炭質頁巖填料路用性能及路基填筑技術探究

高朝

甘肅省公路交通建設集團有限公司 甘肅 蘭州 730030

近些年來，炭質頁巖填料在路基填筑施工中的應用越來越多，但是鮮有施工技術人員或者科研人員對炭質頁巖填料的路用性能和填筑施工技術開展應用分析和研究。故而，深度梳理總結炭質頁巖填料的路用性能，從而為炭質頁巖填料的路基填筑施工提供一些技術參考，這對于保障炭質頁巖填料路基施工的質量和安全而言具有一定的積極意義。

1 炭質頁巖填料的路用性能技術指標

根據(jù)目前市政公路和高速公路的一些技術規(guī)程來看，要使得炭質頁巖填料路基的施工質量符合有關技術規(guī)程的標準要求。就需要從粒度不均勻系數(shù)和粒度曲率系數(shù)、室內(nèi)承載比（CBR）、壓縮指標、抗剪強度等角度對其進行路用性能施工技術指標確定[1]。

1.1 粒度不均勻系數(shù)和粒度曲率系數(shù)的確定

由于路用填料普遍是由各種形狀不一、大小不等的巖土質顆粒組成，而且這些顆粒的組成特征將會對整個填料的工程特性產(chǎn)生重要影響[2]。在行業(yè)內(nèi)，對于路用填料顆粒的級配情況，一般用粒度不均勻系數(shù)和粒度曲率系數(shù)來表示。粒度不均勻系數(shù)的計算式如式1所示，粒度曲率系數(shù)的計算式如式2所示。

在式1和式2中，Cu表示炭質頁巖填料的粒度不均勻系數(shù)，該系數(shù)在此次探究中是用來反應炭質頁巖填料顆粒的不均勻程度，通常情況下當Cu＜5時可認為炭質頁巖填料級配不良、當Cu＞10時可認為炭質頁巖填料級配良好；Cs表示炭質頁巖填料的粒度曲率系數(shù)，該系數(shù)在此次探究中是用來反應炭質頁巖填料的顆粒連續(xù)級配情況，通常情況下當Cs＜1.0時可認為炭質頁巖填料顆粒連續(xù)級配不良，當1.0≤Cs≤3.0時可認為炭質頁巖填料顆粒連續(xù)級配良好。d10表示炭質頁巖填料中相當于累計百分含量為10%的粒徑，且該種類型粒徑常被稱為“有效粒徑”；d30表示炭質頁巖填料中相當于累計百分含量為30%的粒徑；d60表示炭質頁巖填料中相當于累計百分含量為60%的粒徑，且該種類型粒徑常被稱為“限制粒徑”。

需要特別值得注意的是，一般在道路工程填筑施工中，對于路基填料，通常將Cu＞5且1.0≤Cs≤3.0作為填料顆粒均勻程度和顆粒連續(xù)級配的控制標準[3]。因此本次探究也將以Cu＞5且1.0≤Cs≤3.0作為炭質頁巖填料顆粒均勻程度和顆粒連續(xù)級配的施工技術控制標準。

1.2 室內(nèi)承載比（CBR）的確定

巖土的室內(nèi)承載比（CBR值），指的是標準試件在貫入量為2.5mm時所對應的施加荷載與試驗巖土料在相同貫入量時所對應的施加荷載之間的比值，CBR值通常以百分率（%）的形式進行表示[4]。對于任意一種路基填料，其CBR值都可以用來表示其被用于填筑路基后，對應填料局部路基的水穩(wěn)定性和抗剪強度[5]。是非常重要的、能夠保障填料路基在經(jīng)受水的長期浸泡作用下路基結構仍然不受破壞的施工技術指標。故而對于炭質頁巖填料而言，其是否能夠用于路基填筑，需要進行CBR值的試驗確定。目前，我國現(xiàn)行的最新《路基填筑規(guī)范》要求，各類路基填筑料的CBR值，需要滿足如表1所示的技術標準要求。

