軟巖路堤填料濕化變形特性大型三軸試驗研究

軟巖路堤填料濕化變形特性大型三軸試驗研究

張靜波1，陳興1，呂巖松2，楊露2,江洎洧3

（1. .中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056；

2. 貴州高速公路集團有限公司，貴陽 550004；

3. 長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢  430010）

摘要：依托貴州省三黎高速公路項目，針對板溪群強~中風化板巖路基填料，開展了不同圍壓、不同應力水平下的大型三軸濕化變形試驗研究。結合現場路基動應力測試成果，對軟巖路堤的濕化變形特征進行了研究，研究表明：軟巖路堤濕化變形主要由路堤上部附加動應力產生的濕化變形和路堤下部自重應力產生的濕化變形組成。另外，本文對軟巖路堤填料濕化變形試驗的應力條件和試驗方法進行了探討，并給出了估算軟巖路堤濕化變形量的數學表達式。

關鍵字：軟巖；路堤；濕化變形；大型三軸試驗

中圖分類號: U416.1　　     文獻標志碼: A            文章編號：

0引言

三穗至黎平高速公路（以下簡稱三黎高速）位于黔東南地區，起于三穗縣桐林鎮，終點連接黎平至洛香高速公路，全長138公里。沿線廣泛分布前震旦系板溪群（Ptbn）板巖，約占線路總長的84%。全線路基填方約2200×104m3，擬全部利用隧道棄渣及路塹挖方產生的板巖填筑。板巖屬于軟巖，具有易崩解、易軟化、濕化變形大等特性[1]。如此大面積的利用板巖填筑路堤，在高速公路建成運營后，是否會因為濕化變形而過早地產生路面破壞，是項目建設者非常關心的一個問題。因此，課題組對板巖的濕化變化特性進行試驗研究。

關于軟巖填料的濕化變形特性，水利部門進行過大量的試驗研究。但無論從應力條件、浸水條件和填筑規模上來看，路堤和大壩都存在較大差異。近些年來，隨著高速公路的大力發展，軟巖作為路堤填料的濕化變形問題逐漸引起人們的重視。

廖紅建[2]對地下水位變動引起風化軟巖的浸水沉降機理進行了理論分析和試驗研究；王曉謀[3]等采用室內大型壓縮試驗對秦嶺山區變質軟巖路堤填料的濕化變形特性進行了研究，得出路堤最大填高不超過18m，相應的濕化變形量可以控制在10cm以內，并提出在施工時充分灑水碾壓，有利于減小變質軟巖填料路堤在施工期的壓縮沉降，而且有助于減小工后濕化沉降的建議；劉永軍[4][5]等通過室內大比例尺路堤濕化變形模型試驗，分析了秦嶺山區糜棱巖化條帶狀粉砂質千枚巖濕化與時間的變形規律及濕化前后的變形量，并預測現場 9.6 m 高的變質軟巖填料路堤最大濕化沉降量為6.3cm；韋慧[6]等采用自行研制的大型干濕循環壓縮剪切儀，開展不浸水與反復浸水條件下紅砂巖碎石土的一維大型壓縮試驗，揭示了紅砂巖填料在干濕循環條件下的濕化壓縮變形規律。研究結果表明：濕化變形量隨浸水次數增加而增加，壓縮模量在前 2 次干濕循環過程中衰減幅度較大，第 3 次后逐漸趨于穩定；蔡俊杰、劉新喜[7]采用三軸剪切試驗儀對強風化的泥質頁巖和砂質頁巖在復雜應力條件下的濕化變形特性進行了試驗研究，結果表明，填料在壓實度為90%時，在較大的偏應力作用下，濕化不僅產生較大的附加軸向應變，而且還能引起相當大的附加體變和偏應變，提高路基填土的壓實度是減少濕化變形的重要途徑。

