炭質(zhì)頁巖填料路用性能與高填路堤穩(wěn)定性研究

常 洲，張留俊，2，徐合清

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064；2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

1 概述

炭質(zhì)頁巖是指泥盆系中軟弱灰?guī)r、砂巖、泥巖和頁巖互層等沉積類巖石構(gòu)成的地質(zhì)體，因沉積巖中富含碳而成灰黑色，在我國廣西、云南、貴州等地區(qū)分布廣泛。在我國高速公路向西部山區(qū)快速發(fā)展過程中，路塹和隧道開挖的炭質(zhì)頁巖如果棄之不用，不僅會占用大量土地,還會污染環(huán)境、增加建設(shè)成本，而且大量的炭質(zhì)頁巖棄渣在暴雨季節(jié)會引發(fā)泥石流和崩塌等自然災(zāi)害，因此將開挖的炭質(zhì)頁巖利用起來作為路基填料成為必然趨勢。張靜波[1]以貴州地區(qū)炭質(zhì)頁巖填料為對象，開展室內(nèi)不同干濕循環(huán)條件下炭質(zhì)頁巖填料的CBR和回彈模量特征試驗，表明炭質(zhì)頁巖的長期穩(wěn)定CBR值滿足下路堤填筑要求；曾玲[2-5]等對炭質(zhì)頁巖的崩解特性做了室內(nèi)外試驗，引入分形維數(shù)表征炭質(zhì)頁巖崩解過程中的顆粒變化情況，認(rèn)為炭質(zhì)頁巖崩解穩(wěn)定后顆粒變化亦趨于穩(wěn)定，并采用三軸CT設(shè)備，對預(yù)崩解的炭質(zhì)頁巖進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析，從細(xì)觀角度研究了炭質(zhì)頁巖變形破壞機(jī)理，認(rèn)為炭質(zhì)頁巖細(xì)觀損傷演化是非線性的累計增長過程，并針對炭質(zhì)頁巖損傷規(guī)律，結(jié)合非飽和抗剪強(qiáng)度理論，分析了降雨條件下炭質(zhì)頁巖作為路堤填料的穩(wěn)定性。付宏淵[6-8]等結(jié)合飽和-非飽和滲流與穩(wěn)定性分析基本理論，提出了降雨條件下多種因素變化情況下的路堤動態(tài)穩(wěn)定性分析方法，并在降雨入滲與坡前水位升降情況下對炭質(zhì)頁巖路堤穩(wěn)定性進(jìn)行了驗證，證明了動態(tài)計算方法的可行性。

現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，大多學(xué)者致力于研究炭質(zhì)頁巖的崩解特性與微觀破壞機(jī)理，或?qū)涤耆霛B條件下炭質(zhì)頁巖路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析。炭質(zhì)頁巖作為路基填料與一般路基填料不同，其顆粒尺寸隨碾壓遍數(shù)、風(fēng)化時長、內(nèi)部含水率的變化而發(fā)生改變，施工前后級配變化較大。在我國修建高速公路過程中受建設(shè)周期的影響，開展具有不同粗粒料含量的炭質(zhì)頁巖填料路用性能研究、確定利于填筑的粒徑范圍，并考慮炭質(zhì)頁巖作為高路堤填料需采用的合理路堤結(jié)構(gòu)形式，具有非常重要的工程意義。

通過分析炭質(zhì)頁巖基本物理性質(zhì)和其耐崩解特性，結(jié)合不同粗粒料含量的擊實試驗、CBR試驗，初步確定炭質(zhì)頁巖填料的路用性能可行性和利于填料填筑的粒徑范圍。引入分形維數(shù)分析采用不同壓實方法后的炭質(zhì)頁巖填料的分?jǐn)?shù)維，并與崩解穩(wěn)定后的分形維數(shù)相對比，初步判斷壓實之后填料顆粒的水穩(wěn)定性情況，建立炭質(zhì)頁巖填料作用于路堤填料的分?jǐn)?shù)維指標(biāo)；對炭質(zhì)頁巖用作高填路堤填料需采用的路堤結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行穩(wěn)定性評價，確定合理的路堤結(jié)構(gòu)，以指導(dǎo)炭質(zhì)頁巖路堤施工。