表1 各類路基填筑料的CBR值技術標準要求

當使用炭質頁巖作為路基填料時，其CBR值需要根據(jù)路基填筑的類別，以及道路的設計等級，按照表1的CBR最小值需求對其進行控制。

在我國的西北甘肅地區(qū)，有部分一級公路的填筑上路床，便是使用的炭質頁巖作為填筑料。研究者選擇了三段炭質頁巖填料上路床進行CBR值試驗測定，發(fā)現(xiàn)當填料壓實度為93%時，其CBR值為7.6；當填料壓實度為94%時，其CBR值為7.8；當填料壓實度為95%時，其CBR值為8.1；當填料壓實度為96%時，其CBR值為8.5。由此可以判斷，炭質頁巖的CBR值將隨著填料壓實度的增長而增長。在開展炭質頁巖填料路基施工時，需要根據(jù)公路的修筑等級，以控制填料壓實度的方式控制其CBR值。

1.3 壓縮指標的確定

填料材料的壓縮定律，是保障填料路基施工質量的基本定律之一，其計算式如式3所示。

在式3中，a表示是路基填料的壓縮系數(shù)，其單位為MPa-1；e1表示路基填料的設計承載力，其單位為MPa；P1表示路基填料在受到設計承載力作用境況下的孔隙比；e2表示路基填料的極限承載力，其單位為MPa；P2表示路基填料在達到自身極限承載力作用境況下的孔隙比[6]。

根據(jù)式3可以看出，路基填料的壓縮系數(shù)與路基填料自身的承載能力緊密相關。在行業(yè)內(nèi)，普遍認為當壓縮系數(shù)a＜0.1MPa-1時，對應填料的壓縮性為低壓縮性；當0.1MPa-1≤壓縮系數(shù)a＜0.5MPa-1時，對應填料的壓縮性為中壓縮性；當壓縮系數(shù)a≥0.5MPa-1時，對應填料的壓縮性為高壓縮性。

研究者在此，同樣是以我國西北甘肅地區(qū)的部分公路炭質頁巖填料上路床為試驗對象，經(jīng)試驗測得的壓縮指標如表2所示。

表2 我國西北地區(qū)部分公路的炭質頁巖填料上路床壓縮指標

通過表2的試驗結果可以看出，當炭質頁巖填料承受的荷載間隔為0～300KPa時，其壓縮系數(shù)值分別為0.15，0.14，0.13，符合0.1MPa-1≤壓縮系數(shù)a＜0.5MPa-1的判定標準，此時炭質頁巖填料呈現(xiàn)中壓縮性，且壓縮模量也比較穩(wěn)定。當炭質頁巖填料承受的荷載間隔為300～400kPa時，其壓縮系數(shù)值分別為0.05，相較于荷載間隔為0～300kPa時壓縮系數(shù)而言，大幅縮小，且符合a＜0.1MPa-1時的判定標準，此時炭質頁巖填料呈現(xiàn)低壓縮性，且壓縮模量出現(xiàn)大幅變化。由此可以得出判斷，炭質頁巖填筑料，在一定的壓力荷載作用下，其壓縮指標將呈現(xiàn)低壓縮性狀態(tài)，呈現(xiàn)低壓縮性狀態(tài)時可以作為比較穩(wěn)定的路基填筑料使用。

1.4 抗剪強度的確定

抗剪切強度，是炭質頁巖作為路基填料，維護路基抵抗“失穩(wěn)”的重要性指標[7]。但是對于包含炭質頁巖在內(nèi)的各種填筑料而言，在進行抗剪強度試驗時，實驗條件為“填筑料干樣不加水開展剪切”、“填筑料先水浸開展剪切至破壞”、“填筑料達到固結后水浸再剪切至破壞”，得到的抗剪切強度測定值如表3所示。

表3 我國西北地區(qū)部分公路的炭質頁巖填料上路床壓縮指標

通過表3的試驗統(tǒng)計結果可以看出，炭質頁巖填料對于水浸十分敏感，受水浸的炭質頁巖填筑料抗剪切強度較低。因此，在開展炭質頁巖填料路基施工時，一要避免在冬雨季施工，二要在施工期間做好防雨防水浸措施，三要做好填料施工區(qū)域的地下水抽排和地表水疏導工作。

2 炭質頁巖填料的路基填筑技術

在充分掌握了炭質頁巖填料的路用性能技術指標控制值之后，以具體的案例工程項目施工實踐，為我國西北甘肅地區(qū)的炭質頁巖填料路基施工提供一點基于實踐應用層面的參考借鑒。

2.1 案例工程項目概況

位于我國西北甘肅省內(nèi)的某一級公路建設項目，在項目的建設施工前期，透過詳細的地質勘察，得出該公路項目某段建設區(qū)域內(nèi)的地質構造情況如表4所示。

