強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果評價

張寶華 王吉平 韓云飛 馬洪旭 劉 聰 李永靖* 文成章

（1、中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102601 2、遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

高速公路修建過程中，不可避免的經(jīng)過級配差、水穩(wěn)性差等劣質(zhì)填料區(qū)域[1-2]。強(qiáng)風(fēng)化云母片巖區(qū)域便極具代表性，其強(qiáng)度低、壓實(shí)困難，填筑的路基存在極大的安全隱患，嚴(yán)重影響道路的使用壽命，公路服務(wù)水平大大降低，不均勻沉降引發(fā)頻繁的交通事故，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。在保證工程質(zhì)量安全的前提下，路堤填筑充分利用現(xiàn)場巖土資源，減少遠(yuǎn)程借土，從而優(yōu)化施工成本和工期，需解決強(qiáng)風(fēng)化云母片巖的路基填筑施工困難問題。

國內(nèi)眾多學(xué)者對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖特性開展了一些深入研究。趙學(xué)忠[3]發(fā)現(xiàn)絹云母微晶片巖風(fēng)化料中還存有大量未風(fēng)化粗顆粒，驗(yàn)證了其可以作為水庫筑壩材料的可行性。魏遠(yuǎn)等[4]利用水泥改善石英云母片巖，將其用于填筑路基，但成本較高。洪巖[5]通過增加碾壓次數(shù)并嚴(yán)格控制含水率，成功利用風(fēng)化云母片巖填筑路基，但必須采用設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化云母片巖碾壓為前提。還有一些研究成果是針對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖的物理力學(xué)性質(zhì)展開的深入研究，但并未實(shí)際應(yīng)用于路基填筑工程。本文以栆潛高速公路強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑為工程背景，綜合采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場檢測及模型預(yù)測等手段，研究強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工后穩(wěn)定性，以期為強(qiáng)風(fēng)化云母片巖以及類似劣質(zhì)填料路基填筑施工提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

棗潛高速公路襄陽北段建設(shè)項(xiàng)目中，沿線分布大量強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，大量借方、取土、棄土不符合環(huán)保及地方政策要求，路塹棄方難以找到合適的棄土場，而利用強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填筑路基也面臨成型困難、無法碾壓等施工難題?；诃h(huán)境保護(hù)和節(jié)約成本的需要，對現(xiàn)有強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路堤填料進(jìn)行合理利用勢在必行。

1.1 強(qiáng)風(fēng)化云母片巖物理性質(zhì)

強(qiáng)風(fēng)化云母片巖強(qiáng)度低，手可掰碎，遇水無強(qiáng)度，壓實(shí)困難。干燥狀態(tài)下，壓路機(jī)碾壓后呈粉末狀，表面一層浮灰，現(xiàn)場強(qiáng)風(fēng)化片巖及碾壓效果如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場強(qiáng)風(fēng)化片巖及碾壓效果

經(jīng)顆粒試驗(yàn)分析結(jié)果表明，強(qiáng)風(fēng)化云母片巖粒徑超過90%集中在2mm 以下，且小于0.075mm 粒徑占比75%，級配極差。經(jīng)試驗(yàn)室檢測，強(qiáng)風(fēng)化云母片巖CBR 強(qiáng)度小于3，即便是作為路床以下路基填料仍不滿足要求。

1.2 強(qiáng)風(fēng)化云母片巖成分

對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖進(jìn)行礦物質(zhì)分析，土體中蒙脫石和白云母含量均較高，對填料的CBR 強(qiáng)度、脹縮性具有較大的影響。土的固體顆粒含有的礦物成分主要有原生礦物、次生礦物兩類，原生礦物常見的主要有石英、長石、云母，次生礦物常見的有蒙脫石、伊利石、高嶺石。其中蒙脫石顆粒細(xì)微，具有顯著的吸水膨脹、失水收縮特征，親水能力強(qiáng)，伊利石特征介于高嶺石與蒙脫石之間。白云母為層狀構(gòu)造硅酸鹽，晶體呈假六方片狀，集合體片狀或鱗片狀，云母含量高時，巖石易于劈開，降低了巖石的強(qiáng)度和耐久性。

