千枚狀板巖CBR特征及影響因素分析

但漢成，李 亮，胡 萍，趙煉恒

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長沙 410075）

千枚狀板巖CBR特征及影響因素分析

但漢成，李 亮，胡 萍，趙煉恒

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長沙 410075）

路基填料的承載比（CBR值）是土體抗局部剪切力（潛在強(qiáng)度）的反映，是評價(jià)其路用性能的重要指標(biāo)。為了研究千枚狀板巖CBR值的特征和影響CBR值的主要因素，結(jié)合武廣客運(yùn)專線的工程實(shí)際，對沿線的千枚狀板巖進(jìn)行了室內(nèi)CBR值試驗(yàn)。從顆粒組成、礦物成分以及泡水時(shí)間、最大顆粒粒徑和擊實(shí)次數(shù)幾方面研究了其對填料CBR值的影響，并對影響因素采用無重復(fù)雙因素方差分析方法進(jìn)行了顯著性分析。結(jié)果表明：影響CBR值的主要因素是填料中的顆粒礦物組成和泡水時(shí)間與擊實(shí)次數(shù)，顆粒大小影響不是很大。在此需要強(qiáng)調(diào)的是風(fēng)化軟巖不能直接用于浸水地區(qū)路基的填筑，必須對填料進(jìn)一步改良，同時(shí)加強(qiáng)路基、路面的防護(hù)與排水措施。

加州承載比；千枚狀板巖；方差分析；風(fēng)化軟巖；顯著性；擊實(shí)

CBR值是反映在進(jìn)行貫入試驗(yàn)之后，試件中部分土體與整體之間產(chǎn)生相對位移（即剪切）時(shí)，在滑動(dòng)面（即剪切面）上所產(chǎn)生的抗剪切力特性的表征，是土壤抗局部剪切力強(qiáng)度（潛在強(qiáng)度）的反映。其值反映到公路路基上，則是指路基的抗局部剪切力的能力［1］。武廣客運(yùn)專線沿線的第一系至白堊系下統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、含礫砂巖、泥質(zhì)板巖、千枚狀板巖等全風(fēng)化-弱風(fēng)化軟巖棄碴，多為軟巖或極軟巖，抗風(fēng)化能力、抗水性以及抗變形能力均較差，其風(fēng)化后強(qiáng)度急劇降低，為了將這些軟巖用于路基的填筑，對于其工程特性的研究的意義十分重大。日本20世紀(jì)60年代就開始對軟巖填筑路基的可行性開展了一定的試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐，而國內(nèi)的鐵路、公路一般都采用硬質(zhì)填料，比較少采用軟巖作為路基填料［2］。軟巖穩(wěn)定性差，在地表水和地下水的作用下其強(qiáng)度迅速減弱，若作為高速鐵路路堤的填料，則有必要研究其在高速列車等循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力、變形、強(qiáng)度指標(biāo)和水穩(wěn)定性問題，但諸如此類問題的研究工作，目前國內(nèi)開展得較少［3～6］。CBR試驗(yàn)將探頭貫入土中的過程和道碴在列車荷載作用下擠陷入基床表面的現(xiàn)象極為相似，所以將CBR試驗(yàn)應(yīng)用于鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量管理也是比較合理的［2，7］。本文結(jié)合武廣客運(yùn)專線的工程實(shí)際，對沿線的千枚狀板巖進(jìn)行室內(nèi)CBR值試驗(yàn)，從顆粒組成、礦物成分以及泡水時(shí)間、最大顆粒粒徑和擊實(shí)次數(shù)幾方面來研究其影響因素對填料CBR值的影響，為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 千枚狀板巖的基本特征

試驗(yàn)所用千枚狀板巖取自武廣客運(yùn)專線某段，顆粒分析結(jié)果見表1。

表1 千枚狀板巖強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化體混合料的自然土粒組成Table 1 Particle composite of strongly weathered and entirely weathered compound materials of phyllitic slate

