泥巖巖性分析及泥巖路基填筑技術(shù)研究

崔 毓

(中國水電建設(shè)集團路橋工程有限公司，北京 100048)

1 工程概況

沈吉高速公路隸屬于琿烏高速公路沈陽至吉林段聯(lián)絡(luò)線，建成后將成為連接遼寧省與吉林省的交通主干道。沈吉高速公路四合同段位于遼寧省清原縣周邊地區(qū)，全長12 km，土方挖填基本平衡，利用方占全標段填方總量的92%，在挖方施工中，部分挖方地段表層覆蓋低液限粘土或強風化巖層，下部為泥粉砂巖和泥巖，泥巖由于礦物成分含量強度變化較大，干燥狀態(tài)下強度比較高，但在大氣環(huán)境影響下，巖塊可崩解成土，甚至泥化，強度明顯降低，填料性能較差。因此，選用泥巖作為路基填料容易造成路基塌陷、路面斷裂等不良狀況，高速公路施工中常將泥巖作為棄方處理，但沈吉高速公路若將挖方段的泥巖棄置不用，不僅將增加巨額工程費用，且因整個沈吉四標段地處清原縣縣城周邊，棄方征地難度極大，征地動遷部門也無力解決此問題。因此從研究泥巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)形式、碎解特征等方面，并結(jié)合路基試驗段探討泥巖路堤填筑技術(shù)、施工工藝及其質(zhì)量控制標準及檢測方法，以解決泥巖作為路用填筑材料，尋找泥質(zhì)粉砂巖、泥巖作為路基填料的實用性和可操作性，成為整個沈吉項目部路基填筑的重中之重，且將研究成果直接應(yīng)用到沈吉高速公路的路基施工中去，對降低工程造價和保證工期等均具有重要的意義。

2 泥巖力學特性及崩解試驗

2.1 巖石物理力學特性

泥巖隸屬于沉積巖的一種，礦物成分復(fù)雜，主要由粘土礦物(如水云母、高嶺石、蒙脫石等)組成，其次為碎屑礦物(石英、長石、云母等)、后生礦物(如綠簾石、綠泥石等)以及鐵錳質(zhì)和有機質(zhì)。泥巖質(zhì)地松軟，固結(jié)程度較頁巖弱，重結(jié)晶不明顯。常見類型有:鈣質(zhì)泥巖，鐵質(zhì)泥巖，硅質(zhì)泥巖。

由于泥巖普遍存在兩種典型結(jié)構(gòu)即粒狀碎屑結(jié)構(gòu)和泥狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)巖石學分類可分為碎屑巖類與粘土巖類，前者主要包括泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細砂巖、砂巖、礫巖及長石砂巖等;后者主要包括頁巖、砂質(zhì)泥巖及砂質(zhì)巖等。泥巖具有浸水崩解的性質(zhì)，即所謂的崩解特性。

泥巖的浸水崩解現(xiàn)象為一種物理風化作用。泥巖比表面積大，親水性較強，浸水時水分向巖石孔隙中運動而引起膨脹、軟化和最終破碎。泥巖的沉積構(gòu)造也將影響其崩解特性，層面和層理形成弱面，水較易沿弱面產(chǎn)生軟化帶，并被吸入到該結(jié)構(gòu)空隙形成粒間水而導致巖體膨脹。巖石中的裂隙在反復(fù)干濕過程中也為巖石的崩解提供了條件。其崩解時間隨干濕頻率及巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)的不同而不同。

確定不同情況下泥巖的崩解程度而分別采用不同的施工工法，進行對比施工，尋找適合的施工工藝及檢測方法，將是整個泥巖施工關(guān)鍵的第一步。

2.2 泥巖崩解試驗方法

沈吉四標中心試驗室依據(jù)泥巖開挖段落開挖一天后大氣中自然崩解程度的不同分別取樣，進行自然水體中的崩解試驗。

烘干后的試樣放入清水容器中，24 h后觀察試樣崩解情況。

1)少量崩解:浸水后試樣少量崩解，多發(fā)生在棱角及泥巖裂隙處。崩解出的碎樣重量占總重量的1%～9%;取樣地點在K37+980～K38+200段落。2)塊狀崩解:浸水后試樣崩解成小塊狀;取樣地點在K37+980～K38+200段落。3)粒狀崩解:浸水后試樣崩解成顆粒狀;取樣地點在AK0+560～AK0+780段落。4)渣狀崩解:浸水后試樣崩解成顆粒狀與泥狀;取樣地點在K38+680～K38+900段落。

