改良千枚巖填料壓縮特性試驗(yàn)分析

張 揚(yáng)

(莆田市生態(tài)水系建設(shè)投資管理有限公司,福建 莆田 351106)

擁有湄洲灣、平海灣及興化灣的莆田持續(xù)進(jìn)行港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，拓展其港口經(jīng)濟(jì)腹地[1]；在山區(qū)河流修建港口、道路等涉水工程時(shí)，用陸側(cè)開挖料填筑涉水側(cè)空間的措施來增加使用面積[2]。莆田某港口出露地層以千枚巖、凝灰?guī)r及粉砂質(zhì)片巖為主，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、易風(fēng)化，水穩(wěn)定性及強(qiáng)度均較低。若受山區(qū)地形狹長、優(yōu)質(zhì)填料短缺等限制，考慮部分采用軟巖開挖料作為涉水側(cè)的填方料。千枚巖等屬工程軟巖，其破碎料因不滿足填筑標(biāo)準(zhǔn)而被棄用或限制使用；為降低港口填筑源料、解決挖填土料平衡問題，需對(duì)陸側(cè)千枚巖開挖料進(jìn)行改良，查明其壓縮特性，并提出改良后土體填筑控制標(biāo)準(zhǔn)。

軟巖破碎料工程性質(zhì)及改良技術(shù)成為山區(qū)港口工程建設(shè)的研究重點(diǎn)。日本依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果提出使用沉積軟巖作為港區(qū)填筑料，但因水體及碾壓荷載控制不當(dāng)引發(fā)顆粒破碎，致使土體產(chǎn)生粉化效應(yīng)，導(dǎo)致港口營運(yùn)期間出現(xiàn)大量不均勻沉降問題[3]，這給予發(fā)展填料改良技術(shù)重要參考與警示。陳樂求等[4]探究泥巖破碎顆粒作為港口填料時(shí)提出水泥、石灰及粉煤灰3種外摻劑，認(rèn)為外摻5%水泥填料力學(xué)性質(zhì)最優(yōu)；田雯菁等[5]在評(píng)價(jià)泥質(zhì)粉砂巖填筑適用性時(shí)提出外摻20%粗砂方式進(jìn)行改良，并指出填料顆粒破碎主要發(fā)生在運(yùn)輸及施工碾壓過程；毛雪松等[6]認(rèn)為千枚巖填料強(qiáng)度及水穩(wěn)定性不足，建議控制粗粒含量的同時(shí)采用外摻水泥進(jìn)行改良；對(duì)比改良前后不同浸水量下千枚巖填筑料承載能力衰減規(guī)律，認(rèn)為累積變形與浸水量及其時(shí)間密切相關(guān)，土體施工期間應(yīng)嚴(yán)格控制含水率，營運(yùn)期間做好防水及排水設(shè)計(jì)[7]。從填料改良技術(shù)及工程適用性角度，考慮級(jí)配外摻硬巖骨料及水泥等方式均可作為改善軟巖破碎料力學(xué)性質(zhì)措施。

當(dāng)前研究大多側(cè)重于填料改良技術(shù)及浸水時(shí)效性，較少關(guān)注改良填料在施工碾壓過程加卸荷壓縮特性，而此特性卻是控制填筑質(zhì)量與評(píng)價(jià)土料強(qiáng)度變形的重要性質(zhì)。基于水泥改良技術(shù)，控制初始含水率及干密度，采用側(cè)限壓縮固結(jié)儀探討不同前期荷載加卸載作用時(shí)改良千枚巖填料壓縮特性，為山區(qū)港口陸側(cè)填料填筑施工質(zhì)量控制提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)所用千枚巖填料土取自莆田某港口陸域開挖區(qū)域，為弱風(fēng)化狀；其母巖單軸抗壓強(qiáng)度天然狀態(tài)16.8 MPa、飽和狀態(tài)6.2 MPa，軟化系數(shù)為0.37，水理性質(zhì)差；X射線衍射試驗(yàn)表明，原巖主要礦物成分為云母56%、石英40%，其軟化性質(zhì)與不同含水狀態(tài)下云母游離狀態(tài)密切相關(guān)，富水時(shí)云母容易剝離，使得母巖強(qiáng)度降低程度顯著。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定千枚巖顆粒相對(duì)密度為2.73，天然含水率為5.3%；保持小于2 mm細(xì)粒含量不變，對(duì)大于20 mm超粒徑顆粒用2～20 mm顆粒依據(jù)等量替換法作縮尺處理，縮尺前后級(jí)配見圖1；縮尺前后土體不均勻系數(shù)均大于15，曲率系數(shù)均介于1～3，為級(jí)配連續(xù)且均勻土；縮尺后土料最佳含水率為8.8%，最大干密度2.22 g/cm3。小于0.5 mm細(xì)粒組塑液限控制土體持水性質(zhì)，測(cè)定其液限19.9%、塑限17.0%、塑性指數(shù)3.8，屬低液限粉土型；因此，試驗(yàn)土體為含粉土礫。

