魏佩順

(鄭州市公路工程公司 鄭州 450000)

0 引 言

我國西南地區(qū)，地形崎嶇、山地與山谷相互交錯(cuò)，高速公路大多采用橋隧形式.修建橋隧時(shí)產(chǎn)生的大量棄渣，若隨意棄置，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞[1-2].將橋隧中的棄渣填筑路堤，既可有效解決路基填料運(yùn)輸問題，又可保護(hù)環(huán)境、降低工程造價(jià).廣甘沿線含有大量千枚巖，主要由絹云母、石英組成，其強(qiáng)度低、風(fēng)化程度不同、抗變形能力差，以及水穩(wěn)定性差，千枚巖與普通硬質(zhì)巖石在力學(xué)工程特性有較大差異[3].如何采用千枚巖填筑路基，對(duì)控制路基強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形提出了更高的要求.

劉新喜等[4]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)化軟巖壓實(shí)性較好，CBR隨壓實(shí)度提高逐漸增大，可用于填筑路基.鄭明新等[5]通過研究軟質(zhì)千枚狀板巖礦物成分、耐崩解性、力學(xué)強(qiáng)度，以及擊實(shí)特性，認(rèn)為風(fēng)化軟巖填筑路基具有可行性.卿啟湘等[6]通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了軟巖路基應(yīng)力、應(yīng)變特性.熊躍華等[7]研究了粗顆粒含量和含水率對(duì)泥質(zhì)千枚板巖擊實(shí)特性影響，建議路基施工含水率控制在12%.畢冉[8]研究了不同壓力下千枚巖的破壞狀態(tài)和級(jí)配變化.田鵬程[9]運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)確定天然千枚巖顆粒級(jí)配，并研究了不同室內(nèi)擊實(shí)方法下千枚巖破壞狀態(tài).而千枚巖物理力學(xué)性質(zhì)不一，在外界環(huán)境作用下級(jí)配不斷發(fā)生變化.鑒于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場千枚巖級(jí)配變化，確定合理的級(jí)配；并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)素千枚巖工程特性不滿足路基填筑要求，采用水泥對(duì)其進(jìn)行改良，研究水泥改良千枚巖填料的路用性能.

1 千枚巖工程特性

1.1 千枚巖物理性質(zhì)

取自路塹開挖現(xiàn)場，根據(jù)其風(fēng)化程度選取了二類代表性千枚巖，分別是微風(fēng)化千枚巖A和強(qiáng)風(fēng)化千枚巖B，見圖1.

圖1 千枚巖

由圖1可知，千枚巖A的巖體較為完整，主要呈板狀結(jié)構(gòu)，巖芯多呈10～15 cm塊狀或柱狀，錘擊聲不清脆，較易擊碎；千枚巖B的巖體相對(duì)完整，多呈板狀、塊狀或短柱狀，巖芯多為4～10 cm的塊狀，夾雜有3～4 cm的碎片狀，錘擊聲啞，易擊碎.參照文獻(xiàn)[10]測定千枚巖A、B技術(shù)性質(zhì)，見表1.

表1 千枚巖物理指標(biāo)

由表1可知，隨風(fēng)化程度加強(qiáng)，千枚巖顆粒密度和塊體密度逐漸減小，含水率、吸水率，以及孔隙率逐漸增加.

1.2 千枚巖力學(xué)特性

1) 點(diǎn)荷載強(qiáng)度 風(fēng)化千枚巖A、B點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 千枚巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度

由表2可知，千枚巖強(qiáng)度與風(fēng)化程度相關(guān)，風(fēng)化程度越高，強(qiáng)度和軟化系數(shù)越小.說明千枚巖浸水后，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖在水作用下較容易發(fā)生破壞.

2) 抗剪強(qiáng)度 對(duì)微風(fēng)化千枚巖A垂直、水平節(jié)理進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm.千枚巖抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 千枚巖抗剪強(qiáng)度

由表3可知，同一節(jié)理方向時(shí)，千枚巖天然狀態(tài)φ和c均大于飽和狀態(tài)，但相差不大，說明水對(duì)千枚巖抗剪強(qiáng)度影響較??；另外，相同狀態(tài)時(shí)，千枚巖垂直節(jié)理方向的φ和c均大于水平方向，說明加載方向和結(jié)構(gòu)面影響千枚巖抗剪強(qiáng)度.

1.3 水穩(wěn)定性

參照文獻(xiàn)[10]，選用崩解試驗(yàn)和膨脹試驗(yàn)評(píng)價(jià)千枚巖水穩(wěn)定性.

1) 耐崩解特性 對(duì)微風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖分別進(jìn)行5次干燥循環(huán)崩解試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 千枚巖崩解試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，千枚巖崩解量隨循環(huán)作用次數(shù)的增加逐漸增大，而耐崩解性指數(shù)則逐漸減小.循環(huán)作用5次時(shí)，微風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖耐崩解性指數(shù)分別為90.8%，81.5%.

2) 膨脹特性 對(duì)微風(fēng)化千枚巖進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，測試其軸向和徑向膨脹率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 千枚巖膨脹試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，微風(fēng)化千枚巖徑向、軸向膨脹趨勢很小，基本保持原有結(jié)構(gòu).

2 千枚巖顆粒級(jí)配

2.1 試驗(yàn)方案

1) 室內(nèi)破碎強(qiáng)千枚巖，控制最大粒徑≤60 mm，對(duì)其進(jìn)行篩分試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表6.通過改變含石量模擬現(xiàn)場千枚巖破碎狀態(tài)下的級(jí)配，參照文獻(xiàn)[10]，采用室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)分析級(jí)配對(duì)最大干密度和最佳含水率的影響.擬含石量為30%，40%，50%，60%，70%和80%.含石量是指千枚巖粒徑大于5 mm的顆粒質(zhì)量百分率.