2 工程概況

云南墨臨高速公路地處云南省西南部，路線起于墨江縣碧溪鎮(zhèn)，止于臨滄市臨翔區(qū)，是云南省“9210”干線公路骨架網(wǎng)的組成部分。選取炭質(zhì)頁巖高填路堤地段位于鎮(zhèn)沅縣大柳樹村附近，為亞熱帶季風(fēng)區(qū)，受季風(fēng)氣候影響，降水量充沛，但年內(nèi)分配不均，干濕季界線分明；地形地貌復(fù)雜，山高谷深，氣候垂直變化突出，水平變化甚微，具有典型的“立體氣候”特點。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪與鉆探揭露，路基基底的地層由上而下分別為粉土、粉質(zhì)黏土、全分化頁巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r夾頁巖。在路堤填筑時對粉土、粉質(zhì)黏土進(jìn)行夯實壓密處理，達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求后，作為高填路堤的地基持力層。路基寬度25.5 m，路堤內(nèi)部土體為炭質(zhì)頁巖，并采用碎石夾層與包邊相結(jié)合的填筑方式，路堤邊坡采用臺階式邊坡，每8 m設(shè)置一級臺階，臺階寬度不小于2 m，邊坡坡率1∶1.5～1∶2.0。

炭質(zhì)頁巖具有層狀結(jié)構(gòu)，巖體抗風(fēng)化能力弱，強(qiáng)度和水理特性均較差，遇水風(fēng)化后強(qiáng)度會急劇降低。對開挖地段炭質(zhì)頁巖崩解后試樣進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)土工試驗測得其基本物理參數(shù)如下：自由膨脹率9%～15%，有機(jī)質(zhì)含量 1.14%～1.16%，液限WL為25.5%～36%，塑限Wp為16.6%～21%，塑性指數(shù)Ip為7～15。

3 炭質(zhì)頁巖路用性能

3.1 炭質(zhì)頁巖崩解特性

炭質(zhì)頁巖初期的一個重要特性是其崩解的持續(xù)性，遇水崩解后炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度逐漸降低，結(jié)構(gòu)迅速破壞，最終風(fēng)化崩解成為顆粒堆積物甚至泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。取炭質(zhì)頁巖典型巖塊放置于室外，對巖塊在降雨、日曬循環(huán)狀態(tài)下的崩解情況進(jìn)行跟蹤觀察，炭質(zhì)頁巖室外崩解情況如圖1所示。在自然條件下，巖塊在短時間內(nèi)出現(xiàn)由裂縫到產(chǎn)生大量塊狀剝落物的崩解過程，表明炭質(zhì)頁巖自然條件下崩解速率較快。

圖1 炭質(zhì)頁巖室外崩解情況

為全面了解炭質(zhì)頁巖崩解特性，進(jìn)行炭質(zhì)頁巖室內(nèi)浸水烘干崩解試驗。取云南墨臨在建高速公路挖方炭質(zhì)頁巖試樣進(jìn)行室內(nèi)崩解試驗，試驗過程如下：現(xiàn)場挑選挖方路段炭質(zhì)頁巖新鮮巖塊1 kg左右，在試驗室內(nèi)進(jìn)行浸水烘干循環(huán)試驗(泡水時間不少于12 h)，模擬實際情況中的干濕循環(huán)條件。每次干濕循環(huán)得到的崩解物采用20、10、5、2、0.5 mm篩對試樣進(jìn)行顆粒分析。試驗共進(jìn)行10個干濕循環(huán)周期，由試驗得到的顆粒級配變化曲線如圖2所示。

圖2 炭質(zhì)頁巖顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線

試驗結(jié)果表明，干濕循環(huán)對炭質(zhì)頁巖影響很大，干濕循環(huán)初期，>20 mm顆粒急劇減少，粒徑為5～10 mm的顆粒隨循環(huán)次數(shù)增加到峰值后迅速減小，而粒徑為2～5 mm顆粒隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定，而在整個試驗過程中<2 mm顆粒含量增加較少。根據(jù)崩解試驗結(jié)果，崩解過程中崩解物顆粒由大到小變化時，炭質(zhì)頁巖的崩解性逐漸減弱，在一定時間內(nèi)可以完全崩解為松散堆積物，完全崩解后的炭質(zhì)頁巖顆粒組成穩(wěn)定，這一試驗結(jié)果為具有崩解性的炭質(zhì)頁巖用作路基填料提供了可能性。

3.2 炭質(zhì)頁巖填料擊實特性

為研究炭質(zhì)頁巖填料的擊實特性并分析炭質(zhì)頁巖填料粒徑利用范圍和壓實效果，對不同粗粒料含量的炭質(zhì)頁巖進(jìn)行室內(nèi)擊實試驗，得到不同級配情況下填料的最佳含水率和最大干密度，為炭質(zhì)頁巖用作路基填料的設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。試驗規(guī)定土類填料粒徑<5 mm、粒徑>5 mm試樣作為石類填料，最大粒徑小于40 mm。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)對含石率分別為10%、30%、50%、70%、85%的混合料進(jìn)行擊實試驗，并對試驗散點圖進(jìn)行曲線擬合，得到含石率-最大干密度-最佳含水率的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 最大干密度與含石率的關(guān)系曲線

