強風(fēng)化千枚巖填筑路基采用水泥改良技術(shù)的探討

李向峰

（甘肅新路交通工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著交通建設(shè)的發(fā)展，很多高速公路穿越偏僻的山區(qū)。山高谷深的區(qū)域，缺乏土地資源，同時需要建設(shè)大量的橋梁與隧道，還要經(jīng)常進行深路塹的開挖以及邊坡削坡工程的建設(shè)。這些項目的施工，由于缺少必要的路基填料，再加上交通不便，運輸難度大，從而導(dǎo)致施工進度慢且施工成本高［1］。山區(qū)風(fēng)化的千枚巖數(shù)量眾多，如果能夠就地取材，將大量的千枚巖用于路基填料，不僅能夠減少對土地的破壞，還能夠降低施工成本，加快工程進度。但千枚巖強度低，遇水強度達(dá)不到要求，屬于低級變質(zhì)軟巖，用來填筑路基后的穩(wěn)定性達(dá)不到公路建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)［2］。因此，在高速公路的路基填筑過程中，需要對達(dá)不到填筑標(biāo)準(zhǔn)的千枚巖進行技術(shù)改良，更好地利用千枚巖進行路基填筑，保證公路修建質(zhì)量和安全。

1 千枚巖的物理特性及分類

作為高速公路的路面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，路基要具有一定的強度與穩(wěn)定性，才能保證高速公路的正常運行。不同區(qū)域、不同環(huán)境下的千枚巖外部形態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)都存在不同。利用千枚巖填筑路基，首先就要了解自然環(huán)境下，千枚巖的具體狀態(tài)和長期穩(wěn)定性。千枚巖的物理性質(zhì)主要是通過含水率、顆粒密度、塊體密度、吸水性、孔隙率等進行表征；力學(xué)性質(zhì)則主要是用單軸抗壓強度、劈裂強度、抗剪強度、點荷載強度等指標(biāo)進行表征［3］。某高速公路沿線3種強風(fēng)化千枚巖的基本物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 某高速公路沿線3種千枚巖的物理性能指標(biāo)

風(fēng)化程度不同的千枚巖，其物理力學(xué)性質(zhì)也不一樣，為了更好地確定千枚巖的風(fēng)化程度，以此判斷其能否用作路基填料，首先要對千枚巖進行分類。目前對千枚巖的分類主要是按照風(fēng)化程度進行區(qū)分。以往常根據(jù)外觀形態(tài)及組成分類，如巖石顏色、破碎程度、礦物成分等等，這種分類依據(jù)屬于定性評價方法，往往無法直觀反映千枚巖的物理力學(xué)性能，不能精確反映其適用性，因此在項目工程中應(yīng)用較少。隨著室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗技術(shù)的發(fā)展，越來越多的定量指標(biāo)進入到了千枚巖的風(fēng)化程度評價中，比如孔隙率、飽和單軸抗壓強度、點荷載強度指數(shù)、耐崩解性指數(shù)、軟化系數(shù)等等［4］。這些性能均可以通過室內(nèi)模擬或者現(xiàn)場試驗得到解決。因此，目前千枚巖的風(fēng)化程度劃分采用定性評價和定量評價相結(jié)合的方法綜合確定。本文對風(fēng)化千枚巖的分類，主要結(jié)合《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》分為三類，即弱風(fēng)化千枚巖、中風(fēng)化千枚巖和強風(fēng)化千枚巖，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 千枚巖風(fēng)化程度分類標(biāo)準(zhǔn)

2 強風(fēng)化千枚巖填筑路基質(zhì)量控制困難的原因

強風(fēng)化千枚巖本身的特性，使其用作路基填料并不適合，因為強風(fēng)化千枚巖填筑路基質(zhì)量控制困難。另外，受相關(guān)技術(shù)發(fā)展滯后的影響，目前的路基填料研究主要以細(xì)粒土為主體，壓實特性與質(zhì)量控制的相關(guān)技術(shù)規(guī)范也是基于此。這兩大原因，導(dǎo)致目前強風(fēng)化千枚巖作為路基填料的質(zhì)量控制存在困難，甚至被認(rèn)為是公路施工領(lǐng)域的一大障礙。

