黑龙江寒区页岩路基病害形成机理分析

苏楠，张振亚，王锐，张宏锴，邵美钧，刘宏庆，敖彬

（1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

页岩是一种由黏土脱水胶结而成的黏土岩，由黏土物质硬化形成的微小颗粒极易分裂成为明显的岩层[1]。其成分复杂，由许多碎屑矿物(如石英、长石、云母等)、自生矿物(如铁、锰的氧化物与氨氧化物等)以及黏土矿物(如高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等)组成。具有明显的页状或薄片状层理，被硬物击打后易成碎片，是由黏土物质经压实、脱水、重结晶后形成的。页岩极容易被风化，风化后呈松土状，温度与水是导致页岩产生风化作用的两个关键因素，物理风化和化学风化则是页岩的主要风化类型[2]。页岩具有膨胀性、极易风化、遇水软化、强度衰减较大、分布不均、成分不均、性质不均等特点[3]，在我国分布主要集中在云南、贵州、广西等西部地区。随着中俄贸易往来频繁，黑龙江省交通设施建设蓬勃发展，公路建设逐渐开始途经含页岩分布区域，若将其弃之不用，不仅将大幅增加工程成本，还不利于对环境的保护。因而在路基建设中如途经页岩路段，应尽可能采用页岩作为筑路材料。本文结合黑龙江省省道前进至胡吉吐莫公路前进至通北段改扩建项目所途经的页岩路段，对页岩作为公路工程路基填筑材料时容易产生的病害及形成机理进行分析总结，旨在为黑龙江省寒区页岩路段公路工程建设与养护提供参考，助力实现2030年“碳达峰”的目标。

1 页岩基本物理力学性质

在黑龙江省道前进至胡吉吐莫公路前进至通北段改扩建项目途经页岩区域进行页岩取样，所取页岩抗压强度为26MPa＜30MPa，故属于软岩，主要物理指标包括比重、颗粒分析、液塑限、最佳含水率、最大干密度和承载比等。依据规范《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）[4]，通过比重瓶法（T0112-1993）、颗粒分析（T0015-1993 筛分法、T0116-2007 密度计法）、液塑限联合测定法（T0118-2007）、击实试验（T0131-2019）与承载比试验（T0134-2019）的方法分别对页岩进行相应试验，土样的相应测定参数见表1、颗粒分析见图1。

表1 页岩基本物理性质参数

图1 颗粒分析

从表1 可以看出，页岩的塑性指数小于26、液限小于50%、加州承载比CBR 为6.8，通过《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）[5]对路基填料的要求可知，该页岩适用于二级公路路基填料。

2 崩解病害形成机理

崩解是指岩石与水相互作用时会失去黏结力，水化过程中削弱岩石内部的结构连结，使其变成一种完全丧失强度的松散物质。页岩具有复杂的崩解性[6]，未完全崩解稳定的页岩填料在其失水状态下会容易收缩开裂，而遇水后极易吸水膨胀发生崩解。当其用于公路建设时，长久裸露于空气之中，在雨水和昼夜温差的共同作用下致使强度降低直至泥化和崩解，使公路路堤强度降低而引起路堤的沉降变形。因此页岩路堤在填筑施工前，要注意使炭质页岩填料完全崩解。中压缩性土是页岩崩解后的产物，在边坡开挖后，新的岩体在自然环境中长期暴露会造成岩体破碎并降低页岩强度，导致新开挖的边坡较易失稳。页岩的崩解性对道路沿线的交通将造成较大的安全隐患，易造成交通事故与人员伤亡，给国民带来经济损失及生命安全威胁。当页岩作为路基填料时，为了保证填筑效果，应先进行预崩解。