表6 千枚巖篩分試驗(yàn)結(jié)果

2) 對(duì)第一次千枚巖擊實(shí)試件進(jìn)行破碎，并二次擊實(shí)；取最大干密度的千枚巖試件破碎進(jìn)行篩分試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其級(jí)配.

由表6計(jì)算可得，不均勻系數(shù)19.2，曲率系數(shù)0.7，屬于級(jí)配不良.

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1) 一次擊實(shí) 含石量對(duì)室內(nèi)最大干密度和最佳含水率的影響見圖2.

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，隨含石量增加，千枚巖最大干密度逐漸提高、最佳含水率逐漸降低；其中含石量為70%時(shí)，最大干密度最大，這是因?yàn)榍稁r中含有足夠的粗顆粒形成骨架，又有較多的細(xì)顆粒填充于骨架之中；另外，當(dāng)含石量越大時(shí)，細(xì)顆粒越小，千枚巖吸水能力降低，導(dǎo)致最佳含水率不斷減小.因此，千枚巖最佳級(jí)配是含石量70%.

2) 二次擊實(shí) 不同含石量千枚巖擊實(shí)結(jié)果見圖3，篩分試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 千枚巖(含石量70%)篩分試驗(yàn)結(jié)果

圖3 含石量-二次擊實(shí)千枚巖最大干密度關(guān)系

由圖3可知，含石量70%時(shí)，二次擊實(shí)千枚巖最大干密度最大，與第一次擊實(shí)結(jié)果相近.這說明含石量70%時(shí)，千枚巖級(jí)配良好，結(jié)構(gòu)密實(shí).

由表7計(jì)算可得，不均勻系數(shù)21.3，曲率系數(shù)1.8，級(jí)配良好.

3 水泥改良千枚巖

3.1 重型擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)破碎千枚巖進(jìn)行篩分試驗(yàn)，根據(jù)圖2和圖3確定級(jí)配組成，擬控制含石量為50%,60%,70%,80%.采用水泥對(duì)破碎后的千枚巖進(jìn)行改良，并測定其路用性能.擬水泥劑量4%,5%,6%.擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

圖4 水泥劑量-水泥改良千枚巖最大干密度關(guān)系

由圖4可知，同一含石量下，隨水泥劑量增加，水泥改良千枚巖最大干密度逐漸提高.含石量60%～70%時(shí)，擊實(shí)效果較好，干密度較大.

3.2 CBR試驗(yàn)

研究水泥改良對(duì)千枚巖CBR值影響，擬水泥劑量4%,5%和6%，含石量分別為60%和70%，擊實(shí)次數(shù)擬30,50,98次，最佳含水率下成型試件.CBR試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表8 水泥改良千枚巖CBR試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，擊實(shí)次數(shù)與含石量一定時(shí)，水泥改良千枚巖隨水泥劑量增加CBR值逐漸提高；含石量60%和70%的水泥改良千枚巖，水泥劑量每提高1%，CBR值增加26.9%,23.6%.另外，相同擊實(shí)功下，含石量60%水泥改良千枚巖大于含石量70%千枚巖，這是因?yàn)殡S含石量的升高，顆粒之間的空隙逐漸增大，水泥大多依附在粗顆粒表面，與細(xì)顆粒接觸較少，從而導(dǎo)致含石量70%千枚巖CBR小于含石量60%的千枚巖CBR.

3.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

分析水泥劑量對(duì)改良千枚巖無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，控制最佳含水率和最大干密度，采用靜壓法成型試件.試件脫模后，立即放入塑料袋內(nèi)密封好，在標(biāo)準(zhǔn)的濕度和溫度條件下養(yǎng)護(hù)7 d后，測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.擬水泥劑量4%,5%和6%，含石量分別為50%,60%和70%.試驗(yàn)結(jié)果見圖5.

圖5 水泥劑量-改良千枚巖無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖5可知，含石量不變時(shí)，水泥改良千枚巖7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥劑量的增加呈現(xiàn)遞增趨勢，水泥劑量每增加1%，含石量50%,60%和70%改良千枚巖強(qiáng)度約分別提高51.3%,31.6%,62.0%.另外，含石量60%千枚巖強(qiáng)度高于其他兩個(gè)含石量的千枚巖，這是因?yàn)楹?0%千枚巖，骨架之間空隙大，細(xì)顆粒與水泥反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)作用不完全，致使其強(qiáng)度低于含石量60%千枚巖.對(duì)此，選擇含石量60%,4%水泥劑量改良千枚巖既滿足路基填筑要求，又經(jīng)濟(jì)合理.

4 結(jié) 論

1) 千枚巖隨風(fēng)化程度加強(qiáng)其密度、強(qiáng)度及水穩(wěn)性逐漸降低，含水率、吸水率和孔隙率逐漸增加.

2) 通過對(duì)不同含石量千枚巖進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，含石量70%千枚巖時(shí)，兩次擊實(shí)得到的最大干密度最大.

3) 通過水泥改良千枚巖，擊實(shí)次數(shù)與含石量一定時(shí)，水泥改良千枚巖隨水泥劑量增加CBR值逐漸提高；含石量不變時(shí)，水泥改良千枚巖7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥劑量的增加呈現(xiàn)遞增趨勢.

4) 選擇含石量60%,4%水泥劑量改良千枚巖既滿足路基強(qiáng)度要求，又經(jīng)濟(jì)合理.