全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖填料性能及其改良試驗(yàn)*

胡 敏，楊果林，周胡波

(1.湖南科技大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，南省 湘潭 411201；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

隨著中國高速公路的主戰(zhàn)場(chǎng)由平原轉(zhuǎn)向山區(qū)，公路構(gòu)造物增多，對(duì)路基填料的需求量加大.山區(qū)風(fēng)化巖居多，優(yōu)質(zhì)路基填料匱乏，因此，就地取材，科學(xué)評(píng)價(jià)與合理利用風(fēng)化巖來填筑路基已成為山區(qū)高速公路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1].對(duì)風(fēng)化巖進(jìn)行全面的室內(nèi)試驗(yàn)，研究層理面、風(fēng)化程度等對(duì)其強(qiáng)度與變形的影響，對(duì)指導(dǎo)風(fēng)化巖填筑路基具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.高春玉等[2]對(duì)砂質(zhì)板巖開展三軸加卸載試驗(yàn)，研究這種具微面理砂質(zhì)板巖的變形特性、強(qiáng)度特性及破壞規(guī)律；鄢定嬡等[3]發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)板巖內(nèi)部賦存的大量定向?qū)永砣趺鎸?duì)宏觀強(qiáng)度特性和變形特征有明顯影響，表現(xiàn)出顯著的各向異性特征.路基除滿足強(qiáng)度要求外，對(duì)沉降特性、耐久性和長期水穩(wěn)性也有較高要求.這意味著填料的選擇不能僅考慮顆粒級(jí)配，還要從填料的耐久性、長期水穩(wěn)性等方面考慮[4].吳平等[5]提出砂質(zhì)板巖具有強(qiáng)崩解特性，揭露遇水后，砂質(zhì)板巖快速發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生崩解，風(fēng)化程度越高，崩解越強(qiáng)烈；銀明鋒等[6]研究了砂質(zhì)板巖非飽和豎向滲透特性，分析了土柱的干密度、初始含水率和降雨強(qiáng)度等因素對(duì)豎向入滲特性的影響，得到那了不同因素條件下土柱的豎向滲透系數(shù)、積水時(shí)間和積水量的分布特性，以及土柱吸水量和吸水能力的變化；聶志紅等[7]研究了不同荷載對(duì)砂質(zhì)板巖蠕變性能的影響，發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)板巖粗粒土填料在路基荷載作用下具有明顯的衰減蠕變特征；劉群等[8]研究了含水率對(duì)砂質(zhì)板巖蠕變性能的影響，發(fā)現(xiàn)天然、非飽和態(tài)的粗粒土達(dá)到穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較長.由于全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖遇水易軟化、崩解，水穩(wěn)性差，所以從安全角度出發(fā)，全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖通常不能滿足公路、鐵路路基等基礎(chǔ)工程的填筑要求，需要經(jīng)過化學(xué)改良[4，6，9-12].閆國棟等[12]針對(duì)不同的養(yǎng)生條件、齡期、壓實(shí)度等影響因素對(duì)風(fēng)化泥質(zhì)板巖的水泥改良與石灰改良進(jìn)行了定性對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石灰改良土泡水情況下，強(qiáng)度大大降低，而水泥改良土強(qiáng)度不受泡水時(shí)間限制，具有更好的穩(wěn)定性.但沒有給出原狀土或改良土的具體力學(xué)性能指標(biāo).李冬立等[11]采用的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，用石灰改良的全風(fēng)化泥質(zhì)板巖在未泡水時(shí)，其強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求，但水穩(wěn)性差；而用水泥改良，其強(qiáng)度隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大.陳樂求等[9]主要考慮了動(dòng)應(yīng)力幅值、圍壓、加載頻率和應(yīng)變率等因素對(duì)改良土力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)水泥改良后，泥質(zhì)板巖粗粒土的靜、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)均有顯著的提高，改良效果良好.

根據(jù)上述研究成果可知，全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖填料用于公路路基填筑時(shí)，需要同時(shí)考慮其力學(xué)特性、變形特性及水理性.由于全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖固有性質(zhì)的差異性大，隨地點(diǎn)、巖層、環(huán)境的不同而不同，因此必須全面了解全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖改良土的性能，才能確定其能否滿足高等級(jí)公路路基填料的設(shè)計(jì)要求.筆者研究了某工段風(fēng)化填料的基本特性、顆粒級(jí)配、壓實(shí)特性，最佳摻入劑及其最佳摻入量，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析土性、養(yǎng)護(hù)條件、改良劑摻入量等因素對(duì)改良土抗剪特性和水穩(wěn)性的影響，以期為今后類似工程提供參考.