板巖的SiO2，Al2O3和Fe2O3三種氧化物之和為91.24%。經(jīng)X-射線的衍射分析，這種軟巖不含蒙脫石等強(qiáng)親水性巖土，屬非膨脹土，但易風(fēng)化和浸水易軟化礦物含量高，且千枚狀板巖還含有高嶺石，而這些礦物成分都對軟巖的性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。室內(nèi)試驗(yàn)測定了板巖天然含水量、天然密度、相對密度、干密度、孔隙比、孔隙率和飽和度，液限和塑限，測試結(jié)果見表2。

2 CBR值的影響因素分析

根據(jù)土力學(xué)原理，由土壤形成的“土體”在貫入試驗(yàn)中所反映的強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是它的局部抗剪切強(qiáng)度，可以采用庫倫定律表示為τ＝σtanφ+c。式中：τ為抗剪切強(qiáng)度；σ為剪切面上法向壓力；tanφ為摩擦系數(shù)；c為土壤的內(nèi)聚力。其中，內(nèi)聚力實(shí)際上是土壤之間的連接力，是阻止土壤顆粒發(fā)生相對移動(dòng)的主要力。當(dāng)剪力超過內(nèi)聚力后，內(nèi)摩擦力將開始起阻止作用；當(dāng)剪力超過兩者之和時(shí)，土體就發(fā)生破壞。在外荷載和自重的作用下，路基內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力和相應(yīng)的變形，當(dāng)作用在路基上的荷載超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。因此，可以對土樣進(jìn)行貫入試驗(yàn)得到CBR值，以此評價(jià)路基土體的抗剪強(qiáng)度，從而間接得到路基土的局部抗剪強(qiáng)度［8］。土體的剪切阻力（剪切強(qiáng)度）取決于許多因素，即剪切阻力＝f（e，φ，C，σ′，c′，H，T，ε，dε，S），其中：e為孔隙比；φ為內(nèi)摩擦角；C為土的礦物成分；σ′為有效正應(yīng)力；c′為內(nèi)聚力；H為應(yīng)力歷史；T為溫度；ε為應(yīng)變；dε為應(yīng)變速率；S為土的顆粒組成。

3 擊實(shí)試件的室內(nèi)CBR值

室內(nèi)CBR試驗(yàn)按《鐵路工程土工試驗(yàn)方法》（TBJ102-96）［9］和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50123-1999）［10］中規(guī)定的方法進(jìn)行，按擊實(shí)試驗(yàn)重型Ⅱ法Ⅱ-2制備試件。研究擊實(shí)功、最大顆粒粒徑及不同泡水時(shí)間對試件CBR試驗(yàn)的影響。試樣最大粒徑有38 mm和20 mm兩種，擊數(shù)按30，50及98三種進(jìn)行試驗(yàn)，按飽水時(shí)間不同，試件分4組進(jìn)行，第一組試件飽水24 h，第二組飽水96 h（4 d），第三組飽水168 h（7 d），第四組飽水240 h（10 d）。每次CBR試驗(yàn)進(jìn)行CBR值、浸水膨脹量、吸水量、干密度的測試，其中浸水膨脹量大小可反映試件的膨脹性能。表3、表4給出了千枚狀板巖強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化混合料試樣試件不同泡水時(shí)間的CBR值試驗(yàn)結(jié)果。圖1給出了千枚狀板巖擊實(shí)試件泡水4 d單位壓力與貫入度關(guān)系曲線。

圖1 千枚狀板巖擊實(shí)試件泡水4 d單位壓力與貫入度關(guān)系Fig.1 Relationship between unit-pressure and penetration obtained from the phyllitic slate sample with different compaction times and immersion 4 days

表2 巖樣天然狀態(tài)下的三相比例指標(biāo)Table 2 Three-phase proportion indexes of the phyllitic slate in natural state

表3 千枚狀板巖強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化混合料試件CBR的試驗(yàn)結(jié)果（粒徑＜38 mm）Table 3 Test results of CBR-values of strongly weathered and entirely weathered compound materials of phyllitic slate with particle size＜38 mm

表4 千枚狀板巖強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化混合料試件CBR的試驗(yàn)結(jié)果（粒徑＜20 mm）Table 4 Test results of CBR-values of strongly weathered and entirely weathered compound materials of phyllitic slate with particle size＜20 mm