上述研究現狀表明，盡管已有不少學者對于軟巖路堤填料的濕化變形特性開展了試驗研究，并進行了一些定性分析和定量計算，但對于軟巖路堤填料的試驗方法和試驗狀態尚未形成統一認識，而關于軟巖路堤的濕化沉降變形也未見有明確的數學表達式提出。相對于水利部門，軟巖作為路堤填料的濕化變形特性的試驗方法以及濕化變形估算還遠不夠成熟。

本文選擇三黎高速公路強～中風化板巖填料開展了不同圍壓、不同應力水平下的大型三軸濕化變形試驗，并結合現場動應力實測數據，以期能夠明確軟巖路堤填料濕化變形試驗的試驗方法和試驗狀態，并嘗試給出計算軟巖路堤濕化變形的一般數學表達形式，供同行研究和借鑒。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

為了讓試驗更加貼近工程實際，試樣制備前，需預先在已碾壓成型質量監測合格的強~中風化板巖路基段，選取尺寸約50cm×50cm的試點三處，下挖約30cm，分別進行篩分試驗，并對篩分數據進行處理，獲得強~中風化板巖填料現場壓實的原始級配。由于現場碾壓所得級配有約3%的顆粒粒徑超過了6cm，超過了大尺寸三軸試驗的上限，鑒于超限顆粒比例很小，參照《土工試驗規程》（SL237-1999）[8]，采用混合法對原設計級配進行縮尺是最為合適的，即先對設計級配按相似級配法縮尺，再對超徑部分以60mm～5mm的粒徑進行等量替代。原始級配和試驗級配對比見圖1。

圖1原始級配和試驗級配對比圖

Fig 1. Comparison diagram of original gradation and test  gradation

為控制濕化變形試驗試樣的密實狀態，需預先開展填料的擊實試驗，以獲取該類填料的最大干密度。因強~中風化板巖填料屬粗粒料，擊實試驗需按照重型擊實試驗操作，試驗擊實筒尺寸為Ф300×H288mm，擊錘質量35.2kg，擊實功2688.2 kJ/m3。設計了5個含水率進行擊實試驗，分別為2%、3.5%、5%、6.5%和8%，最終得到該樣的最大干密度為2.238g/cm3，對應最優含水率為約5%，擊實曲線如圖2所示。按照93%的壓實度要求，三軸濕化變形試驗中，強~中風化板巖填料的制樣密度取2.082g/cm3。

1.2濕化變形試驗

濕化試驗的主要目的在于了解試樣在受荷條件下，若遇到被水浸泡的條件，會產生多大的變形，對于評價實際工程中路基浸泡可能產生的沉降變形具有顯著的實際工程意義，該試驗采用大型三軸試驗儀進行，見圖2。

根據濕化試驗單線法思路，試驗安排了不同應力水平下的三軸濕化變形試驗。與三軸試驗對應，選取的四級圍壓分別為50Kpa、100 Kpa、200 Kpa、400KPa。每個圍壓下進行了0.2倍、0.4倍、0.6倍和0.8倍的偏應力峰值應力水平下的濕化試驗。

濕化試驗前，首先進行一組風干樣常規三軸試驗，以確定不同圍壓下的峰值應力，由此確定并計算得到各圍壓不同應力水平下的豎向荷載，見表1。在已知三軸應力條件下，先按常規三軸試驗方法各向等壓固結排氣，并剪切至特定應力后用蓄能罐穩定應力狀態，記錄不同時刻試樣變形，當試樣變形穩定時，從底孔充水濕化，待濕化變形穩定后，試驗即可結束。該試驗持續時間較長，每級荷載穩定持續時間為7天以上，以保證試樣與水充分接觸。

圖2 大型三軸試驗儀

Fig 2. The large three axis test instrument

表1不同圍壓不同應力水平下的豎向荷載

Tab 1.Vertical load under different confining pressures and different stress levels

將表2中偏應力峰值與圍壓間的關系進行擬合簡化，可以得到:

