千枚巖填方路堤變形特性及防水防滲處治研究

付 強

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

千枚巖易受水的影響變得軟化，從而又被稱為軟巖，具有較強的吸水性和可壓縮性，會造成較大的變形。四川省姚渡至廣元高速公路中存在部分使用隧道挖出的千枚巖填筑的路基路段。在2010年，四川省廣元市境內(nèi)接連遭遇強降雨，青川縣、寶輪鎮(zhèn)多處發(fā)生泥石流、道路垮塌，受損嚴重。G5合同段杜家山進口和出口段施工圖設(shè)計為填溝通過，利用隧道棄渣，減少棄方量，最大填高為17.19m，采用隧道開挖的千枚巖用作路基填料。G6合同段停車場為高填方路堤，最大填高24.8m?！?.19”洪水前，G5、G6合同段路基施工已完成，G6合同段已準備好將填方場用作預(yù)制場。遇洪水時，本段路基受洪水影響，水進入路基使絹云母千枚巖軟化濕陷，路基遭到嚴重破壞。G5合同段填方路基被洪水沖走，G6合同段路基不均勻沉降，路基表面局部形成波浪狀。本文對兩種極限干密度破碎千枚巖壓實土樣進行固結(jié)試驗，研究了千枚巖作為路基填料的變形特性及其變更處治方案。

1 千枚巖的理化性能

千枚巖外表一般為黑色至深灰色、紫紅、灰褐色、銀灰色等。由于千枚巖長期受到風(fēng)化作用，按照風(fēng)化程度由小到大，千枚巖可以分為弱風(fēng)化、中風(fēng)化及全風(fēng)化。其中弱風(fēng)化千枚巖保留著完整的結(jié)構(gòu)，中風(fēng)化千枚巖結(jié)構(gòu)破壞較弱，呈塊狀，全風(fēng)化千枚巖結(jié)構(gòu)被破壞程度較深，呈現(xiàn)為片狀并夾雜著碎塊。諸多學(xué)者通過高倍電子顯微鏡觀察千枚巖內(nèi)部構(gòu)造，研究千枚巖的微觀結(jié)構(gòu)。毛雪松等人[1]利用掃描電鏡分析了全風(fēng)化千枚巖的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，全風(fēng)化千枚巖材料成分為云母和石英，并夾雜少量不透明金屬礦物。根據(jù)形成千枚巖的各種原始巖石類型，千枚巖可分為許多類型，包括由粉砂巖組成的石英千枚巖、由黏土巖組成的硬綠泥石千枚巖、由中基凝灰?guī)r組成的綠泥石千枚巖和由酸性凝灰?guī)r組成的絹云母千枚巖。本研究中使用經(jīng)開挖破碎的破碎狀絹云母千枚巖。通過對千枚巖變形特性的研究分析，了解其應(yīng)用于公路路基填料的技術(shù)指標是否滿足規(guī)范要求，并為后續(xù)工程改良利用提供理論支持。

2 破碎千枚巖固結(jié)試驗

千枚巖在開挖后破碎，破碎的千枚巖浸水后呈現(xiàn)類軟土性質(zhì)，表明水對破碎的千枚巖有不利影響。因此，有必要研究水對破碎千枚巖填料的具體影響。當挖掘出的千枚巖用于路基填充時，通過碾壓進一步壓碎。因此，用破碎最為嚴重的千枚巖進行試驗，測定其干密度。試驗結(jié)果表明，破碎狀千枚巖壓實土樣最大和最小干密度分別為2.16g/cm3和1.77g/cm3。

通過固結(jié)試驗研究破碎千枚巖經(jīng)重塑壓實后在水的作用下的濕陷性和濕脹性，試驗現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 壓實千枚巖的固結(jié)試驗現(xiàn)場圖

試驗分別采用極限干密度為2.16g/cm3和1.77g/cm3的兩種破碎千枚巖壓實土樣，按照加荷載和浸水的先后順序不同分為四組試驗，進行以下研究：（1）壓實土樣在有無荷載情況下遇水分別呈現(xiàn)濕陷性還是濕脹性；（2）遇水濕脹或濕陷程度的大小；（3）研究不同條件下破碎狀千枚巖壓縮性大小，按照壓縮性進行分類，確定其屬于低壓縮性、中壓縮性及高壓縮性土；（4）研究其在不同壓實度下的變形大小。試驗條件見表1。

表1 設(shè)計試驗條件

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同條件下的試驗結(jié)果

根據(jù)表1設(shè)計的4種試驗條件分別進行試驗，試驗過程曲線如圖2所示。

從圖2（a）中CD段可以看出，破碎千枚巖的壓實土樣在施加荷載后浸入水中，應(yīng)力出現(xiàn)減小，這是因為發(fā)生了應(yīng)力松弛。結(jié)果表明，破碎千枚巖土樣在荷載作用下浸水具有濕陷性。

從圖2（b）中BC段可以看出，破碎千枚巖壓實樣在無荷載情況下浸水，出現(xiàn)隨時間增加應(yīng)力出現(xiàn)減小現(xiàn)象，這是因為發(fā)生了應(yīng)力松弛。結(jié)果表明，破碎千枚巖土樣在無荷載作用下浸水具有濕陷性。

從圖2（c）中BD段可以看出，與（a）結(jié)果相似，破碎千枚巖壓實土樣在有荷載的情況下浸水出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。結(jié)果表明，破碎千枚巖土樣在荷載作用下浸水具有濕陷性。