2.1 強風(fēng)化千枚巖的物理力學(xué)性質(zhì)差異

強風(fēng)化千枚巖只是一類千枚巖的統(tǒng)稱，這部分千枚巖由于成分、飽和單軸抗壓強度、點荷載強度、耐崩解性系數(shù)、軟化系數(shù)等指標(biāo)均存在差異，因此不能單一地認(rèn)定某一強風(fēng)化千枚巖能否用作路基填料。強風(fēng)化千枚巖的礦物成分包括黏土礦物等多種成分，巖芯多呈砂礫狀，遇水軟化，裂隙極為發(fā)育，難以滿足路基填筑的要求。因此，要對千枚巖進行分類，針對不同的千枚巖，提出相應(yīng)的改良技術(shù)。

2.2 以往的室內(nèi)重型擊實方法不符合現(xiàn)代施工要求

最近20年來，我國公路施工技術(shù)飛速發(fā)展，路基現(xiàn)場施工的機械設(shè)備也不斷更新?lián)Q代。以用于現(xiàn)場壓實質(zhì)量控制的壓路機來說，目前使用的20t以上可調(diào)頻調(diào)幅振動壓路機，提高了壓實效率和質(zhì)量。但目前使用的路基壓實標(biāo)準(zhǔn)還是建立在10～15t振動壓路機的基礎(chǔ)上，這會影響到現(xiàn)場壓實質(zhì)量控制。因此，要基于路基現(xiàn)場振碾特性來不斷改進千枚巖振動試驗的技術(shù)［5］。

2.3 強風(fēng)化千枚巖的CBR值并不具有全面的指導(dǎo)意義

CBR(California Bearing Ratio）值是確定路基填料承載能力的重要指標(biāo)，在一定的壓實度下，能夠?qū)β坊?、?xì)粒土、粒料、穩(wěn)定土的強度進行表征。但是，對強風(fēng)化千枚巖的利用，不應(yīng)僅僅因為CBR值過低，就拋棄其作為路基填料的可能。CBR要求與路基壓實度緊密聯(lián)系，強風(fēng)化千枚巖在壓實度提高的情況下，有可能滿足路基填筑的要求。因此，如何采用合適的壓實方法和壓實機械，這對于做好千枚巖路基填筑現(xiàn)場的質(zhì)量控制十分重要，是亟待解決的重要問題。

3 強風(fēng)化千枚巖填筑路基的改良技術(shù)分析

3.1 路基填料的物理力學(xué)性質(zhì)

3.1.1 篩分試驗

對改良試驗路段的路基填料進行篩分試驗，路基松鋪后進行3次碾壓，每次均采用22t振動壓路機碾壓6遍，每次碾壓后，對路基填料取樣并進行篩分試驗。通過試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，千枚巖在碾壓過程中會發(fā)生二次破碎，經(jīng)過3次碾壓后，粒徑＜5mm的細(xì)粒含量由13.5%增加到38.6%，粒徑總體上變小；級配變化較大，不均勻系數(shù)為18.8，曲率系數(shù)為0.74，屬于級配不良。

3.1.2 填料的CBR力學(xué)特性

如前文所述，在提高壓實條件下，才能更加準(zhǔn)確地判斷千枚巖是否能達(dá)到路基填料的力學(xué)性能要求。因此，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE 40-2007）進行室內(nèi)CBR測試，提高壓實條件，每層擊實次數(shù)30，50，98次，再來統(tǒng)計CBR值，具體如表3所示。

表3 填料的CBR測試結(jié)果

由表3可知，填料的CBR值均達(dá)不到《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGE 40-2007）中對路基填料的要求。因此，需要應(yīng)用水泥對強風(fēng)化千枚巖進行改良，以促使改良后的路基填料能滿足物理力學(xué)的性能標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 路基填料的改良試驗

3.2.1 改良填料的擊實試驗性能

在強風(fēng)化千枚巖路基填料中摻入水泥進行改良，按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTGE 51-2009）進行擊實試驗，水泥選用亞泰鼎鹿牌P·O42.5，水泥摻量為2%、3%、4%、5%，試驗結(jié)果見表4。

