风化砂质板岩取自具有代表性的取土点，取土深度为2～5 m.表层土经现场前期勘察为种植土，但种植土层较薄(图1).在种植土层下方则为典型的全-强风化砂质板岩填料，现场取样在实验室过40 mm筛之后进行击实.按照土工试验方法标准[13]要求，采用重型击实，击实筒选择φ152大击实筒，每层94击,分3层击实.试验结果如图2所示.

图1 取样处地质状况Fig.1 Geological Map of the Sampling Site

图2 全-强风化砂质板岩击实曲线Fig.2 Full-Strong Weathered Sandy Slate Compaction Curve

从击实结果看，全-强风化砂质板岩最优含水率为12%，最大干密度为1.996 g/cm3.全-强风化砂质板岩含水率的变化较小.从工程施工的角度来说，当现场施工时，含水率在最优附近变化时对干密度的影响较小，即便于施工.

从实验现象上看，在击实过程中全-强风化砂质板岩有一定的破碎现象，这在路基施工机具碾压时，可能出现表层已碾碎而下层仍有较大颗粒风化软岩的情况，从而影响路基上部结构的稳定性及工程的质量.

1.2 液塑性指标

检测结果表明，全-强风化砂质板岩的液限为23.6%～27.1%，塑限为16.8%～20.1%，塑性指数主要范围为6.7%～8.3%，属于低液限粉土.

1.3 天然级配组成

图3 全-强风化砂质板岩原状土级配曲线Fig.3 Gradation Curve of the Original Soil of the Full-Strong Weathered Sandy Slate

全-强风化砂质板岩级配曲线如图3所示.由原状土级配曲线可得:全-强风化砂质板岩过40 mm筛后的级配情况良好，不均匀系数Cu为160，曲率系数Cc为2.5，位于合理区间1～3范围内.

1.4 未改良土的压实特性与抗剪强度

全-强风化砂质板岩遇水具有较强崩解性，实验检测结果压实度为92%，最优含水率试样CBR<6%.根据公路路基设计规范[14]所确定的路基填料适用范围和条件、高等级公路对填料的基本要求(CBR>6%),全-强风化砂质板岩样土不能用做高等级公路路基填料.考虑到大量的弃土问题，大部分取土点的土样必须经改良处理之后才能使用.

在填料改良前笔者对原状土进行抗剪试验，试验采用四轴联剪仪(图4)进行直剪测定，得全-强风化砂质板岩抗剪强度正、剪应力关系曲线(图5).由图5可以计算出原状土强度，其中粘聚力c为69.47 kPa，内摩擦角φ为40.7°.

图4 四轴联剪仪Fig.4 Four-Axis Shear

图5 全-强风化砂质板岩抗剪强度Fig.5 Shear Strength of Full-Strong Weathered Sandy Slate

2 全-强风化砂质板岩改良性能

2.1 改良剂的基本指标

为提高原状土填料的路用性能，保障填筑路基的安全稳定，笔者采用水泥作为改良剂，研究水泥改良全-强风化砂质板岩土的基本性能，同时分析了改良土的液塑限变化、养护条件和改良剂掺入量对改良土抗剪强度的影响.研究表明，细粒土水泥改良时，在其他条件基本相同的情况下，初凝时间越迟越好，终凝时间越长越好.无机结合料稳定材料试验规程[15]规定，矿渣硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于10 h.参考市场情况，笔者选择某品牌普通硅酸盐水泥作为改良剂，水泥的主要性能指标见表1.

表1 普通硅酸盐水泥主要性能指标Table 1 Main Performance Indicators of 32.5 Ordinary Portland Cement

选用低强度等级普通硅酸盐水泥既可以节约工程造价，又满足改良土施工对水泥初凝时间较长的要求，有利于在同等性能及造价基础上增加掺合料比例，提高施工质量，减小施工难度.

2.2 化学改良土基本物理力学性能

笔者对全-强风化砂质板岩化学改良土的基本物理力学特性也进行了研究.全-强风化砂质板岩原状土及各掺量改良土的液塑限指标如表2所示.