1 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖原狀土性能

1.1 擊實(shí)與擊實(shí)破碎特性

全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖取自具有代表性的取土點(diǎn)，取土深度為2～5 m.表層土經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)前期勘察為種植土，但種植土層較薄(圖1).在種植土層下方則為典型的全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖填料，現(xiàn)場(chǎng)取樣在實(shí)驗(yàn)室過40 mm篩之后進(jìn)行擊實(shí).按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[13]要求，采用重型擊實(shí)，擊實(shí)筒選擇φ152大擊實(shí)筒，每層94擊,分3層擊實(shí).試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖1 取樣處地質(zhì)狀況Fig.1 Geological Map of the Sampling Site

圖2 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖擊實(shí)曲線Fig.2 Full-Strong Weathered Sandy Slate Compaction Curve

從擊實(shí)結(jié)果看，全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖最優(yōu)含水率為12%，最大干密度為1.996 g/cm3.全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖含水率的變化較小.從工程施工的角度來說，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，含水率在最優(yōu)附近變化時(shí)對(duì)干密度的影響較小，即便于施工.

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上看，在擊實(shí)過程中全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖有一定的破碎現(xiàn)象，這在路基施工機(jī)具碾壓時(shí)，可能出現(xiàn)表層已碾碎而下層仍有較大顆粒風(fēng)化軟巖的情況，從而影響路基上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及工程的質(zhì)量.

1.2 液塑性指標(biāo)

檢測(cè)結(jié)果表明，全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖的液限為23.6%～27.1%，塑限為16.8%～20.1%，塑性指數(shù)主要范圍為6.7%～8.3%，屬于低液限粉土.

1.3 天然級(jí)配組成

圖3 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖原狀土級(jí)配曲線Fig.3 Gradation Curve of the Original Soil of the Full-Strong Weathered Sandy Slate

全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖級(jí)配曲線如圖3所示.由原狀土級(jí)配曲線可得:全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖過40 mm篩后的級(jí)配情況良好，不均勻系數(shù)Cu為160，曲率系數(shù)Cc為2.5，位于合理區(qū)間1～3范圍內(nèi).

1.4 未改良土的壓實(shí)特性與抗剪強(qiáng)度

全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖遇水具有較強(qiáng)崩解性，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果壓實(shí)度為92%，最優(yōu)含水率試樣CBR<6%.根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[14]所確定的路基填料適用范圍和條件、高等級(jí)公路對(duì)填料的基本要求(CBR>6%),全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖樣土不能用做高等級(jí)公路路基填料.考慮到大量的棄土問題，大部分取土點(diǎn)的土樣必須經(jīng)改良處理之后才能使用.

在填料改良前筆者對(duì)原狀土進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)采用四軸聯(lián)剪儀(圖4)進(jìn)行直剪測(cè)定，得全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖抗剪強(qiáng)度正、剪應(yīng)力關(guān)系曲線(圖5).由圖5可以計(jì)算出原狀土強(qiáng)度，其中粘聚力c為69.47 kPa，內(nèi)摩擦角φ為40.7°.

圖4 四軸聯(lián)剪儀Fig.4 Four-Axis Shear

圖5 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖抗剪強(qiáng)度Fig.5 Shear Strength of Full-Strong Weathered Sandy Slate

2 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖改良性能

2.1 改良劑的基本指標(biāo)

為提高原狀土填料的路用性能，保障填筑路基的安全穩(wěn)定，筆者采用水泥作為改良劑，研究水泥改良全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖土的基本性能，同時(shí)分析了改良土的液塑限變化、養(yǎng)護(hù)條件和改良劑摻入量對(duì)改良土抗剪強(qiáng)度的影響.研究表明，細(xì)粒土水泥改良時(shí)，在其他條件基本相同的情況下，初凝時(shí)間越遲越好，終凝時(shí)間越長越好.無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[15]規(guī)定，礦渣硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥初凝時(shí)間不得早于45 min，終凝時(shí)間不得遲于10 h.參考市場(chǎng)情況，筆者選擇某品牌普通硅酸鹽水泥作為改良劑，水泥的主要性能指標(biāo)見表1.

表1 普通硅酸鹽水泥主要性能指標(biāo)Table 1 Main Performance Indicators of 32.5 Ordinary Portland Cement

選用低強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥既可以節(jié)約工程造價(jià)，又滿足改良土施工對(duì)水泥初凝時(shí)間較長的要求，有利于在同等性能及造價(jià)基礎(chǔ)上增加摻合料比例，提高施工質(zhì)量，減小施工難度.

2.2 化學(xué)改良土基本物理力學(xué)性能

筆者對(duì)全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖化學(xué)改良土的基本物理力學(xué)特性也進(jìn)行了研究.全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖原狀土及各摻量改良土的液塑限指標(biāo)如表2所示.

表2 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖各摻量水泥改良土液塑限Table 2 Full-Strong Weathered Sandy Slate with Various Amounts of Cement to Improve Soil Liquid Plastic Limit

2.3 各因素對(duì)水泥改良土強(qiáng)度的影響

2.3.1 養(yǎng)護(hù)條件的影響 水泥改良土的制樣過程見圖6.經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)探索，筆者提出了適合的水泥改良土養(yǎng)護(hù)方法.因?yàn)樗嘤谐跄男?yīng)，所以配土后應(yīng)及時(shí)擊樣、養(yǎng)護(hù).具體步驟如下：預(yù)先配好所需含水率的原狀土(根據(jù)試驗(yàn)的具體要求而定)—悶料12 h后拌入所需比例改良劑(水泥)—立即按要求的壓實(shí)度擊樣—置于保濕缸中養(yǎng)護(hù)—達(dá)到齡期后取出進(jìn)行試驗(yàn).值得注意的是，若將散土摻入水泥后，悶料時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致原狀土失水嚴(yán)重，從而無法擊樣.