圖4 最優(yōu)含水率與含石率的關(guān)系曲線

結(jié)果分析：炭質(zhì)頁巖填料的壓實特性與粗粒料含量密切相關(guān)。最大干密度、最佳含水率隨著填料含石率的變化而發(fā)生改變，最佳含水率隨含石率增大呈現(xiàn)減小的趨勢，當(dāng)粗粒料含量小于50%時，填料最大干密度由細(xì)粒料控制，粗粒料含量的增加對最大干密度影響較小，隨著粗顆粒增加，混合料的結(jié)構(gòu)形式由密實-懸浮結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?密實結(jié)構(gòu)，粗細(xì)顆粒之間接觸充分，孔隙填充好，干密度變大，含石率在70%左右時，最大干密度達(dá)到最大，當(dāng)粗粒料含量繼續(xù)增大時，混合料最終進(jìn)入骨架-孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙填充差，最大干密度反而變小。

3.3 炭質(zhì)頁巖填料CBR值

炭質(zhì)頁巖填料的CBR值測試采用30擊、50擊和98擊3種擊數(shù)成型試件，分3層擊實，浸水4晝夜，測得不同含石率下炭質(zhì)頁巖填料的CBR值，圖5給出了不同含石率的炭質(zhì)頁巖試樣CBR試驗結(jié)果，圖6、圖7分別給出了CBR試驗過程中試樣膨脹率、吸水率與炭質(zhì)頁巖填料含石率的關(guān)系曲線。

圖5 CBR值與含石率的關(guān)系曲線

圖6 膨脹率與含石率的關(guān)系曲線

圖7 吸水率與含石率的關(guān)系曲線

試驗結(jié)果表明，炭質(zhì)頁巖填料CBR值隨含石率的增大呈較好的正相關(guān)關(guān)系，且不同含石率的炭質(zhì)頁巖填料浸水4 d后，CBR值均滿足規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，能滿足作為路堤填料的要求。炭質(zhì)頁巖填料膨脹率與吸水率都較小，隨著填料含石率增大均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)含石率超過70%時，填料膨脹率有趨于穩(wěn)定的趨勢。

4 炭質(zhì)頁巖填料合理壓實方式

4.1 炭質(zhì)頁巖填料的分形特征

填料的工程性質(zhì)與其顆粒級配密切相關(guān)，劉曉明[9]、趙明華[10]、周翠英[11]等學(xué)者在研究紅砂軟巖作為路堤填料的適用性時，引入分形理論作為顆粒級配變化指標(biāo)，指出采用簡單動作破碎得到的軟巖填料具有分形特征。根據(jù)不同壓實方法壓實前后炭質(zhì)頁巖填料的顆粒變化特征，引入分形粒子的顆粒質(zhì)量-粒徑關(guān)系見式(1)：

(1)

式中：M(r

將式(1)兩側(cè)同時取對數(shù)，并繪制log[M(r

為研究炭質(zhì)頁巖填料的分形特征，根據(jù)室內(nèi)擊實試驗，分別采用不同擊實功(30擊、50擊、98擊)對具有不同粗粒料含量的試驗樣品進(jìn)行擊實，對擊實前后不同粗粒料含量的炭質(zhì)頁巖試樣進(jìn)行粒度分析，對比擊實前后顆粒級配變化狀況，根據(jù)炭質(zhì)頁巖分形模型得到其擊實前后不同分形維數(shù)(見圖8)。分析不同擊實功和不同粗粒料含量對炭質(zhì)頁巖填料分形維數(shù)的影響。

圖8 分形維數(shù)與擊實功關(guān)系曲線

試驗結(jié)果表明：炭質(zhì)頁巖填料分?jǐn)?shù)維隨著擊實次數(shù)的增加呈現(xiàn)增大趨勢，擊實功從30擊變化到50擊分?jǐn)?shù)維增長明顯，擊實功達(dá)到50后，不同含石率試樣分形維數(shù)均能達(dá)到2.5～2.6，與炭質(zhì)頁巖崩解趨于穩(wěn)定后的分形維數(shù)基本吻合，且之后增長趨于緩慢，可以認(rèn)為在50擊擊實后的炭質(zhì)頁巖填料達(dá)到了崩解性基本消除的程度，填料的水穩(wěn)定性較好。