圖1 縮尺前后土料級(jí)配曲線

改良所用水泥為P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，主要成分及其含量為SiO223%、CaO 65%及Al2O36%，初凝時(shí)間160 min，終凝時(shí)間230 min。依文獻(xiàn)[8]按質(zhì)量5%水泥作為改良外摻劑，與之適宜最佳含水率為8.3%，試樣初始?jí)簩?shí)度M為60%(即為施工攤鋪狀態(tài)，空隙比為1.05)。試驗(yàn)儀器為三聯(lián)側(cè)限高壓杠桿固結(jié)儀，采用百分表記錄軸向變形；試樣尺寸為直徑79.8 mm、高20 mm圓柱體，軸向荷載以砝碼配合杠桿方式施加。各級(jí)荷載以加載或卸載24 h后的讀數(shù)作為穩(wěn)定值[9]。

設(shè)定軸向碾壓荷載P為50、100、200、400 kPa。單向加載方式：0→50→100→200→400 kPa。循環(huán)加荷等級(jí)為100、50、25、12.5 kPa(最大卸荷量為100 kPa)；加卸載方式及過程見圖2，詳細(xì)試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

圖2 試驗(yàn)循環(huán)加荷方式

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 碾壓荷載影響

碾壓荷載P表征后續(xù)荷載所承受施工階段最大碾壓荷載，不同P作用時(shí)土體變形也不同；整理單向加載作用下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到土體總應(yīng)變?chǔ)偶皦簩?shí)度M隨碾壓荷載P變化曲線，見圖3。從圖3可知，土體ε及M均隨P增大而增加，P<200 kPa時(shí)兩曲線增幅均大于P>200 kPa。當(dāng)P從0增加至50 kPa時(shí)試樣壓實(shí)度從初始60%增至73.2%，P繼續(xù)增至200 kPa時(shí)，壓實(shí)度增加了5.6%；隨后增至400 kPa時(shí)，壓實(shí)度增加了2.9%，增幅降低。這表明改良千枚巖填料在第一遍壓實(shí)時(shí)應(yīng)合理選用某一碾壓應(yīng)力設(shè)備，可選用碾壓應(yīng)力為200 kPa。

圖3 ε及M隨Q變化曲線

2.2 循環(huán)加載孔隙比分析

從土體三相結(jié)構(gòu)可知，孔隙比e更便于工程后續(xù)沉降計(jì)算分析。因此，將不同應(yīng)力狀態(tài)下試驗(yàn)所測(cè)變形轉(zhuǎn)換為e進(jìn)行后續(xù)分析。圖4為不同循環(huán)次數(shù)下e隨軸向荷載P變化曲線。