圖6 水泥改良土的制樣過程Fig.6 Sample Preparation Process of Cement Improved Soil

土樣都置于保濕缸中養(yǎng)護(hù).考慮養(yǎng)護(hù)過程是否側(cè)限，故采用環(huán)刀來限制土樣的側(cè)向移動(dòng).為了研究有無側(cè)限對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，筆者以平行試驗(yàn)得不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖水泥改良土強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～8所示.經(jīng)計(jì)算，得到全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖水泥改良土有無環(huán)刀養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度，結(jié)果列于表3.

圖7 砂質(zhì)板巖有環(huán)刀養(yǎng)護(hù)改良土抗剪強(qiáng)度Fig.7 Sand Slate with Ring Cutter to Improve the Shear Strength of Soil

圖8 砂質(zhì)板巖無環(huán)刀養(yǎng)護(hù)改良土抗剪強(qiáng)度Fig.8 Sand Slate without Ring Cutter to Improve Soil Shear Strength

表3 全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖水泥改良土環(huán)刀養(yǎng)護(hù)c，φ值Table 3 c, φ Value of Full-Strong Weathered Sandy Slate Cement Improved Soil with and without Ring Cutter Curing

圖9 砂質(zhì)板巖不同水泥摻量剪切強(qiáng)度Fig.9 Shear Strength of Sand Slate with Different Cement Content

由不同養(yǎng)護(hù)條件下的粘聚力和內(nèi)摩擦角的結(jié)果可知：無環(huán)刀的養(yǎng)護(hù)條件下，粘聚力普遍都減小了；在側(cè)限條件下，約束了土樣的橫向變形，使土樣有效保持了擊樣時(shí)的狀態(tài)，從而其粘聚力大于無側(cè)限的情況.由于制樣量大的原因，課題組統(tǒng)一采用了無環(huán)刀養(yǎng)護(hù)的方法.

2.3.2 摻入量的影響 不同摻入量與砂質(zhì)巖板剪切強(qiáng)度的影響關(guān)系如圖9所示.由圖9可知：全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖水泥改良土的強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而增加，呈近似線性關(guān)系；但隨著水泥摻量的增加，水泥改良土強(qiáng)度的增長呈下降趨勢(shì)，也就是所謂的“水泥效應(yīng)”漸趨降低.

利用圖9計(jì)算砂質(zhì)板巖原狀土在不同水泥摻量條件下的強(qiáng)度，結(jié)果列于表4.

表4 砂質(zhì)板巖不同水泥摻量條件下的c，φ值Table 4 c and φ Values of Sandy Slate with Different Cement Content

由表4可知，全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖水泥改良土的強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增加而增大，但當(dāng)水泥摻量達(dá)到某一值后，隨著水泥摻入量的增加強(qiáng)度反而減小.水泥最佳摻入量為6%，此時(shí)強(qiáng)度最大.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)水泥的含量較低時(shí)，水泥主要起穩(wěn)定作用，會(huì)使土的塑性、膨脹性降低，初步具有水穩(wěn)定性，密實(shí)度和強(qiáng)度增加,穩(wěn)定性均提高；但水泥含量超過一定量以后，過多的水泥沉積在土孔隙中不參加反應(yīng),從而導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低.

3 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，獲得了全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖原狀土的擊實(shí)曲線、液塑限值、級(jí)配曲線等基本參數(shù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化填料雖然天然級(jí)配良好，但是大粒徑的風(fēng)化巖在機(jī)具的碾壓或沖擊下易破碎，其CBR<6；所以從路基工程質(zhì)量的角度考慮，不宜直接作為路基填料，應(yīng)考慮改良，且主要針對(duì)其強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行改良.

(2)將通過直剪試驗(yàn)曲線計(jì)算得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角作為土樣強(qiáng)度的判定值，發(fā)現(xiàn)全-強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖改良土的液塑限值隨水泥摻量的增加而增大，但其差值塑性指數(shù)卻逐漸減小，說明摻灰量越高改良土塑性性能越差.

(3)通過控制變量的方法，探究了水泥摻量和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)改良土強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明：水泥摻量在6%時(shí)改良土的強(qiáng)度最大，改良效果最優(yōu)，其粘聚力c為222.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ為51.8°；限制側(cè)向移動(dòng)養(yǎng)護(hù)效果較無側(cè)限養(yǎng)護(hù)好，且主要提高了試驗(yàn)的粘聚力; 在6%的最優(yōu)水泥摻量條件下，有無側(cè)限的抗剪強(qiáng)度相差最小； 在4%和8%水泥摻量條件下，有側(cè)限試樣強(qiáng)度較無側(cè)限試驗(yàn)提升30%.