4 CBR影響因素分析

4.1 顆粒及礦物組成的影響

大量試驗(yàn)研究表明，土體的顆粒性質(zhì)（粒徑大?。┡c黏聚力、內(nèi)摩擦力的關(guān)系密切。土顆粒粒徑愈大，內(nèi)摩擦力愈大而黏聚力愈?。煌令w粒粒徑越小，土壤黏性愈強(qiáng)，黏聚力愈大而內(nèi)摩擦力愈小。風(fēng)化軟巖的主要黏土礦物為高嶺石、蒙脫石和伊利石。這些礦物成分的含量不同，導(dǎo)致風(fēng)化物不同的工程特性，尤其是其中的黏粒礦物對風(fēng)化物的性質(zhì)影響較大。其中高嶺石相鄰晶胞之間具有較強(qiáng)的氫鍵連結(jié)，結(jié)合牢固，水分子不能自由滲入，形成較粗的孤粒，比表面積小，親水性弱，壓縮性較低，抗剪強(qiáng)度較大；蒙脫石相鄰晶胞間距離較大，連結(jié)較弱，水分子易滲入，形成較細(xì)的黏粒，比表面積較大，親水性較強(qiáng)，膨脹性顯著，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低；伊利石的工程地質(zhì)性質(zhì)則居于兩者之間［7］。元古板溪群及冷家溪群風(fēng)化千枚狀板巖屬極軟巖，pH值≈6.8，呈弱酸性?；瘜W(xué)組成見表5。

表5 千枚狀板巖的礦物成分Table 5 Mineral component of phyllitic slate

而且從表1分析，大于2 mm的顆粒粒徑超過50%，從其顆粒大小看，屬于粗粒土。其粗顆粒多由易風(fēng)化、質(zhì)軟且遇水易軟化的軟質(zhì)巖塊組成，雖粗顆粒含量較大，但不能將千枚狀板巖碎碴劃入粗粒土類，因?yàn)樗且环N性能不穩(wěn)定的巖土材料，它是屬于巨粒土或粗粒土目前還沒有定論，實(shí)際上它可定名為含黏性土的軟質(zhì)巖塊。

根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)研究結(jié)果及碾壓施工的工程經(jīng)驗(yàn)，千枚狀板巖擊實(shí)時(shí)的破碎率在35%～75%左右，且含水量對擊實(shí)后的破碎率影響較大。

由于黏土礦物的總量對土體性狀的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土中所含黏土礦物相對數(shù)量的影響［1］，由此，可以判斷含黏土礦物含量越高，CBR值就越小，文獻(xiàn)［7］中泥質(zhì)板巖的CBR值大于千枚狀板巖的CBR值，實(shí)際上顆粒及礦物的組成是決定了軟巖性質(zhì)的，其影響是最主要的［1］。

4.2 泡水時(shí)間的影響

當(dāng)浸水后的試樣發(fā)生剪切移動(dòng)時(shí)，并不是土體顆粒之間發(fā)生摩擦作用，而是通過周圍的水層相互摩擦。由于水層具有潤滑作用，因此水層越厚摩擦力就越小，也就是說吸水量越多摩擦力就越小。由圖1可知，隨著單位壓力的增加貫入量是增加的，在某一壓力下土體發(fā)生剪切破壞。98擊試樣的破壞壓力要大于50擊和30擊的破壞壓力，這也說明了通過提高擊實(shí)次數(shù)可以提高CBR值，CBR值是隨擊實(shí)次數(shù)的增加而增加的。

從圖2可知，CBR值隨著泡水時(shí)間的增長而減小。整體上，擊實(shí)98次的試樣的泡水整體CBR值要大于50次和30次擊實(shí)的試樣。

圖2 泡水時(shí)間與CBR值的關(guān)系Fig.2 Relationship between immersion time and CBR-value