a)Pmax=50 kPa

從圖4可知，P相同時(shí)第1次加載曲線斜率較大，e減小趨勢(shì)也最為顯著；之后加載曲線傾斜程度隨加卸荷循環(huán)次數(shù)增加逐漸降低，e隨加卸荷循環(huán)次數(shù)增多而逐漸趨于穩(wěn)定；此時(shí)荷載作用土體內(nèi)部摩擦、機(jī)械咬合等粒間作用已達(dá)平衡，受力骨架形成。卸荷曲線均呈下凹形態(tài)，這說明加卸載引起塑性變形，且彈性變形恢復(fù)存在滯后性。當(dāng)P為50 kPa時(shí)，外部荷載克服土樣內(nèi)部顆粒摩擦阻力作用不顯著，但加卸荷作用下土樣密實(shí)程度整體較低，不同加卸荷循環(huán)次數(shù)下試樣孔隙仍存在減小趨勢(shì)；當(dāng)P為100 kPa時(shí)，外部荷載稍大于顆粒摩擦與咬合作用，導(dǎo)致不同加卸荷循環(huán)次數(shù)下試樣孔隙變化規(guī)律不趨一致，加荷與卸荷曲線非線性明顯；當(dāng)P為200、400 kPa時(shí)，外部荷載顯著大于顆粒間阻力，加荷過程最大程度促使顆粒間擠密，土骨架在加卸荷循環(huán)過程能快速形成并達(dá)到穩(wěn)定，則回彈曲線近乎成直線狀。

圖4分析表明，不同P條件下土樣壓縮均主要發(fā)生在第1次加卸荷過程，且隨P增加而顯著增大；第2～5次加卸荷作用孔隙比較小，說明在P相同時(shí)多次重復(fù)加卸載對(duì)土體塑性變形影響不顯著。水泥改良千枚巖填料在松鋪后選擇壓實(shí)方法時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇噸位稍大機(jī)械以一定時(shí)速靜壓，此方式能促使填料受力骨架快速形成；隨后多次壓實(shí)以增強(qiáng)土料受力顆粒骨架剛度。此現(xiàn)象還揭示了外摻水泥改良千枚巖填料在松鋪土層碾壓過程易被壓實(shí)，且其密實(shí)程度受第一遍壓實(shí)效果影響顯著；若不改變壓實(shí)機(jī)械，采用同一噸位及碾壓模式機(jī)械進(jìn)行多次壓實(shí)時(shí)其密實(shí)程度增幅較小。

2.3 壓縮指標(biāo)分析

模量是材料抵抗外部荷載引起變形能力的度量，其量化方式與應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑相關(guān)。工程應(yīng)用中依據(jù)壓縮系數(shù)η、壓縮模量Es等指標(biāo)將土體分為高、中等及低壓縮性土，中等及低壓縮性土以η為0.1 MPa-1或Es為20 MPa為界限。根據(jù)試驗(yàn)加載方式，第1次加卸載屬松鋪狀態(tài)，壓縮指標(biāo)差異性大，不能反映其壓實(shí)后土體力學(xué)特性，因而η及Es均按第2～5次加荷段計(jì)算。卸載過程為多次逐級(jí)卸荷，回彈模量Er取大(或取小)均不能反映土體卸荷回彈變形，需分析選擇能表征土體工程特性的區(qū)段進(jìn)行量化；經(jīng)對(duì)比分析，取第2～5次各級(jí)卸荷段回彈模量Er均值作為不同P下土體Er。數(shù)據(jù)整理結(jié)果見圖6。

a)η/MPa-1

在圖6a中，P為50～100 kPa時(shí)土體η均大于0.1 MPa-1，數(shù)值上前者大于后者；這說明土體在小于100 kPa荷載下經(jīng)5遍壓實(shí)作用后仍屬中等壓縮性，但100 kPa荷載作用后壓縮指數(shù)顯著低于50 kPa；P為200 kPa時(shí)經(jīng)2～5次作用，試樣η在0.1 MPa-1附近，填料從中等壓縮性逐漸過渡至低壓縮性；P為400 kPa時(shí)土體η顯著小于0.1 MPa-1，屬低壓縮性土，此時(shí)加荷次數(shù)影響不顯著。

由圖6b可知，試樣Es與η變化規(guī)律存在相似，仍以P為200 kPa為界可將碾壓后填料劃分為中等壓縮性及低壓縮性土體；但不同加荷次數(shù)間Es隨P變化曲線近似呈平行分布，此現(xiàn)象說明在土體受荷骨架形成后，增加碾壓次數(shù)不能顯著改變顆粒間摩擦、鑲嵌及機(jī)械咬合等接觸形式，其壓縮模量趨于穩(wěn)定。