将选取的页岩岩块放置到托盘中，对页岩进行干湿循环预崩解。具体试验方法参考张宏锴等[7]研究方案，即室内进行烘干（105°烘箱中8h 以上至恒重）→冷却至室温→浸水（24h）→烘干（105°烘箱中8h 以上至恒重）为完成一次干湿循环，每完成一次崩解依据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）规范中的T0015-1993 筛分法进行颗粒筛分试验，首先对试样进行筛分，采用从小到大 依 次 为 0.075mm、0.250mm、0.500mm、1.000mm、2.000mm、5.000mm、10.000mm、20.000mm、40.000mm 的规格的标准筛，记录每次试样颗粒级配情况，并与上一次的实测结果进行对比，直至筛分结果基本稳定为止，此时的状态判定为崩解完成，如图2 所示。针对沿线区域页岩进行崩解的试验结果表明，页岩崩解时变化主要集中在前3 个周期，崩解在7 次干湿循环后，基本崩解完成，此时可得到较为合适当作路基填筑材料的页岩。

图2 室内崩解试验

3 冻融病害形成机理

土中水冻结变成冰，体积增大9%，当土中水体积膨胀足以引起土颗粒之间相对位移时就形成土的体积膨胀，称为土的冻胀[8]。由于页岩自身含亲水矿物，在大气降水等外界因素影响下遇水后极易吸收，在黑龙江省受寒区复杂冻融的气候环境下，页岩作为路基填筑材料，夏季在大气降水及周围环境的影响下，如没有做好有效的路基隔水与排水等相应措施，雨水渗入到亲水性较好的页岩路基中，将影响其工程性质。进入冬季，大气温度降低，浸入到页岩路基填料的自由水开始冻结，在水冻结成冰的过程中伴随着土体膨胀，而随着温度的进一步降低，在土中毛细孔隙的影响下，未冻结的自由水会不断向已冻结的区域迁移集聚，冻胀现象逐步增大。地基土或路基土会因冻胀而产生冻胀力，在冻胀力大于上覆路基荷载作用时，地基或路基将会产生隆起变形。在这种反复冻融循环的作用下，土中孔隙逐渐增大，土体强度逐渐降低，导致路基稳定性变差，路基容易出现隆起或坑槽病害，进而会反射到路面结构层，路面易形成横向裂缝、纵向裂缝及波浪等病害，影响正常的道路使用，甚至危及驾驶员的人身安全。

土体破坏主要是由于其抗剪强度小于其在外力作用下的局部受力，导致土体的一部分对另外一部分产生相对滑动，使土体的整体性遭到严重破坏。土的抗剪强度通常由束缚水膜的分子和胶结物所产生的黏聚力c 及土颗粒之间的内摩擦角φ 来评价，用于估算地基承载力和确定地基稳定性。为了探究冻融循环次数对页岩力学性质的影响，需以抗剪强度摩擦角φ和黏聚力c为研究参数，在最大干密度及最佳含水率的条件下，按土的体积-质量的关系制备试样，试样高20.0mm，直径61.8mm。试验时取过2.0mm 筛的筛下碾碎风干土做试验。由压力机静压成型后，调节低温试验箱温度至黑龙江省北安冬季平均气温-15℃并将试件放入，进行冻结时间24h、融化24h 为一次的冻融循环，冻融循环次数参考杨爱武等[9]的研究方案，采用选取0、1、3、5、7、9、11、13 作为冻融循环次数，并分别对试件进行不同冻融循环次数的直接剪切试验。采用应变控制式直剪仪，在剪切速度为0.8mm/min 的条件下进行抗剪强度试验。试验结果见表2，图3为不同冻融次数与黏聚力的关系曲线，不同冻融次数与内摩擦角的关系曲线如图4所示。