4.2 炭質(zhì)頁巖填料超粒徑壓實

炭質(zhì)頁巖作為路基填料填筑時最大粒徑一般大于60 mm，不適合使用室內(nèi)常規(guī)擊實試驗的方法。為了模擬現(xiàn)場炭質(zhì)頁巖填料反復(fù)“壓碎-翻松”的實際情況，擬采取以下方法加以實現(xiàn)：

a.將初始粒徑大于60 mm的炭質(zhì)頁巖碎塊放入內(nèi)徑為15 cm的圓柱形壓實容器中[見圖9(a)]， 將制備好的試樣安裝在壓力機(jī)上用壓力機(jī)加壓[見圖9(b)]，采用應(yīng)力控制，施加100 kN壓力使試樣壓碎。

(a) 試樣制備

b.將壓實成型的試樣置于脫模機(jī)脫模，使試樣從圓形鋼桶上頂出，放入鐵盤中敲散翻松。采用60、40、20、10、5、2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩對松散試樣進(jìn)行篩分，記錄殘留各篩上質(zhì)量。

c.重復(fù)上述試驗過程，并計算每次壓實翻松之后顆粒的分形維數(shù)。圖10分別為 “壓實-翻松”1、3、5和7遍后試樣顆粒變化情況，表1為壓實后顆粒級配變化情況。

d.采用壓力機(jī)對其他4組試樣分別進(jìn)行100、300、500、700 kN單次加壓，對比重復(fù)“壓碎-松散”試驗與一次性加壓壓碎的試樣級配變化，試驗結(jié)果如圖10～圖12。

圖10 試樣翻松

表1 壓實后級配情況Table 1 Grading after compaction壓實遍數(shù)粒徑(mm)組成含量/%>6040～6020～4010～205～102～5<2分?jǐn)?shù)維112.936.925.410.95.34.24.32.11211.725.624.216.08.66.57.52.303026.923.819.610.38.411.02.344016.427.320.611.610.313.92.435016.222.421.212.911.416.02.486016.018.420.214.012.718.42.547015.915.519.215.113.520.82.55

圖11 分形維數(shù)和干密度與壓實遍數(shù)關(guān)系曲線

圖12 分形維數(shù)和干密度與壓力關(guān)系曲線

試驗結(jié)果表明：隨著壓實遍數(shù)與壓實功的增大，分?jǐn)?shù)維也隨之增大。在壓實遍數(shù)為6次或一次加壓500 kN時,分?jǐn)?shù)維均能達(dá)到炭質(zhì)頁巖崩解穩(wěn)定的分形維數(shù)，且之后增量較小。此外，隨著壓實遍數(shù)與壓實功的增大，試樣干密度也隨之增大，增長速率隨著壓實遍數(shù)與壓實功的增大逐漸減小，在壓實遍數(shù)6次后，試樣干密度變化趨于穩(wěn)定，達(dá)到2.21 g/cm3，在一次性施加500 kN后干密度達(dá)到2.19 g/cm3，均滿足炭質(zhì)頁巖路堤填筑壓實度要求。對比反復(fù)“壓實-翻松”試驗與單次施加壓力一次壓實試驗可達(dá)到的最大干密度可知，反復(fù)壓實試驗干密度大于單次施加壓力達(dá)到的干密度，可見，反復(fù)“壓實-翻松”過程可以減小試樣的孔隙率，提高壓實效果。試驗結(jié)果可為現(xiàn)場炭質(zhì)頁巖填料的路堤填筑提供借鑒意義。

5 高填路堤穩(wěn)定性分析

云南墨臨高速公路沿線開挖段含有大量炭質(zhì)頁巖，為降低環(huán)境污染、減少建筑成本，需要大量采用炭質(zhì)頁巖作為路堤填料。填筑過程中高填方路段大多高于20 m，設(shè)計時采用了炭質(zhì)頁巖-碎石分層和包邊相結(jié)合的設(shè)計方案。為研究炭質(zhì)頁巖填料高填路堤合理的結(jié)構(gòu)形式，采用簡化Bishop法計算分析不同夾層厚度(無夾層、0.5 m、1 m)與不同包邊厚度(1、1.5、2、2.5、3 m)填筑的炭質(zhì)頁巖路堤整體的穩(wěn)定性。式(2)為簡化Bishop法計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的公式。

(2)

式中：

(3)