3 泥巖填筑試驗方案

3.1 方案制定

利用泥巖填筑路基時必須解決的問題:

1)解決泥巖、泥質(zhì)砂巖遇水崩解，粒徑變小，造成路基強度降低及失穩(wěn)的現(xiàn)象;2)減少路基填料空隙率，有效限制泥巖顆粒崩解后路基沉陷發(fā)生;3)采取措施，防止雨水侵入，泥巖崩解，引起路基的下沉滑移;針對以上問題，制定了兩種施工方案，進行路基試驗段施工。

方案1:采用沖擊碾、壓路機、刮平機、推土機配合作業(yè)，對2)～4)型崩解程度泥巖進行試驗段施工，總結(jié)機械設(shè)備配合模式、壓實效果、碾壓遍數(shù)、碾壓速度及填料的松鋪厚度等數(shù)據(jù)，以指導泥巖填筑路基施工。

方案2:采用強夯設(shè)備、壓路機、刮平機、推土機配合作業(yè)，對1)，2)型崩解程度泥巖進行試驗段施工，檢測壓實效果，指導泥巖填筑路基施工。

3.2 施工工藝

3.2.1 方案1的施工工藝

1)施工準備工作:a.對開挖出泥巖進行場外灑水，預(yù)崩解處理，縮小其粒徑。并施工寬度1 m的路基粘性包邊土方，便于碾壓，同時防止水分進入路基，形成泥巖二次崩解。在包邊土內(nèi)側(cè)填筑一定寬度的泥巖，其工藝同正常路基填方施工。b.試驗段選擇沈吉四標段K34+800～K35+000段落，對試驗段進行路基沉降差測點布設(shè)，如圖1所示。

2)施工程序:①運輸堆料→②攤鋪→③測點布置→④測量原始高程h→⑤沖擊碾壓→⑥振動碾初壓→⑦測量高程h1→⑧強振振動碾壓(每2遍一循環(huán))→⑨測量高程h2→⑩數(shù)據(jù)檢測→合格進行轉(zhuǎn)序及下層施工→不合格則重復(fù)步驟⑧，⑨，⑩，其中檢測合格后高程hi－h(huán)的值用于計算松鋪系數(shù)，高程hi－h(huán)i－1的值用于檢測相對沉降量。

圖1 試驗段路基沉降差測點布設(shè)圖

a.松鋪厚度為50 cm進行試驗路段的數(shù)據(jù)收集，共填筑2層。

b.在已整平的路基基層上，設(shè)置料堆方格網(wǎng)點，本試驗段路基每層實際方量為4 000 m3，以每車運輸方量23 m3計算，共需要174車，分為174個堆料小方格，每小格平均6.5 m×6.5 m見方，以此標準進行填料的攤鋪。

c.測點布置，在填料粗平后，根據(jù)測點布置圖進行測點布置，并測量原始高程數(shù)據(jù)h。

d.碾壓:填料攤鋪完畢后，利用推土機進行路基粗平，粗平后進行路基整平初壓1遍～3遍，整平后采用沖擊碾對整個試驗段沖擊碾壓6遍～12遍，沖擊后對測點進行復(fù)位，對不清晰測點重新標示。然后用振動壓路機對試驗段進行正式振動碾壓，碾壓時應(yīng)先壓兩側(cè)后壓中間，壓實路線對于輪碾縱向相互平行，反復(fù)碾壓。行與行之間應(yīng)重疊40 cm～50 cm;前后相鄰區(qū)段應(yīng)重疊1.0 m ～1.5 m。