表2 不同冻融循环次数的c和φ值

图3 不同冻融次数与黏聚力c的关系曲线

图4 不同冻融次数与内摩擦角φ的关系曲线

从图3和图4中可以看出，在冻融循环次数增加的过程中，土的抗剪强度指标黏聚力c与内摩擦角φ逐渐降低，在前3 次冻融循环影响下黏聚力c 与内摩擦角φ 下降斜率明显大于后者，黏聚力降低了80.5kPa，内摩擦角降低了5.2°；从第7 次冻融循环开始斜率明显趋缓，黏聚力降低了21.9kPa，内摩擦角降低了3°。说明页岩作为路基填料在前5 次冻融循环下黏聚力c 与内摩擦角φ 下降较为明显，并在第6 次冻融循环之后下降趋于平缓。

综上可知，冻融对路基和边坡的稳定性将会产生直接影响，导致路基承载力降低或路基开裂，进而反射到基层和面层，导致路面开裂，不仅严重影响道路的服务水平以及车辆运行的平稳性与安全性，还会导致路基边坡滑塌等工程危害，随时有可能损害沿线公路、桥涵等设施。对于黑龙江省该页岩区修筑的公路，在冻融循环前5 年内需着重注意路基病害的防治。

4 边坡滑塌形成机理

边坡滑塌是由于暴露在自然环境中的路基坡面受到雨水的渗入及坡脚受到雨水或地下径流长期的浸泡，特别是页岩自身含亲水矿物，导致在外界自由水的影响下，组成边坡的岩土体物理力学性质会发生变化，导致边坡土体失稳，进而形成边坡滑塌等地质灾害。这不仅影响道路通行，严重者会给驾驶人员的人身安全及生命带来极大的安全隐患。页岩边坡滑塌主要是因为页岩是一种容易风化崩解、强度较低且具有一定膨胀性的软岩，在公路工程建设动工之前，岩体往往都表现较为完整，力学性能较好。而在工程建设过程中，工程机械的开挖破坏了原有页岩稳定的自然状态，并且部分岩体长时间裸露在大气自然环境中，随着页岩不断地受到雨水和日照的影响，形成干湿循环，导致其结构和力学性质共同发生变化，在岩体内局部出现疏散现象，对边坡的稳定性产生影响，进而导致边坡的滑塌。

5 地基沉降形成机理

地基沉降是指地基土层在附加应力作用下压密而引起的地基表面下沉。当页岩作为建筑物的地基时，很容易产生比较大的不均匀沉降，会使建筑物发生倾斜、开裂以至于不能正常使用。页岩发生地基沉降变形的根本原因是因为其压缩模量小[10]。地基沉降变形另一原因是由于页岩填料自身的压缩变形，页岩作为填料时，在外荷载的作用下其颗粒发生位移。由于地基具有一定的承载力，地基沉降在路堤填筑初期时表现形式为类似弹性变形，但页岩填料随着路堤的逐渐填筑，其干密度较大并且自重大，这便使得地基土很快就进入了强化阶段，地基土体结构有可能被路堤的自重破坏，土颗粒在路堤重力作用下重排形成新的结构，而发生沉降变形。路基填筑后极易形成不均匀沉降，从而导致路基剪切、滑动破坏等现象，造成路基失稳及震陷，影响公路工程路基强度以及稳定性。

6 结论

随着中俄贸易往来频繁，黑龙江省交通设施建设蓬勃发展，在公路建设过程中将不可避免地途经富含页岩分布的区域，由于页岩自身性质的原因决定了其当作路基填料必定将会有很多不足的地方。可如果弃之不用的话，不仅会导致其占用大量土地，浪费宝贵的土地资源，同时还会对环境造成污染，更会增加公路建设成本。而且过多页岩的弃渣，在暴雨季节还会引发滑坡、泥石流等地质灾害，威胁人民的人身安全。本文结合黑龙江省省道前进至胡吉吐莫公路页岩分布路段，针对页岩作为建设材料在公路工程中会发生的病害形成机理进行分析，充分掌握页岩的特性及其危害，为公路工程修建提出的防治措施提供依据，大大提升黑龙江公路建设的经济环保性，在节约土地资源、节约投资成本同时对可持续发展做出贡献。