4.3 最大粒徑的影響

對于千枚狀板巖這類強(qiáng)度低易風(fēng)化的軟巖中，由于細(xì)粒含量較多，粗粒不能形成骨架，粒間細(xì)粒能充分填塞，孔隙率小，咬合作用微弱。由圖3可知，土顆粒的最大粒徑對CBR值的影響不大。但是從圖中還是能得出，土粒徑越大，CBR值也越大。不同土料，其最大粒徑是不同的，粒徑越大則浸水對其影響越小，即對浸水越不敏感，相應(yīng)的CBR下降值就越小。當(dāng)難以通過增大夯實(shí)功來提高路基的填筑強(qiáng)度時(shí)，可通過增加粗顆粒的含量，實(shí)現(xiàn)路基CBR值和強(qiáng)度的提高。

圖3 最大粒徑值與CBR值的關(guān)系Fig.3 Relationship between max particle size and CBR-value

4.4 擊實(shí)次數(shù)的影響

隨著試件擊數(shù)的增加，CBR值相應(yīng)增大。最大顆粒粒徑從38 mm減小到20 mm，CBR值平均減小5%左右，最大減小20%。CBR值隨泡水時(shí)間的延長而減小，如最大顆粒粒徑為38 mm、擊數(shù)98擊時(shí)其值分別減小13%，25%，32%。最大顆粒粒徑為38 mm，擊數(shù)從30擊增加到50擊時(shí)，不同泡水時(shí)間試件CBR值增加42%～104%；擊數(shù)從50擊增加到98擊時(shí)，不同泡水時(shí)間試件CBR值增加13%～28%。因此，CBR值隨擊實(shí)次數(shù)增加而增加，但當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量后，擊實(shí)次數(shù)對CBR的影響將越來越小即隨著擊數(shù)的增加，CBR值增幅在減小。圖4為擊實(shí)次數(shù)與CBR值的關(guān)系。

圖4 擊實(shí)次數(shù)與CBR值的關(guān)系Fig.4 Relationship between compaction times and CBR-value

4.5 綜合分析

綜合來看：千枚狀板巖強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化混合料擊實(shí)試件室內(nèi)CBR值隨顆粒粒徑的減小而有所減小，CBR值隨泡水時(shí)間的延長而減小，擊實(shí)試件的顆粒粒徑大小和泡水時(shí)間的長短對浸水膨脹量測試值的影響不是很明顯。浸水膨脹量隨擊數(shù)的增加而有所增大，粒徑小于38mm，擊數(shù)分別為30，50和98的擊實(shí)試件，泡水4 d，它的浸水膨脹量分別為0.54%，0.59%，0.65%；擊數(shù)98顆粒粒徑小于38 mm的擊實(shí)試件，它泡水1 d，4 d，7 d和10 d時(shí)，其膨脹量的平均值分別為0.64%，0.65%，0.72%和0.76%，總的來看千枚狀板巖擊實(shí)試件浸水膨脹量較小，變化也不大，這說明它屬于低膨脹性巖土。但當(dāng)浸水時(shí)間較長時(shí)，在外表面產(chǎn)生較明顯的淤泥。

5 影響因素的顯著性分析

本文采用雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)方差分析［11］對上述影響因素進(jìn)行分析。表6是以粒徑＜20 mm的千枚狀板巖為例的影響因素值，表7是以粒徑＜38 mm的千枚狀板巖為例的影響因素值和分析結(jié)果，無重復(fù)雙因素方差分析結(jié)果見表8。

由方差分析結(jié)果可知，泡水時(shí)間和壓實(shí)度的方差分析F值均大于F-crit值，而且該F值對應(yīng)的顯著性水平幾乎為0，所以這2個(gè)因素對CBR值有極顯著的影響，且擊實(shí)次數(shù)較泡水時(shí)間更為顯著；而粒徑對CBR值的影響相對于泡水時(shí)間和壓實(shí)度而言較小。

表6 粒徑＜20 mm千枚狀板巖影響因素值Table 6 Influence factor values of phyllitic slate with particle size＜20 mm

表7 粒徑＜38 mm千枚狀板巖影響因素值Table 7 Influence factors values of phyllitic slate with particle size＜38 mm

表8 無重復(fù)雙因素方差分析結(jié)果綜合表Table 8 Variance analytic results of nonrepeative double factors

