公路路基泥质软岩填料的力学特性研究

2021-04-27李宏俊潘少红杨建桥

粘接 2021年7期

李宏俊潘少红杨建桥

摘要：结合公路路基对泥质软岩填料的实际应用需求，考察了泥质软岩填料的击实、承载比、直剪和固化性能。结果表明，当P5分别为50%、70%和90%时，泥质软岩填料的最佳含水率分别为9.86%、9.20%和8.74%，对应的最大干密度分别为1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3，击实后P5为50%、70%和90%的试件的不均匀系数分别增加至26.26、22.11和21.32，级配明显改善;压实度分别为93%、94%和96%的试件的承载比平均值分别为12.1%、18.2%和25.3%;在相同的垂直压力下，压实度更大的泥质软岩填料试件的剪切强度会更大。当轴向应力分别为200kPa、400kPa和800kPa时，浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率分别为1.96%、2.67%和3.00%;浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率会随着轴向压力增加而增大，但是压实度为93%时浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率整体不高。

关键词：公路路基;泥质软岩填料;承载比;直剪;固化

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0058-05

Study on Mechanical Characteristics of Soft Rock Filling in Highway Subgrade

Li Hongjun， Pan Shaohong， Yang Jianqiao

（Yunnan Land and Resources Vocational College， Kunming 652501， China）

Abstract：The coMPaction， load bearing ratio， direct shear and curing properties of the argillite soft rock fillers were investigated according to the practical application requirements of the highway subgrade for argillaceous soft rock filler. The results show that when P5 is 50%， 70% and 90%， the optimal moisture content of the argillaceous soft rock filler is 9.86%， 9.20% and 8.74%， and the corresponding maximum dry density is 1.984g/cm3， 2.144g/cm3 and 2.177g/cm3， respectively. After coMPaction， the non-uniformity coefficient of the specimens with P5 being 50%， 70% and 90% increases to 26.26， 22.11 and 21.32， and the grading is significantly improved. The average load bearing ratios of the specimens with the coMPaction density of 93%， 94% and 96% were 12.1%， 18.2% and 25.3%， respectively. Under the same vertical pressure， the shear strength of argillaceous soft rock packing specimens with higher coMPacted density will be greater. When the axial stress was 200kPa， 400kPa and 800kPa respectively， the wet deformation rates of muddy soft rock packing specimens after immersion were 1.96%， 2.67% and 3.00% respectively. The wet deformation rate of muddy soft rock packing specimen increases with the increase of axial pressure， but the wet deformation rate of the argillaceous soft rock filler specimen after immersion in water is not high overall when the coMPaction density is 93%.

Key words：highway roadbed; argillaceous soft rock filler; bearing ratio; direct shear; solidification

泥质软岩在我国西南和西北地区有广泛分布，在公路建设极大推广的应用背景下，如何将泥质软岩作为填料使用来解决目前填料匮乏的现状[1]，不仅可以降低公路路基建设成本，还可以减少对耕地等资源的占用，是非常值得研究的课题[2-3]。虽然将泥质软岩应用在公路路基中具有较好的社会效益、经济效益和环境效益，但是实际应用过程中由于泥质软岩的强度较低以及风化程度较高等缺陷，容易在完工后造成路基沉降以及开裂等现象[4-7]，因此，需要对泥质軟岩的力学特性进行研究，包括击实特性、剪切强度和压缩固结特性等，结果将有助于泥质软岩在公路路基工程中的广泛应用，并具有重要的现实意义。

1 材料与方法

试验用泥质软岩为某公路施工现场取得的路基填料（松散碎石土及松软粘性土及强风化岩层组成），主要矿物组成为（质量分数，%）：60.73SiO2、20.12Al2O3、7.10Fe2O3、5.38CaO、1.98K2O、2.33MgO、0.54TiO2、0.12Na2O，余量为其它。

采用TDJ-III型多功能电动击实仪对泥质软岩进行击实试验，共设计了3组试件，分别为P5（粒径大于或等于5mm的含量）为50%、70%和90%，分别测试不同试件的干密度-含水率曲线[8];根据JTG-D30-2015《公路路基设计规范》对承载力的要求，设计了承载比为93%、94%和96%的3组试件进行承载比试验（试件持续浸泡96h后开始贯入）[9]，设备为MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机，泥岩承载力基本容许值为400kPa;采用如图1所示的直剪仪装置进行泥质软岩填料试件的剪切强度测试，根据JTG/D30-2015《公路路基设计规范》设计压实度分别为93%、94%和96%的平行试件，以0.5mm/min的加载速率进行剪切试验，并记录剪切过程中的剪应力等，并由此计算得到剪切强度[10];采用1000kN的微机控制式固结仪对泥质软岩填料进行压缩固结试验，加载载荷从0至800MPa，加载过程中记录泥质软岩填料试件的压力和压缩变形量等数据。

2 试验结果与分析

2.1 击实试验

图2为泥质软岩填料的干密度与含水率的关系曲线。可见，在3种不同的P5条件下，泥质软岩填料的干密度都会随着含水率增加而先升高后降低，在中间某一含水率时取得干密度最大值。通过优化分析可知，当P5分别为50%、70%和90%时，泥质软岩填料的最佳含水率分别为9.86%、9.20%和8.74%，对应的最大干密度分别为1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3。