e.檢測:正式碾壓2遍后，測量人員進行點位的跟蹤測量，用水準儀測量初壓后的高程h1，然后振動壓路機強振碾壓2遍，測量測點高程h2，計算前后兩次沉降差h2－h(huán)1的值是否滿足沉降差規(guī)范要求，如不滿足規(guī)范要求，繼續(xù)振動碾壓，每2遍一個循環(huán)，直到前后兩次振壓后相對沉降差小于5 mm，均方差小于3 mm，表面無明顯輪跡為止，將此時碾壓次數(shù)作為該松鋪厚度的最小碾壓遍數(shù)，最后再測路基平均高程hi，計算最后碾壓遍數(shù)的松鋪系數(shù)。

f.松鋪系數(shù)按以下公式計算:

k=h/hi。

其中，k為松鋪系數(shù);h為松鋪厚度;hi為壓實厚度。計算出的松鋪系數(shù)用于指導該崩解程度的泥巖路基施工。

3.2.2 方案2的施工工藝

1)工藝原理。填料以1)，2)型崩解填料為主，并輔以少量填隙料，利用強夯夯擊能量所產(chǎn)生的動力在土中傳播，使巖石破碎成更小顆粒，土體迅速壓縮，從而使路基土形成較密實的結(jié)構(gòu)。

2)施工準備工作。對路基范圍進行包邊土施工，填料進行灑水預(yù)崩解，同時控制填料虛鋪厚度為1 m，進行測量點位布設(shè)。

3)施工程序。路基上料后進行推土機粗平，粗平后標示夯點，強夯夯點三角形布置，排列整齊，強夯施工應(yīng)間隔跳夯，單擊最后兩擊夯沉量不大于50 mm，點夯后以1 000 kN·m夯擊能滿夯，夯擊完成后以推土機整平，進行測點布置，并采用壓路機進行路基壓實施工。記錄各壓實遍數(shù)相應(yīng)的沉降量，前后兩次振壓后相對沉降差小于5 mm，均方差小于3 mm時，停止施工，進行路基檢測。

4 試驗檢測方法

4.1 相對沉降差法

相對沉降差法作為泥巖填筑的壓實度檢測的主要控制指標，由現(xiàn)場技術(shù)人員實測，當前后兩次振壓后相對沉降差小于5 mm，均方差小于3 mm時停止施工，相對沉降差法為泥巖填筑施工的主要控制手段。

4.2 固體體積率

固體體積率定義是固體體積與所測試坑體體積比值的百分率。對不同崩解程度的泥巖路基填筑均應(yīng)進行固體體積率檢測，并作為路基檢測壓實標準的輔助資料存檔。

4.3 檢測結(jié)果比較

對方案1及方案2分別進行檢測結(jié)果比較，結(jié)果如表1，表2所示。

表1 方案1固體體積率檢測(正式碾壓振壓6遍)

表2 方案2固體體積率檢測(正式碾壓振壓6遍)

由現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)顯示，采用方案1的試驗段正式碾壓4遍后，基本滿足路基壓實要求，碾壓6遍后固體體積率變化不大，現(xiàn)場以正式碾壓6遍為最終碾壓控制遍數(shù)。

由現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)顯示，采用方案2的試驗段正式碾壓6遍后，滿足路基壓實要求，現(xiàn)場控制以正式碾壓6遍為最終控制參數(shù)。

5 結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場路基試驗段施工，方案1與方案2均可以有效的解決泥巖崩解形成的路基病害，同時滿足路基壓實要求。但方案2適宜于填料粒徑大的小段落施工，方案1適宜于崩解程度大的較長段落路基填筑施工，相對而言方案1便于施工推廣。泥巖填筑試驗段的施工解決了泥巖作為路用填筑材料的實用性和可操作性，且研究成果直接應(yīng)用到沈吉高速公路中去，為沈吉高速公路泥巖填筑的大面積推廣奠定了基礎(chǔ)，同時得到了業(yè)主單位、監(jiān)理單位的一致認可，并在降低工程造價和保證工期等方面均具有很強的現(xiàn)實意義。