表4 案例公路工程項目某建設區(qū)段地質構造情況

透過表4我們可以清楚地看出，案例項目某建設區(qū)段的地質構造是屬于嚴重的炭質頁巖不良地段，且相應區(qū)域內(nèi)的地質構造層囊括強風化炭質頁巖、中風化炭質頁巖和微風化炭質頁巖。根據(jù)地勘的鉆探試驗數(shù)據(jù)來看，建設區(qū)域內(nèi)地坪標高以下2m深度范圍內(nèi)，炭質頁巖的密度較低（孔隙多），粘聚力不足，內(nèi)摩擦角偏小、泊松比偏大，抗剪切能力弱，施工期間存在較大的巖土“失穩(wěn)”安全隱患。地質構造層中，微風化炭質頁巖的物理力學指標也不理想。因此針對該建設區(qū)域內(nèi)的炭質頁巖填料路基施工，需要編制非常具有針對性的施工技術方案。

2.2 案例項目施工技術方案

案例項目的施工技術人員認為，炭質頁巖建設區(qū)段的頁巖層深度足足有4m深，完全采用挖除換填的方法，才能保障路基的施工質量和穩(wěn)定性。但是換填料如果全部選擇其他材料，則項目的施工成本將會大幅增加。因此決定充分利用原區(qū)域的炭質頁巖層，將其挖除后，再與一些未風化的炭質頁巖混合均勻（依托監(jiān)測粒度系數(shù)進行控制），通過夯實振動，控制填料的壓實度、承載比等，從而使得該區(qū)域的填料施工能夠在保安全、保質量的境況下順利實施。具體的施工方案步驟如下：

（1）通過詳細的地質勘測，確定建設區(qū)域內(nèi)炭質頁巖的分布范圍，并根據(jù)分部范圍的外邊線，向外擴展3m，以保障區(qū)域內(nèi)原炭質頁巖能夠被完全挖除；

（2）當建設區(qū)域內(nèi)的原炭質頁巖層被完全挖除后，借助測量儀器設備符合基底的標高，并通過密實度試驗，檢測基底的壓實度是否符合設計要求，倘若不符合要求，邊使用碾壓機械來回碾壓，直到基底的壓實度達到設計標準為止，而后再對基底進行人工清理；

（3）在開展基底測試和基底壓實度檢測期間，同步開展原炭質頁巖層的破碎、填料混合工作，以粒度不均勻系數(shù)Cu＞5和1.0≤粒度曲率系數(shù)Cs≤3.0作為炭質頁巖混合填料顆粒的連續(xù)級配控制標準；

（4）為了避免施工期間的地下水和地表水，對炭質填料的抗剪強度造成不良影響，因此在填料開展攤鋪壓實前，便在填料區(qū)域四周分別設置地下水降水井和地表水排水溝，用以降低地下水位標高和疏導地表水；

（5）在新的炭質頁巖混合填料實現(xiàn)均勻混合后，將其運至填筑范圍內(nèi)分層攤鋪、分層夯實，每層攤鋪厚度控制在0.5m，每層的機械施加荷載間隔控制在0～300kPa，這樣才能有效表彰炭質頁巖填料的壓縮指標符合[0.1MPa-1，＜0.5MPa-1]的控制標準；

（6）根據(jù)表1所示的CBR最小值要求，在路基填料施工區(qū)域內(nèi)，每一層的攤鋪料完成碾壓夯實后，即進行不同深度區(qū)域范圍的CBR壓實度檢測，檢測結果符合CBR最小值要求后，方可進行下一道填料攤鋪和碾壓夯實作業(yè)。

案例項目的炭質頁巖填筑施工區(qū)段，緊緊圍繞本文第1章節(jié)的有關性能技術指標確定方式，制定涵蓋上述（1）～（6）項關鍵施工內(nèi)容的技術方案，最終取得了較好的施工效果。

3 結語

對于炭質頁巖填料，在路基施工中的實踐應用，掌握其路用性能指標是進行科學實踐的第一步。分別從粒度系數(shù)、承載比CBR值、壓縮指標、抗剪切強度等角度梳理掌握炭質頁巖填料的路用性能。而后以我國西北地區(qū)甘肅省內(nèi)的某公路項目部分建設區(qū)段路基填料施工為案例，開展地質構造指標分析和施工技術方案分析，從而為我國的炭質填料路基施工提供一點參考。