表2 全-强风化砂质板岩各掺量水泥改良土液塑限Table 2 Full-Strong Weathered Sandy Slate with Various Amounts of Cement to Improve Soil Liquid Plastic Limit

2.3 各因素对水泥改良土强度的影响

2.3.1 养护条件的影响 水泥改良土的制样过程见图6.经过前期实验探索，笔者提出了适合的水泥改良土养护方法.因为水泥有初凝的效应，所以配土后应及时击样、养护.具体步骤如下：预先配好所需含水率的原状土(根据试验的具体要求而定)—闷料12 h后拌入所需比例改良剂(水泥)—立即按要求的压实度击样—置于保湿缸中养护—达到龄期后取出进行试验.值得注意的是，若将散土掺入水泥后，闷料时间过长会导致原状土失水严重，从而无法击样.

图6 水泥改良土的制样过程Fig.6 Sample Preparation Process of Cement Improved Soil

土样都置于保湿缸中养护.考虑养护过程是否侧限，故采用环刀来限制土样的侧向移动.为了研究有无侧限对试验结果的影响，笔者以平行试验得不同养护条件对全-强风化砂质板岩水泥改良土强度的影响，实验结果如图7～8所示.经计算，得到全-强风化砂质板岩水泥改良土有无环刀养护的强度，结果列于表3.

图7 砂质板岩有环刀养护改良土抗剪强度Fig.7 Sand Slate with Ring Cutter to Improve the Shear Strength of Soil

图8 砂质板岩无环刀养护改良土抗剪强度Fig.8 Sand Slate without Ring Cutter to Improve Soil Shear Strength

表3 全-强风化砂质板岩水泥改良土环刀养护c，φ值Table 3 c, φ Value of Full-Strong Weathered Sandy Slate Cement Improved Soil with and without Ring Cutter Curing

图9 砂质板岩不同水泥掺量剪切强度Fig.9 Shear Strength of Sand Slate with Different Cement Content

由不同养护条件下的粘聚力和内摩擦角的结果可知：无环刀的养护条件下，粘聚力普遍都减小了；在侧限条件下，约束了土样的横向变形，使土样有效保持了击样时的状态，从而其粘聚力大于无侧限的情况.由于制样量大的原因，课题组统一采用了无环刀养护的方法.

2.3.2 掺入量的影响 不同掺入量与砂质岩板剪切强度的影响关系如图9所示.由图9可知：全-强风化砂质板岩水泥改良土的强度随水泥掺入量的增加而增加，呈近似线性关系；但随着水泥掺量的增加，水泥改良土强度的增长呈下降趋势，也就是所谓的“水泥效应”渐趋降低.

利用图9计算砂质板岩原状土在不同水泥掺量条件下的强度，结果列于表4.

表4 砂质板岩不同水泥掺量条件下的c，φ值Table 4 c and φ Values of Sandy Slate with Different Cement Content

由表4可知，全-强风化砂质板岩水泥改良土的强度随着水泥掺入量的增加而增大，但当水泥掺量达到某一值后，随着水泥掺入量的增加强度反而减小.水泥最佳掺入量为6%，此时强度最大.出现这种现象的主要原因是：当水泥的含量较低时，水泥主要起稳定作用，会使土的塑性、膨胀性降低，初步具有水稳定性，密实度和强度增加,稳定性均提高；但水泥含量超过一定量以后，过多的水泥沉积在土孔隙中不参加反应,从而导致水泥土强度降低.

3 结论

(1)通过室内土工试验，获得了全-强风化砂质板岩原状土的击实曲线、液塑限值、级配曲线等基本参数，发现风化填料虽然天然级配良好，但是大粒径的风化岩在机具的碾压或冲击下易破碎，其CBR<6；所以从路基工程质量的角度考虑，不宜直接作为路基填料，应考虑改良，且主要针对其强度指标进行改良.

(2)将通过直剪试验曲线计算得到的粘聚力和内摩擦角作为土样强度的判定值，发现全-强风化砂质板岩改良土的液塑限值随水泥掺量的增加而增大，但其差值塑性指数却逐渐减小，说明掺灰量越高改良土塑性性能越差.

(3)通过控制变量的方法，探究了水泥掺量和养护条件对改良土强度的影响.结果表明：水泥掺量在6%时改良土的强度最大，改良效果最优，其粘聚力c为222.3 kPa，内摩擦角φ为51.8°；限制侧向移动养护效果较无侧限养护好，且主要提高了试验的粘聚力; 在6%的最优水泥掺量条件下，有无侧限的抗剪强度相差最小； 在4%和8%水泥掺量条件下，有侧限试样强度较无侧限试验提升30%.