從圖6c知，不同加卸荷次數(shù)下Er隨P變化曲線呈先減小后增大趨勢(shì)，并在200 kPa時(shí)達(dá)到極值，這表明200 kPa荷載作用時(shí)土體受荷骨架在克服顆粒間阻力從而達(dá)到間隙最小的效果顯著，粒間搭接、咬合等接觸緊湊，土體因顆粒間隙調(diào)整而產(chǎn)生塑性變形增大，致使顆粒間彈性變形小，宏觀體現(xiàn)為回彈模量顯著小于其余碾壓荷載。當(dāng)P為50、100、200 kPa時(shí)Er分布較為集中，為400 kPa時(shí)相對(duì)分散，此現(xiàn)象說明當(dāng)過大荷載作用時(shí)，經(jīng)第1次作用可能引起土料局部顆粒破碎，細(xì)粒進(jìn)一步填充間隙，增大密實(shí)性，土體受力骨架得到增強(qiáng)，后續(xù)荷載作用時(shí)引起彈性變形增大，Er自然增加。

3 討論

a)水泥改良?jí)簩?shí)效應(yīng)微觀特性分析。通常土體由孔隙氣、孔隙水及土骨架三相物質(zhì)構(gòu)成。與級(jí)配、母巖性質(zhì)等[6-7]改良方式不同，土體顆粒在外摻水泥顆粒聚合作用下普遍以搭接、鑲嵌結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)度更大的受力骨架，局部水泥水化形成局部膠結(jié)物填充粒間空隙，進(jìn)一步將土顆粒以橋接形式相連，增大了顆粒間摩擦阻力[9-10]；另外，水泥顆粒團(tuán)聚作用使得小顆粒聚集成大顆粒，這一定程度上提高了小顆粒在形成受荷骨架作用，顆粒利用率增大[11-13]，其微元示意見圖7。在此微觀作用下，較小外部荷載引起土體內(nèi)部顆粒出現(xiàn)摩擦滑移、翻轉(zhuǎn)鑲嵌及棱角磨碎等位置調(diào)整頻度降低[7]，宏觀體現(xiàn)為改良千枚巖填料壓實(shí)程度較低。當(dāng)碾壓荷載增至一定量時(shí)(200 kPa)外荷載克服顆粒間阻力而引起顆粒位置調(diào)整頻度增大，加劇了顆粒骨架重構(gòu)，顆粒間隙降低[14]；此過程中土體回彈變形小，回彈模量降低，變密實(shí)后可壓縮性降低(圖6)。

圖7 水泥改良填料微元示意

b)施工碾壓工藝選擇。外添水泥改變了顆粒表面摩擦特性及粒間空隙，引起改良后土料最佳含水率及最大干密度與室內(nèi)試驗(yàn)值存在偏差[6]，這易被實(shí)際碾壓施工所忽略，建議工程填筑過程以攤鋪后首次選擇合理噸位碾壓機(jī)械靜壓1遍后調(diào)整碾壓方式或更換機(jī)械噸位再次往復(fù)碾壓，如振動(dòng)碾壓[15]。

4 結(jié)論

a)改良千枚巖填料加載曲線傾斜程度隨加卸荷循環(huán)次數(shù)增加逐漸降低，第1次最大；孔隙比隨加卸荷循環(huán)次數(shù)呈下凹形態(tài)。當(dāng)碾壓荷載100 kPa時(shí)加荷與卸荷曲線非線性顯著，200、400 kPa時(shí)回彈曲線近乎成直線狀。

b)不同碾壓荷載下土體變形均主要存在于第1次加卸荷過程，隨碾壓荷載增加而顯著增大，多次重復(fù)加卸載對(duì)累積塑性變形影響不顯著。壓實(shí)度在200 kPa時(shí)增幅達(dá)到極值。

c)碾壓荷載50、100 kPa時(shí)土體經(jīng)5遍壓實(shí)作用屬中等壓縮性，200 kPa時(shí)填料從中等壓縮性逐漸過渡至低壓縮性。不同加卸荷次數(shù)下回彈模量隨碾壓荷載變化曲線呈先減小后增大趨勢(shì)，200 kPa時(shí)取極值；這表明改良千枚巖填料在第1遍靜壓時(shí)宜選用碾壓應(yīng)力為200 kPa，后續(xù)施工可適當(dāng)提高碾壓應(yīng)力。