千枚岩路基填料级配对路基性能研究

魏佩顺

(郑州市公路工程公司 郑州 450000)

0 引 言

我国西南地区，地形崎岖、山地与山谷相互交错，高速公路大多采用桥隧形式.修建桥隧时产生的大量弃渣，若随意弃置，会对生态环境造成破坏[1-2].将桥隧中的弃渣填筑路堤，既可有效解决路基填料运输问题，又可保护环境、降低工程造价.广甘沿线含有大量千枚岩，主要由绢云母、石英组成，其强度低、风化程度不同、抗变形能力差，以及水稳定性差，千枚岩与普通硬质岩石在力学工程特性有较大差异[3].如何采用千枚岩填筑路基，对控制路基强度、稳定和变形提出了更高的要求.

刘新喜等[4]研究发现风化软岩压实性较好，CBR随压实度提高逐渐增大，可用于填筑路基.郑明新等[5]通过研究软质千枚状板岩矿物成分、耐崩解性、力学强度，以及击实特性，认为风化软岩填筑路基具有可行性.卿启湘等[6]通过室内模拟实验，研究了软岩路基应力、应变特性.熊跃华等[7]研究了粗颗粒含量和含水率对泥质千枚板岩击实特性影响，建议路基施工含水率控制在12%.毕冉[8]研究了不同压力下千枚岩的破坏状态和级配变化.田鹏程[9]运用数理统计确定天然千枚岩颗粒级配，并研究了不同室内击实方法下千枚岩破坏状态.而千枚岩物理力学性质不一，在外界环境作用下级配不断发生变化.鉴于此，本文通过室内试验模拟现场千枚岩级配变化，确定合理的级配；并在此基础上，针对素千枚岩工程特性不满足路基填筑要求，采用水泥对其进行改良，研究水泥改良千枚岩填料的路用性能.

1 千枚岩工程特性

1.1 千枚岩物理性质

取自路堑开挖现场，根据其风化程度选取了二类代表性千枚岩，分别是微风化千枚岩A和强风化千枚岩B，见图1.

图1 千枚岩

由图1可知，千枚岩A的岩体较为完整，主要呈板状结构，岩芯多呈10～15 cm块状或柱状，锤击声不清脆，较易击碎；千枚岩B的岩体相对完整，多呈板状、块状或短柱状，岩芯多为4～10 cm的块状，夹杂有3～4 cm的碎片状，锤击声哑，易击碎.参照文献[10]测定千枚岩A、B技术性质，见表1.

表1 千枚岩物理指标

由表1可知，随风化程度加强，千枚岩颗粒密度和块体密度逐渐减小，含水率、吸水率，以及孔隙率逐渐增加.

1.2 千枚岩力学特性

1) 点荷载强度 风化千枚岩A、B点荷载强度试验结果见表2.

表2 千枚岩点荷载强度

由表2可知，千枚岩强度与风化程度相关，风化程度越高，强度和软化系数越小.说明千枚岩浸水后，强风化千枚岩在水作用下较容易发生破坏.

2) 抗剪强度 对微风化千枚岩A垂直、水平节理进行直剪试验，试件尺寸为50 mm×50 mm×50 mm.千枚岩抗剪强度试验结果见表3.

表3 千枚岩抗剪强度

由表3可知，同一节理方向时，千枚岩天然状态φ和c均大于饱和状态，但相差不大，说明水对千枚岩抗剪强度影响较小；另外，相同状态时，千枚岩垂直节理方向的φ和c均大于水平方向，说明加载方向和结构面影响千枚岩抗剪强度.

1.3 水稳定性

参照文献[10]，选用崩解试验和膨胀试验评价千枚岩水稳定性.

1) 耐崩解特性 对微风化、强风化千枚岩分别进行5次干燥循环崩解试验，试验结果见表4.

表4 千枚岩崩解试验结果

由表4可知，千枚岩崩解量随循环作用次数的增加逐渐增大，而耐崩解性指数则逐渐减小.循环作用5次时，微风化、强风化千枚岩耐崩解性指数分别为90.8%，81.5%.

2) 膨胀特性 对微风化千枚岩进行膨胀试验，测试其轴向和径向膨胀率，实验结果见表5.

表5 千枚岩膨胀试验结果

由表5可知，微风化千枚岩径向、轴向膨胀趋势很小，基本保持原有结构.

2 千枚岩颗粒级配

2.1 试验方案

1) 室内破碎强千枚岩，控制最大粒径≤60 mm，对其进行筛分试验.试验结果见表6.通过改变含石量模拟现场千枚岩破碎状态下的级配，参照文献[10]，采用室内重型击实试验分析级配对最大干密度和最佳含水率的影响.拟含石量为30%，40%，50%，60%，70%和80%.含石量是指千枚岩粒径大于5 mm的颗粒质量百分率.