炭質(zhì)頁巖填料的黏聚力c=12.8 kPa，內(nèi)摩擦角φ=24°，土體重度γ=22.6 kN/m3，夾層、包邊碎石的黏聚力c=29 kPa，內(nèi)摩擦角φ=25.8°，重度γ=18.0 kN/m3。

式(3)右側(cè)也含有安全系數(shù)K，需要采用迭代計算。路堤堤身的穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 安全系數(shù)和夾層與包邊厚度關(guān)系曲線

由圖13可知，在無夾層填筑情況下，隨著包邊厚度的增加，安全系數(shù)始終小于1.3，路堤邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；碎石夾層為0.5 m時，安全系數(shù)隨包邊厚度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)包邊厚度小于2 m時，路堤安全系數(shù)小于1.3，當(dāng)包邊厚度大于2 m時，安全系數(shù)大于1.3，路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)夾層厚度為1 m時，隨著包邊厚度的增加，安全系數(shù)也隨之增加，且均大于1.3，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對于炭質(zhì)頁巖高填路堤來說，宜采用碎石夾層與包邊相結(jié)合的填筑措施，且夾層厚度宜大于0.5 m，包邊厚度宜大于2 m。

雖在前期設(shè)計中已充分重視，主體路段采用夾層0.5 m，包邊2.5 m較為保守的設(shè)計原則，但是在某些路段道路主體結(jié)構(gòu)完工前后，仍然出現(xiàn)了路堤局部滑塌、失穩(wěn)的情況，如圖14所示。

(a) 情況一

炭質(zhì)頁巖高填路堤段位于亞熱帶季風(fēng)氣候，旱雨季分明，尤其雨季時雨量充沛、洪澇較多，針對路堤局部失穩(wěn)情況，其可能原因為土體遇水飽和后重量增加，坡體抗滑力減小，水帶來的靜水壓力導(dǎo)致產(chǎn)生水平推力。此外，根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果可知，炭質(zhì)頁巖水理特性差，遇水軟化、強(qiáng)度衰減，易造成邊坡失穩(wěn)情況的產(chǎn)生。針對炭質(zhì)頁巖高填路堤出現(xiàn)的工程病害，應(yīng)做好炭質(zhì)頁巖路堤結(jié)構(gòu)的防、排水和控濕設(shè)計，盡量在非雨季施工，保證雨水不滲入路堤內(nèi)部。修建路堤后不宜改變地表水與地下水的排泄途徑，路堤跨沖溝地段應(yīng)設(shè)置涵洞。必要時可在坡腳部分設(shè)置支檔結(jié)構(gòu)，以加固處理后的復(fù)合地基作為擋墻的天然地基持力層，基礎(chǔ)進(jìn)入持力層的深度應(yīng)滿足抗滑與抗傾覆的要求，加密泄水孔間距，加大泄水孔深度，確保深入滑塌面后的穩(wěn)定土體。

6 結(jié)論

a.炭質(zhì)頁巖的崩解是巖塊由整體逐漸解體最終崩解為散體堆積物的過程，崩解過程中粒徑為2～5 mm顆粒含量逐漸增加最終趨于穩(wěn)定，崩解完成后的炭質(zhì)頁巖顆粒組成穩(wěn)定，水穩(wěn)定性好，為炭質(zhì)頁巖用作路堤填料提供了基礎(chǔ)。

b.炭質(zhì)頁巖路用性能試驗研究表明，炭質(zhì)頁巖可以用作下路堤填料，當(dāng)粗粒料含量在70%左右時，填料擊實性能最佳，CBR值滿足規(guī)范要求。

c.經(jīng)過壓實后，穩(wěn)定的炭質(zhì)頁巖分形維數(shù)與崩解穩(wěn)定后的分?jǐn)?shù)維基本一致，此時顆粒級配穩(wěn)定，填料水穩(wěn)定性好；且反復(fù)“壓碎-翻松”的壓實效果好于一次性壓碎。建議工程施工時將炭質(zhì)頁巖填料分?jǐn)?shù)維控制在崩解穩(wěn)定后的分形維數(shù)2.5～2.7。

d.炭質(zhì)頁巖用作高填路堤填料時，宜采取夾層、包邊相結(jié)合的設(shè)計方案，為保證炭質(zhì)頁巖路堤整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計時夾層厚度應(yīng)不小于0.5m，包邊厚度應(yīng)不小于2 m。還應(yīng)注意設(shè)計、施工時炭質(zhì)頁巖路堤的防水、排水措施，避免雨水滲入土體內(nèi)部，造成路堤病害。