图3为泥质软岩填料击实前后的级配曲线。当P5为50%时，击实前后小于某粒径的质量百分数都呈现逐渐增加的趋势，但是在相同颗粒粒径下，击实后小于某粒径的质量百分数要高于击实后的试件;当P5为70%时，击实前后小于某粒径的质量百分数也呈现逐渐增加的趋势，在相同颗粒粒径下，击实后小于某粒径的质量百分数同样高于击实后的试件;增加P5为90%时，击实前后小于某粒径的质量百分数也呈现逐渐增加的趋势，在相同颗粒粒径下，击实后小于某粒径的质量百分数高于击实后的试件。对分分析可知，不同P5条件下，击实前后小于某粒径的质量百分数随着颗粒粒径的变化趋势基本相同。

表1为实前后泥质软岩的级配参数统计结果，其中，Cu和CC分别为不均匀系数和曲率系数。对比分析可知，当P5分别为50%、70%和90%时，击实后的P5分别减小为30%、45%和54%，且击实后的不均匀系数都相较击实前有明显增大。从不均匀系数测试结果可知，在洒水和击实作用下，3组不同P5试件的大粒径颗粒含量都有不同程度降低，击实后P5为50%、70%和90%的试件的不均匀系数分别增加至26.26、22.11和21.32，级配明显改善。

2.2 承载比

对压实度分别为93%、94%和96%的试件进行平均膨胀量测试，结果表明，压实度分别为93%、94%和96%的试件的平均膨胀量分别为1.40%、1.14%和0.85%，即泥质软岩填料的浸水膨胀量会随着压实度增加而逐渐减小，究其原因，这主要是因为压实度的增加会使得试件的干密度增大、孔隙比减小所致[11]。

图4为泥质软岩填料的贯入量-压力曲线。对比分析可知，在不同压实度下，泥质软岩填料的贯入量都会随着单位压力的增加而逐渐增加，但是开始加压时的曲线会较为平缓，而加载末端曲线的斜率会增大。根据泥质软岩填料的贯入量-压力曲线可以得到不同压实度下3组试件的承载比平均值，压实度分别为93%、94%和96%的试件的承载比平均值分别为12.1%、18.2%和25.3%，由此可见，泥质软岩填料的承载比会随着压实度增加而增大。

2.3 直剪试验

图5 为泥质软岩填料试件的剪切强度与垂直压力的对应关系曲线，图中分别列出了压实度为93%、94%和96%时泥质软岩填料试件的剪切强度与垂直压力的线性拟合曲线。可见，压实度为93%、94%和96%时泥质软岩填料试件的剪切强度与垂直压力都满足线性关系，分别为y=0.47149x+84.125、y=0.5422x+85.6和y=0.7308x+100.4。在相同的垂直压力下，压实度更大的泥质软岩填料试件的剪切强度会更大。

2.4 固结试验

根据DL/T 5356―2006《水电水利工程粗粒土试验规程》标准进行泥质软岩填料固结试验，压缩固结试验采用“单线法”进行，分别加载至200kPa、400kPa和800kPa，下一级荷载施加的条件为上一级加载过程中的变形量小于或者等于0.05mm/h;当压缩固结试验结束后继续进行湿化变形试验，即在最后一级荷载下保载1d，然后在水槽内注水对固化试件进行湿化，在最后一小时变形量小于或者等于0.05mm时停止湿化试验[12]。表2中列出了泥质软岩填料试件的压缩性能，可见荷载与孔隙比、压缩系数、压缩模量、体积压缩系数和压缩指数的关系。

图6为泥质软岩填料的压缩特性曲线，分别列出了孔隙率-压力和孔隙比-log（压力）曲线。从孔隙比-压力曲线中可知，最大荷载为200kPa、400kPa和800kPa试件的孔隙比都随着压力增加而减小;从孔隙比-log（压力）曲线中可知，最大荷载为200kPa、400kPa和800kPa试件的孔隙比都随着压力对数增加而减小。

图7为浸水前后泥质软岩填料的变形量与轴向应力的对应关系。可见，当轴向应力分别为200kPa、400kPa和800kPa时，浸水后泥质软岩填料试件的变形量都高于浸水前试件，且随着轴向应力增加，浸水前后泥质软岩填料的变形量都呈现逐渐增加的趋势。当轴向应力分别为200kPa、400kPa和800kPa时，浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率分别为1.96%、2.67%和3.00%，可見，浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率会随着轴向压力增加而增大，但是压实度为93%时浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率整体不高。

3 结语

（1）当P5分别为50%、70%和90%时，泥质软岩填料的最佳含水率分别为9.86%、9.20%和8.74%，对应的最大干密度分别为1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3。在洒水和击实作用下，3组不同P5试件的大粒径颗粒含量都有不同程度降低，击实后P5为50%、70%和90%的试件的不均匀系数分别增加至26.26、22.11和21.32，级配明显改善。

（2）压实度分别为93%、94%和96%的试件的平均膨胀量分别为1.40%、1.14%和0.85%;压实度分别为93%、94%和96%的试件的承载比平均值分别为12.1%、18.2%和25.3%。

（3）压实度为93%、94%和96%时泥质软岩填料试件的剪切强度与垂直压力都满足线性关系，分别为y=0.47149x+84.125、y=0.5422x+85.6和y=0.7308x+100.4。在相同的垂直压力下，压实度更大的泥质软岩填料试件的剪切强度会更大。

（4）当軸向应力分别为200kPa、400kPa和800kPa时，浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率分别为1.96%、2.67%和3.00%;浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率会随着轴向压力增加而增大，但是压实度为93%时浸水后泥质软岩填料试件的湿化变形率整体不高。

参考文献

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