在實(shí)際工程中，應(yīng)該控制路基的壓實(shí)度，然后根據(jù)所在地區(qū)的水文特性和路面承受荷載的實(shí)際情況來確定浸水時(shí)間和CBR的允許值，以達(dá)到最佳的效果。

6 結(jié) 語

結(jié)合武廣客運(yùn)專線的工程實(shí)際，對沿線的千枚狀板巖進(jìn)行了室內(nèi)CBR值試驗(yàn)。從顆粒組成、礦物成分以及泡水時(shí)間、最大顆粒粒徑和擊實(shí)次數(shù)幾方面研究了其對填料CBR值的影響，并對影響因素進(jìn)行了顯著性分析，得出了結(jié)論：影響CBR值的主要因素是填料中的顆粒礦物組成，與泡水時(shí)間、擊實(shí)次數(shù)、顆粒大小影響不是很大。它的強(qiáng)風(fēng)化及全風(fēng)化混合料的CBR值能滿足《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對CBR值的要求。

CBR值隨泡水時(shí)間的延長而降低。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對路基填料的要求，在南方多雨地區(qū)，這些風(fēng)化軟巖棄碴不宜直接填筑路基。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須通過填料改良，以提高它們的抗軟化能力，抵御雨水的浸蝕，同時(shí)加強(qiáng)坡面防護(hù)及基面排水措施。需要強(qiáng)調(diào)的是填料不能直接用于浸水地區(qū)路堤的填筑。

［1］ 楊廣慶，高民歡，張新宇.高速公路路基填料承載比影響因素研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（1）：97-100.

［2］ 楊廣慶，劉樹山，劉田明.高速鐵路設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［3］ 鄧學(xué)鈞.路基路面工程［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］ 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［5］ 鐘輝虹，黃茂松，吳世明，等.循環(huán)荷載作用下軟黏土變形特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（5）：629-632.

［6］ 葉國靜.路面永久變形的實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1987，9（1）：113-116.

［7］ 王雪紅，王永和，卿啟湘.板巖路基填料CBR特征及影響因素分析［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，21（2）：100-103.

［8］ 陳柏年，朱鳳艷，韓勤.CBR試驗(yàn)內(nèi)在機(jī)理研究及影響因素的分析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2001，（1）：28-30.

［9］ GB／T50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［10］TBJ102-96，鐵路工程土工試驗(yàn)方法［S］.

［11］劉達(dá)民，程 巖.應(yīng)用統(tǒng)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

（編輯：周曉雁）

Analysis for Influence Factors and CBR Characteristics of Phyllitic Slate

DAN Han-cheng，LILiang，HU Ping，ZHAO Lian-heng
（School of Civil Engineering and Architecture，Central South University，Changsha 410075，China）

The California bearing ratio（CBR）reflects the potential strength of subgradematerial and is an important index to evaluate its performance in expressway.In order to study themain influence factors of the CBR value and CBR characteristics of phyllitic slate，the CBR tests of the subgrade withmaterials ofweathered softrock from theWu-Guang Railroad Passenger Dedicated Line were done.On the basis of the result of tests，the influence factors of CBR of the subgradematerialswere studied，such asmineral component，immersion time，maximal particle size and striking times，and then a prominent property analysis wasmade with a method of nonrepeative double factor variance analysis，and useful conclusionswere obtained that themain influence factors of CBR of the subgradewithmaterials of phyllitic slate are the type and content ofmineral component，immersion time and striking times，and the influence of particle sizewas not very important.It isworthily emphasized that，theseweathered soft rock can notbe directly used as fillingmaterial in the immersion area and rainy region，thematerialmust be further improved，and some measures，such as the protection of road slope and drainage of foundation face，must be adopted.

CBR；phyllitic slate；variance analysis；weathered soft rock；prominent property；compaction

TU441.4

A

1001-5485（2009）08-0041-05

2008-8-26；

2008-11-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50408020）

但漢成（1983-），男，湖北潛江人，博士研究生，從事路基、路面工程研究，（電話）0731-2659893（電子信箱）danhancheng＠163.com。