表6 千枚岩筛分试验结果

2) 对第一次千枚岩击实试件进行破碎，并二次击实；取最大干密度的千枚岩试件破碎进行筛分试验，评价其级配.

由表6计算可得，不均匀系数19.2，曲率系数0.7，属于级配不良.

2.2 击实试验结果

1) 一次击实 含石量对室内最大干密度和最佳含水率的影响见图2.

图2 击实试验结果

由图2可知，随含石量增加，千枚岩最大干密度逐渐提高、最佳含水率逐渐降低；其中含石量为70%时，最大干密度最大，这是因为千枚岩中含有足够的粗颗粒形成骨架，又有较多的细颗粒填充于骨架之中；另外，当含石量越大时，细颗粒越小，千枚岩吸水能力降低，导致最佳含水率不断减小.因此，千枚岩最佳级配是含石量70%.

2) 二次击实 不同含石量千枚岩击实结果见图3，筛分试验结果见表7.

表7 千枚岩(含石量70%)筛分试验结果

图3 含石量-二次击实千枚岩最大干密度关系

由图3可知，含石量70%时，二次击实千枚岩最大干密度最大，与第一次击实结果相近.这说明含石量70%时，千枚岩级配良好，结构密实.

由表7计算可得，不均匀系数21.3，曲率系数1.8，级配良好.

3 水泥改良千枚岩

3.1 重型击实试验

对破碎千枚岩进行筛分试验，根据图2和图3确定级配组成，拟控制含石量为50%,60%,70%,80%.采用水泥对破碎后的千枚岩进行改良，并测定其路用性能.拟水泥剂量4%,5%,6%.击实试验结果见图4.

图4 水泥剂量-水泥改良千枚岩最大干密度关系

由图4可知，同一含石量下，随水泥剂量增加，水泥改良千枚岩最大干密度逐渐提高.含石量60%～70%时，击实效果较好，干密度较大.

3.2 CBR试验

研究水泥改良对千枚岩CBR值影响，拟水泥剂量4%,5%和6%，含石量分别为60%和70%，击实次数拟30,50,98次，最佳含水率下成型试件.CBR试验结果见表8.

表8 水泥改良千枚岩CBR试验结果

由表8可知，击实次数与含石量一定时，水泥改良千枚岩随水泥剂量增加CBR值逐渐提高；含石量60%和70%的水泥改良千枚岩，水泥剂量每提高1%，CBR值增加26.9%,23.6%.另外，相同击实功下，含石量60%水泥改良千枚岩大于含石量70%千枚岩，这是因为随含石量的升高，颗粒之间的空隙逐渐增大，水泥大多依附在粗颗粒表面，与细颗粒接触较少，从而导致含石量70%千枚岩CBR小于含石量60%的千枚岩CBR.

3.3 无侧限抗压强度试验

分析水泥剂量对改良千枚岩无侧限抗压强度的影响规律，控制最佳含水率和最大干密度，采用静压法成型试件.试件脱模后，立即放入塑料袋内密封好，在标准的湿度和温度条件下养护7 d后，测试其无侧限抗压强度.拟水泥剂量4%,5%和6%，含石量分别为50%,60%和70%.试验结果见图5.

图5 水泥剂量-改良千枚岩无侧限抗压强度关系

由图5可知，含石量不变时，水泥改良千枚岩7 d无侧限抗压强度随水泥剂量的增加呈现递增趋势，水泥剂量每增加1%，含石量50%,60%和70%改良千枚岩强度约分别提高51.3%,31.6%,62.0%.另外，含石量60%千枚岩强度高于其他两个含石量的千枚岩，这是因为含石量70%千枚岩，骨架之间空隙大，细颗粒与水泥反应产生的胶凝物质作用不完全，致使其强度低于含石量60%千枚岩.对此，选择含石量60%,4%水泥剂量改良千枚岩既满足路基填筑要求，又经济合理.

4 结 论

1) 千枚岩随风化程度加强其密度、强度及水稳性逐渐降低，含水率、吸水率和孔隙率逐渐增加.

2) 通过对不同含石量千枚岩进行击实试验，含石量70%千枚岩时，两次击实得到的最大干密度最大.

3) 通过水泥改良千枚岩，击实次数与含石量一定时，水泥改良千枚岩随水泥剂量增加CBR值逐渐提高；含石量不变时，水泥改良千枚岩7 d无侧限抗压强度随水泥剂量的增加呈现递增趋势.

4) 选择含石量60%,4%水泥剂量改良千枚岩既满足路基强度要求，又经济合理.