（σ1-σ3）max=3σ3+75    （1）

2試驗數據整理

圖3、圖4分別從橫向和縱向對比了不同應力水平和不同圍壓條件下的加載及濕化全過程軸應變-時間關系曲線。

一般而言，我們認為浸水前試樣的變形對應了實際工程中的先期變形，主要關注浸水后的應變增量，這是分析工后沉降的重要依據，表2在圖3和圖4的基礎上，扣除先期各應力水平下的固結變形后，統計了各圍壓條件下不同應力水平下的應變增量情況。

(a) 0.2倍應力水平（浸水時刻90h）

(b) 0.4倍應力水平（浸水時刻48h）

(c) 0.6倍應力水平（浸水時刻72h）

(d) 0.8倍應力水平（浸水時刻72h）

圖3 不同應力水平相應圍壓條件下加載及濕化全過程軸應變-時間關系曲線

Fig 3. Whole process axial strain-time curves under the conditions of different stress levels and corresponding confining pressure

(a) 圍壓=50KPa  

(b) 圍壓=100KPa

(c) 圍壓=200KPa

(d) 圍壓=400KPa

圖4不同圍壓相應應力水平條件下加載及濕化全過程軸應變-時間關系曲線（浸水時刻參見圖3）

Fig 4.Whole process axial strain-time curves under the conditions of different confining pressure and corresponding stress levels

表2 不同圍壓-應力水平下濕化應變增量統計表

Tab 2 .Statistical table of wetting strain increment under the conditions of different confining pressure and stress level

注：圍壓400KPa、應力水平0.4的一個試樣數據可能存在一定錯誤，主要源于巖土材料力學實驗的各種不確定性，此處可忽略。

3試驗成果分析及應用

對圖3、圖4和表2數據進行分析，可以發現：

1.相同圍壓條件下，軸向應變增量與應力水平之間近似存在指數函數關系，見圖5，且隨著應力水平的提高，填料的濕化應變也逐漸增大。這是因為風干試樣在承受荷載并達到穩定后，充分的浸水會軟化材料，當應力水平較大時會促使試樣產生更為明顯的應力變形調整而產生濕化變形。

圖5 不同圍壓條件下應力水平-軸向應變增量關系曲線

Fig 5.Stress level and axial strain increment curves under the different confining pressures

2.應力水平小于0.6倍的情況下，濕化變形受圍壓的變化影響較小，濕化應變均小于0.4%；應力水平0.6~0.8倍的區間內，濕化變形應變增量均呈陡增的趨勢，且隨著圍壓增大而減小。

應力水平為0.2~0.4倍時，濕化變形應變增量隨著圍壓的增加，呈現先減小后增大的趨勢。這是因為在路堤上部濕化應變增量主要受附加應力控制，而在路堤下部主要受自重應力控制，隨著深度的增加，附加應力越來越小，最終對濕化變形應變增量將不再產生影響。

根據本課題現場實際監測的動應力數據，車輛荷載附加應力沿深度方向大致呈冪函數衰減，見圖6。

圖6 附加應力沿深度方向分布曲線

Fig 6. Additional stress distribution curve along the depth direction

將y=79cm帶入上述回歸關系式，計算得到到路床頂面附加應力大致為21.7Kpa，接近圍壓20Kpa、0.2倍偏應力峰值（27Kpa）水平。

將y=500cm帶上述回歸關系式，計算得到埋深500cm處附加應力值為7Kpa，與其自重應力比約為7%，大致相當于同等圍壓下（100Kpa）0.02倍偏應力峰值（7.5Kpa）的應力水平，根據圖5（b），計算得到該深度處的濕化變形應變增量值近似為0。因此可以將500cm看作一個分界點，填高H≤500cm范圍，軟巖路堤濕化變形主要由附加應力產生；填高H＞500cm范圍內，軟巖路堤濕化變形主要由自重應力產生，可忽略附加應力影響。