從圖2（d）中BC段可以得出結(jié)論，破碎千枚巖壓實土樣在沒有荷載的情況下浸水出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。結(jié)果表明其具有無荷載條件下浸水濕陷的特性，但其量很小。

最大干密度和最小干密度條件下的濕陷變形應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系曲線見圖3。從圖3（a）可知，隨著壓力增加，試樣濕陷變形量也在增加，表明破碎狀千枚巖壓實土樣濕陷變形量與壓力成正相關(guān)。

從圖3（b）可知，隨著壓力增大，試樣濕陷變形量有增加趨勢，在壓應(yīng)力超過60kPa左右后隨著壓力的繼續(xù)增大，濕陷變形量逐漸減小。這是因為該試樣密度小，在壓力作用下試樣被逐漸壓實產(chǎn)生變形，干密度變大，達到最大密度后，則濕陷變形就會變小。

圖3 不同干密度條件下濕陷變形應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系曲線

最大與最小壓實度條件下的不同加水順序的試樣浸水壓應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 最大與最小壓實度試樣不同加水順序的壓應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖4（a）、（b）可以看出，同樣環(huán)境條件下，壓實度的不同，土體的變形差別會很大，相同壓力時，壓實度為2.16g/cm3的試樣變形遠遠小于壓實度為1.77g/cm3的試樣變形。按照土樣條件對破碎千枚巖壓縮特性測定，結(jié)果見表2。

表2 千枚巖土樣壓縮特性

3.2 試驗結(jié)論

（1）根據(jù)圖2所示的試驗結(jié)果，破碎壓實后的千枚巖料具有濕陷特性，黃土是濕陷土，被列為特殊土類，所以用千枚巖料填筑路堤要非常小心，盡量不用。

（2）根據(jù)圖3所示試驗結(jié)果，破碎千枚巖壓實土的濕陷是非常嚴重的。規(guī)范把濕陷系數(shù)大于0.015的土稱為濕陷土，而圖3（a）、（b）的縱坐標的值都遠大于0.015。

（3）按圖4試驗結(jié)果估算，若用壓實的破碎千枚巖筑5m高的路堤，則遇水自身濕陷量可能超過10cm。

（4）按照圖4所示的極端壓實結(jié)果試驗，不同壓實度、或不同壓實效果的千枚巖體變形量可相差3～4倍。目前變形量是影響路堤質(zhì)量的主要問題。因此，若要用廢棄的千枚巖作路堤填料，要十分注意壓實質(zhì)量。

（5）根據(jù)表2所示結(jié)果分析，破碎狀千枚巖壓實土樣具有中、高壓縮性，不宜直接用作路基填料，如果用作路基填料，需對路基進行防止水滲透處理。

4 千枚巖路基的處治方案

上述試驗結(jié)果表明，壓實的破碎千枚巖不宜直接填筑路基，需采取以防止水損害為主要目標的處治措施，以保證其路基穩(wěn)定性。具體措施如下。

（1）清除路基上部填方填料，控制厚度為路面底面以下1.5m。

（2）在清除路基頂部1.5m后，鋪設(shè)防滲土工布，防滲土工布要求技術(shù)指標600g/cm2。并且為了保護土工布不被破壞，需要在防滲土工布上鋪設(shè)5cm厚黏土。

（3）路基邊坡需要先鋪設(shè)一層防滲土工布，再采用20cm厚C15素混凝土現(xiàn)澆封閉。路堤每級平臺邊坡坡腳處設(shè)C15素混凝土支撐帶，斷面尺寸0.5m×0.5m，與坡面防護混凝土現(xiàn)澆成整體，保證穩(wěn)定。

（4）路基上部填筑砂礫石或較好的隧道棄碴填料至路面底面標高，并保證壓實度；同時為了防止防滲土工布被大顆粒填料破壞，距離土工布30cm的范圍內(nèi)使用粒徑較小的集料填筑。

（5）路面底部鋪設(shè)一層技術(shù)指標要求為600g/cm2的不透水土工布，同時在土工布上面鋪設(shè)土工格柵，以提高路面整體性，避免發(fā)生不均勻沉降；路基填筑高度＞8m時，鋪設(shè)三層土工格柵，路基填筑高度＜8m時，鋪設(shè)兩層土工格柵。

（6）在換填部分下部、邊坡平臺處以及坡腳處，每間隔5m布設(shè)一根5m長、直徑10cm打孔PE管，并且保證外側(cè)高度低于內(nèi)側(cè)高度，坡度在3%～5%之間，作用是及時排出坡體內(nèi)的水分。

（7）路基迎水面應(yīng)采取排水措施，避免山坡水對路堤的直接影響。路基邊溝可盡量利用，必要時可根據(jù)實際情況增加。

5 結(jié)束語

本文通過壓實試驗及不同條件下的固結(jié)試驗對破碎狀千枚巖的極限干密度及變形特性進行了分析，結(jié)論如下：

（1）破碎狀千枚巖壓實土樣的最大及最小干密度分別為2.16g/cm3和1.77g/cm3。

（2）破碎狀千枚巖壓實土樣具有較強的濕陷性，其濕陷系數(shù)遠大于0.015，其中，干密度為2.16g/cm3的試樣的濕陷系數(shù)達到了3左右，并且干密度較大時，試樣的變形量較小。表明破碎狀千枚巖不宜直接用作路基填料。

（3）對破碎狀千枚巖用作路基填料時進行了防水防滲處治研究，主要目的是隔絕或減少地下水及地面水滲透進路基中，對路基產(chǎn)生不利影響。經(jīng)過處治后的破碎千枚巖可以用作路基填料。