2 路基結(jié)構(gòu)層現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)化

在施工現(xiàn)場試驗(yàn)段設(shè)計(jì)了4 種強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基結(jié)構(gòu)填筑方案，如圖2 所示。具體如下：方案一，將強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填料直接用于下路堤填筑；方案二，將強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填料進(jìn)行部分摻灰改良，路堤填筑采用“三夾一”方式（三層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖夾一層石灰改良云母片巖，每層25cm）作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行填筑；方案三，路基清表后采用50cm 開山石渣鋪底，路堤填筑采用“三夾一”方式（三層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖夾一層開山石渣，每層25cm）作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行填筑；方案四，將強(qiáng)風(fēng)化云母片巖填料進(jìn)行全斷面摻灰改良處理，分層用于路堤填筑。

圖2 路基填筑結(jié)構(gòu)方案

對比四種試驗(yàn)方案的現(xiàn)場壓實(shí)效果，如圖3 所示。方案一“直接填筑”、方案二“三夾一摻灰處治”及方案四“全斷面摻灰處治”試驗(yàn)段均存在壓路機(jī)行駛困難、輪胎車轍嚴(yán)重、填料難以壓實(shí)、石灰與云母片巖不粘結(jié)、呈松散狀等問題，均不滿足路基填筑壓實(shí)度要求。

圖3 路基填筑現(xiàn)場試驗(yàn)壓實(shí)過程

其中，方案三“三夾一開山石渣”填筑方案在試驗(yàn)過程中相對其他三種方案車轍較輕且路基穩(wěn)定性較好，說明開山石渣能夠承擔(dān)輪載集中作用，將填筑方案三進(jìn)一步優(yōu)化，在原石渣基礎(chǔ)上再補(bǔ)充一層石渣，形成“三夾二開山石渣”路基填筑形式，如圖4 所示，即：清表后填筑75cm 開山石渣封底，再填筑三層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖（3×25cm）及兩層開山石渣（2×25cm），作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行下路堤填筑?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用“三夾二開山石渣”新型路基結(jié)構(gòu)，碾壓機(jī)械可以實(shí)現(xiàn)路基的碾壓作業(yè)，壓實(shí)度及CBR 均滿足要求，但需對該新型路基結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步分析和評價。

圖4 優(yōu)化后的新型路基填筑結(jié)構(gòu)

3 石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖路基工后沉降預(yù)測

為進(jìn)一步分析石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖路基填筑的長期穩(wěn)定性，在棗潛高速公路K30+410-K30+660 標(biāo)段地基及路基土體內(nèi)預(yù)制沉降杯，開展長達(dá)半年的路基填筑試驗(yàn)，測取沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對工后沉降進(jìn)行預(yù)測分析。通過建立灰色理論GM(1,1)模型[6]，利用最小二乘原理生成等時距序列，然后再利用拉格朗日插值法生成等時距沉降值。對于自變量可以為非等時空距。設(shè)

采用GM(1,1)模型與傳統(tǒng)的泊松曲線法及GM 連續(xù)模型對石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖填筑路基及地基沉降進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖5 所示。各個預(yù)測模型在150d 后沉降值增幅減小，對比可見GM(1,1)模型和泊松比曲線值模型更為接近監(jiān)測值。監(jiān)測值達(dá)到190d 后，發(fā)現(xiàn)建立的GM(1,1)模型預(yù)測路基填筑沉降為16.50mm，與沉降監(jiān)測值16.47最為接近，相對于其他模型預(yù)測精度更高。當(dāng)路基填筑達(dá)到398d 后GM (1,1) 模型預(yù)測，沉降值基本穩(wěn)定在16.70mm，沉降趨于穩(wěn)定，表明路基土體沉降基本完成。綜上所述，石渣補(bǔ)強(qiáng)云母片巖路基工后沉降較小，滿足棗潛高速公路工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 預(yù)測結(jié)果對比

4 結(jié)論

4.1 通過級配分析、CBR 試驗(yàn)測試和化學(xué)組分分析，結(jié)果表明原狀強(qiáng)風(fēng)化云母片巖級配差、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，不能直接用于路基填筑。

4.2 經(jīng)過施工現(xiàn)場試驗(yàn)段對初步確定的4 種路堤填筑方案進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)，最終確定“三夾二開山石渣”新型路基結(jié)構(gòu)層，將其作為一個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行下路堤填筑，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填筑。

4.3 通過實(shí)際路基試驗(yàn)段監(jiān)測以及建立的灰色理論GM(1,1)模型預(yù)測表明，改良后云母片巖路基沉降符合棗潛高速控制要求。