3.根據2中的分析，路床頂面處的應力水平大致相當于圍壓20Kpa，0.2倍偏應力峰值（27Kpa）的應力水平?？紤]到路堤上下部分產生濕化變形的主控影響因素不同，且填高H≤500cm（相當于圍壓σ3≤100Kpa）時，路堤上部附加應力呈冪函數快速衰減，填高H＞500cm（相當于圍壓σ3＞100Kpa），可忽略附加應力影響。對表3中的數據進行簡單的線性插值，可以得到：路床頂面（圍壓20Kpa，應力水平0.2倍）的濕化應變增量為0.108%，填高5m處（圍壓100Kpa，應力水平近似為0）的濕化應變增量為0，填高20m處（圍壓400Kpa，應力水平為0）的濕化應變增量為0.15%。對于強~中風化板巖路堤，浸水飽和時，其濕化應變增量與路堤填高之間的關系可以表述為圖7形式：

圖7 濕化應變增量與路堤填高關系

Fig 6. Relationship between wetting strain increment and embankment filling height

4.根據3中的分析，當軟巖路堤處于浸水飽和狀態時，其濕化變形量可按下述分段函數進行估算：

結合到本課題的依托工程，在車輛總載52t、后雙軸載41.7t、路面厚度=79cm條件下，填料為強~中風化板巖，全路基處于浸水飽和狀態時，填高為3m時，估算濕化變形量為0.175cm；路填高為5m時，估算濕化變形量為0.227cm；路填高為10m時，估算的濕化變形量為0.415cm；填高為20m時，估算的濕化變形量為1.352cm?？梢姀妦中風化板巖填料濕化變形量并不大，這主要是因為其礦物成分中，親水礦物含量相對較少（僅含伊利石，且含量＜16%）[9]，軟化現象并不突出。

4需要說明的幾個問題

1.軟巖填料的濕化變形參數是在試樣處于飽水狀態下獲得的，在進行軟巖路堤濕化變形量估算時，應根據路堤的浸水部位、浸水深度以及圍壓和應力條件靈活利用試驗成果。實際工程中，一般只有在地下水位較高或有積水的情況下，軟巖路堤底部才會出現飽和或過濕狀態，因此，在進行軟巖路堤設計時，應避免這種情況發生，如在地勢低洼處設置涵洞或在積水高程以下采用水理性較好的硬質巖石渣進行填筑等。

2.對于底部處于飽和或過濕狀態的軟巖路堤而言，當路堤填高較大時，底部發生的濕化變形，對于路面的影響近似于均勻性沉降，一般不會引起路面破壞；當路堤填高較小時，路堤底部的濕化將會在行車動力作用下被強化為不均勻沉降，繼而引起路面開裂，因此應嚴格限制軟巖填料的使用范圍，如當路堤填高小于3m（近似于工作區深度）時，嚴禁使用軟巖填料進行填筑。

3.軟巖路堤填料濕化變形試驗是探索性試驗，試驗設計中有一些細節未能考慮周全，導致有些數據未能直接測試，需插值獲得，存在一定的誤差，后續應對試驗方案進一步優化。通過對濕化變形計算參數分析可以看出，路堤上部的應力狀態是低圍壓（20~100Kpa），低應力水平（＜0.2倍），軸向濕化應變增量呈非線性遞減；路堤下部相對處于較高圍壓（100~400Kpa甚至800Kpa）零應力水平，濕化應變增量近似線性遞增。因此在試驗設計時，應增加低圍壓低應力水平的三軸濕化試驗密度，較高圍壓狀態可只設計一維固結濕化試驗。

4. 軟巖路堤的沉降變形，主要由上部附加動應力產生的濕化變形、下部自重應力產生的濕化變形、軟巖填料自身崩解及路堤壓密所導致的路堤變形三部分組成，本次試驗僅研究了濕化產生的變形量，今后可考慮在濕化變形試驗基礎上增加3~5次干濕循環操作，測定其累計變形量。

5結論

1. 相同圍壓條件下，軟巖填料的濕化變形軸向應變增量與應力水平之間存在良好的指數函數關系，且隨著應力水平的提高，填料的濕化應變也逐漸增大。

2. 軟巖路堤填料濕化變形試驗設計時，應增加低圍壓（20~100Kpa）低偏應力（10~50Kpa）的三軸濕化試驗密度，較高圍壓狀態（＞100Kpa）設計一維固結濕化試驗即可。