表4 水泥改良千枚巖擊實試驗結(jié)果

由表4的數(shù)據(jù)可知，水泥摻量越高，改良千枚巖的最佳含水率增大，最大干密度也不斷增大，但相對于最佳含水量的增長幅度相比，最大干密度的增長幅度并不明顯，說明水泥摻量對于千枚巖的最佳含水率的作用機制更加明顯。

3.3.2 改良填料的力學(xué)強度

（1）無側(cè)限抗壓強度。無側(cè)限抗壓強度是反映水泥穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定土、改良土壤強度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，水泥摻量、壓實度以及養(yǎng)護齡期等都會影響這一指標(biāo)的數(shù)值［6］。一般來說，在條件一致的情況下，改良填料的無側(cè)限抗壓強度會隨著水泥摻量的增大、壓實度的增大和養(yǎng)護齡期的延長呈現(xiàn)出遞增的趨勢。

（2）承載比。不同水泥摻量下對改良填料進行CBR值測試，根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)，繪制CBR曲線。強風(fēng)化千枚巖改良后的CBR值達(dá)到了《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD 30-2004）中巖石路基填料的標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著水泥摻量比率增加，改良填料的CBR值也隨之增加，且水泥含量越高，改良填料的CBR值增幅也越大。摻加2%水泥的改良填料其CBR值為7.8%，水泥摻量提高為3%、4%、5%后，改良填料的CBR值分別提高35.8%，114.2%，150.1%。

3.3 現(xiàn)場試驗分析

3.3.1 試驗路段

在某高速公路項目中選擇連續(xù)4段、每段50m進行強風(fēng)化千枚巖的水泥改良現(xiàn)場試驗。4個路段分別用摻加2%、3%、4%、5%的水泥改良后的路基進行填筑。

3.3.2 現(xiàn)場回彈模量測試

高速公路的平穩(wěn)運行，除了滿足一定的承載強度，還要具有一定穩(wěn)定性，路基回彈模量就是路基在交通荷載下抵抗變形能力的重要指標(biāo)，能夠反映路基的穩(wěn)定性?；貜椖Ａ康臏y試方式主要是按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTGE 60-2008）的要求，利用現(xiàn)場承載板來進行，通過施加不同荷載等級，來繪制荷載-變形曲線（p-l曲線），從而計算出回彈模量E0，計算公式如下：

式中：Eo——泊松比；

D——承載板直徑，取30 cm；

pi——第i級荷載下承載板的壓力；

li——第i級荷載pi時的回彈變形。

3.3.3 測試結(jié)果分析

利用現(xiàn)場承載板在不同水泥摻量的改良路段上進行測試，得到不同水泥摻量的改良填料路基p-l曲線，對路基的回彈模量進行計算，就可以繪制出水泥摻量與路基回彈模量的關(guān)系曲線，見圖2所示。

圖2 水泥摻量與路基回彈模量關(guān)系曲線

由圖2可以看出，路基回彈模量隨著水泥摻量的增加而增長。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTGD 50-2006）可知，改良填料的路基回彈模量均滿足高速公路和一級公路的路基規(guī)范要求（回彈模量值≥30）。水泥摻量為2%時，路基回彈模量就已經(jīng)超過了60MPa，水泥摻量越大，改良填料的回彈模量也越大。這說明水泥改良強風(fēng)化千枚巖，能夠確保改良填料滿足填筑路基的要求。

4 結(jié)束語

應(yīng)用千枚巖進行路基填筑，由于千枚巖的物理力學(xué)特征，導(dǎo)致其應(yīng)用存在很大技術(shù)困難，必須通過水泥改良后才能進行應(yīng)用。從水泥改良填料的擊實及力學(xué)性能試驗可以發(fā)現(xiàn)，改良技術(shù)具有適用性。改良后，千枚巖填料的最大干密度和最佳含水量均增大，無側(cè)限抗壓強度提升，承載比能夠滿足設(shè)計要求，且回彈模量隨著水泥劑量增加而增長，各項物理力學(xué)性能滿足路基填料規(guī)范要求，解決了千枚巖物理力學(xué)性質(zhì)差，填筑后千枚巖路基穩(wěn)定性得不到保證的困難，在項目施工過程中，需進一步加強研究與應(yīng)用。