3.軟巖路堤填高H≤5m范圍內，軟巖路堤濕化變形主要由附加應力產生；填高H＞5m范圍內，其濕化變形主要由自重應力產生，可不考慮附加應力影響。

4. 在進行軟巖路堤設計時，應避免路堤底部出現過濕和飽和狀態，在地勢低洼處設置涵洞或在積水高程以下采用水理性較好的硬質巖石渣進行填筑等；當路堤填高小于3m時，嚴禁使用軟巖填料進行填筑。

參考文獻

[1]顧寶和,曲永新,彭濤. 劣質巖(問題巖)的類型及其工程特性[J]. 工程勘察,2006,01:1-7.

Gu Baohe,Qu Yongxin,Peng Tao. Types and engineering characteristics of bad rock (problem rock)[I], Journal of Engineering Investigation &Surveying,2006,01:1-7.

[2]廖紅建,肖正華,殷建華,赤石勝. 軟巖填土材料的浸水沉降與防治[J]. 工程勘察,2002,01:1-4.

Liao Hongjian,Xiao Zhenghua,Yin Jianhua,Chi Shisheng. Immersed settlement and prevention of soft rock filling[J]. Journal of Engineering Investigation &Surveying, 2002,01:1-4.

[3]王曉謀，杜秦文，曹周陽. 變質軟巖路堤填料濕化變形的大型壓縮試驗研究[J]. 中國科技論文在線，2011，6（5）：1-7.

Wang Xiaomou,Du Qinwen,Cao Zhouyang. Study on wetting deformation behavior of metamorphic soft rock embankment filler under large-scale compression test[J]. Sciencepaper Online, 2011,6（5）：1-7.

[4]劉永軍，曲直，楊淑君，路耀平. 變質巖路堤濕化變形試驗研究[J]. 山東交通學院學報，2012，04：52-56+66.

Liu Yong-jun,Qu Zhi,Yang Shu-jun,Lu Yao-ping. Experimental Study on Wetting Deformation of the Metamorphic Soft Rock Embankment[J].Journal of Shandong Jiaotong University, 2012，04：52-56+66.

[5]韋慧，曾勝，趙健，李振存，李文，胡甜. 路用紅砂巖碎石土濕化變形特性試驗[J]. 中南大學學報(自然科學版)，2015，06：2261-2266.

Wei Hui, Zeng Sheng, Zhao Jian, Li Zhencun, Li Wen, Hu Tian. Test on wetting deformation of red sandstone gravel soil in filled subgrade[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015，06：2261-2266.

[6]劉永軍. 十天高速公路安康西段變質軟巖路堤填料濕化變形研究[D].長安大學，2013.

Liu Yongjun. Study on Wetting Deformation of   Metamorphic Soft Rock Embankment in Western Section of An Kang of Shi-Tian Expressway[D].Chang’an University, 2013.

[7]蔡俊杰，劉新喜.強風化軟巖用于路基填土時的工程特性研究[J].湖南城市學院學報(自然科學版),2006,01:10-13.

Cai Jun-jie，Liu Xin-xi. Study on Engineering Character of Embankment of Subgrade with Highly Weathered Soft Rock[J].Journal of Hunan City University(Natural Science), 2006,01:10-13.

[8]中華人民共和國水利部.土工試驗規程（SL237-1999）[S].北京：中國水利水電出版社,1999.

Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. Specification of soil test(SL237-1999)[S].Beijing: China Water&Power Press, 1999.

[9]李旗云，張靜波，張晶. 貴州地區板溪群板巖填料路用工程特性及路基結構設計研究[J]. 公路工程,2016,04:135-139+149.

LI Qiyun, ZHANG Jingbo, ZHANG Jing, Study on Ｒoad Engineering Properties and the Design of Subgrade Structure of Banxi Group Slates Filling in Guizhou[J]. Highway Engineering, 2016,04:135-139+149.