貴州地區炭質頁巖填料路用性能與路基結構設計研究

貴州地區炭質頁巖填料路用性能與路基結構設計研究

張靜波１，呂巖松２，王　云１

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司　武漢市　430056；

2.貴州高速公路集團有限公司　貴陽市　550004）

摘 要：針對貴州地區高速公路炭質頁巖路基填筑問題，開展了炭質頁巖填料的路用工程性質試驗，分析了不同干濕循環條件下炭質頁巖填料CBR及回彈模量變化特征，發現：炭質頁巖填料長期強度受干濕效應與風化作用衰減顯著，其CBR隨試樣浸水時間增加逐漸降低，浸水7天后才漸趨穩定，比浸水4天的下降35.7%；其CBR與回彈模量隨著干濕循環次數增加均出現衰減，5次循環后的穩定值較干濕前分別下降了48.7%和21.0%。建議采用5次干濕循環后CBR值作為炭質頁巖填料的長期強度指標，試驗表明該類填料的長期穩定CBR值滿足下路堤填料強度要求。同時本文提出了貴州地區高速公路炭質頁巖路基典型路段的處治措施及路基結構型式，可為類似工程提供參考。

關鍵字：炭質頁巖 工程性質 干濕循環 崩解 CBR 路基結構

中圖分類號: U417.33　　     文獻標志碼: A            文章編號：

炭質頁巖是一種富含碳質的沉積巖，具有易風化崩解、遇水軟化、難以壓實等特點，采用炭質頁巖填筑的路基，在行車荷載和大氣環境作用影響下容易產生較大的沉降和不均勻變形，甚至產生路面開裂、邊坡溜塌等路基路面病害。過去的高速公路路基工程建設中，一般均采取棄方換填處理方法。但隨著我國高速公路建設向西部山區快速發展，很多地區匱乏適宜的路基填料，從經濟與環保兩方面考慮，在炭質頁巖廣泛分布區域，將路塹及隧道開挖的炭質頁巖利用起來進行路堤填筑勢成必然。關于炭質頁巖，目前國內外學者做了較多的研究工作，如付宏淵[1]、解廷堃[2]、莫凱[3]、劉子昂[4]、曾玲[5]、羅根傳[6]、王荊[7]等對炭質頁巖的物理力學性質進行了詳細研究，取得了許多有益的結論。我國炭質頁巖分布廣泛，不同地區炭質頁巖填料性質及氣候環境存在差異，尚需對不同地區炭質頁巖的干濕效應與長期性能、及填料適用性與處治措施等開展更多探索。

本文以貴州地區炭質頁巖為研究對象，開展炭質頁巖填料的室內工程性質試驗和干濕循環試驗，分析其路用長期工程性能及作為路基填料的結構型式，為類似工程提供參考。

1炭質頁巖填料路用工程性質

1.1基本性質

室內試驗試樣取于現場碾壓試驗段，根據《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007），得到風化炭質頁巖巖屑的塑限為14.56%，液限為22.57%，干燥飽和吸水率約為15.52%，飽和滲透系數為5.8×10-5cm/s，說明炭質頁巖填料液限值較低，滿足規范上對路基填土的要求，但滲透性較大，施工時應注意其浸水軟化現象。

圖1擊實曲線

根據重型擊實試驗得到擊實曲線（圖1），得到最大干密度2.24g/cm3，最優含水量為5.5%，與其天然含水量相近。從擊實曲線也可看出，炭質頁巖對含水率非常敏感。

由于炭質頁巖填料含有較多粗顆粒，用一般的擊實試驗所求得的最佳含水量和最大干密度與現場的碾壓施工差距較大。因此最佳含水量一般應為室內試驗與現場試驗綜合確定，施工時含水量一般控制最佳含水量的±2%限值以內。

1.2崩解性

炭質頁巖具有漸進崩解的特性，崩解過程中結構逐步退化，強度逐步喪失，并逐漸風化崩解為顆粒堆積物。為了研究炭質頁巖崩解特性，采用室內泡水崩解和自然風化崩解相結合的試驗方法。

試樣室內崩解如圖2，炭質頁巖經室內清水浸泡30天后，僅在表層出現少量的微裂紋，整體結構性未破壞，耐崩解性較強。在填料臨時堆放場選取有代表性的巖塊，持續觀測其在日曬、雨水等自然條件循環作用下的風化崩解情況，見圖3，不到半年時間完整巖樣幾乎全部風化崩解成塊石狀土和細粒土，在雨水浸泡之下，表層呈淤泥狀。

可見，炭質頁巖作為路堤填料，對環境中水的影響比較敏感，尤其抵抗干濕循環崩解能力較差，路堤邊坡可能會產生較大變形，因此炭質頁巖路堤邊坡設計時應重點加強其防排水與防風化能力。

1.3 CBR值

CBR值可以反映土體的局部抗剪強度與水穩定性，是保證路基長期浸泡在水中土體結構不被破壞的技術依據之一。按《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）作壓實度為93%的炭質頁巖CBR試驗。

試驗時，飽水時間分別考慮為浸水0天（不浸水）、2天，4天、6天及浸水8天五種條件，圖4給出了炭質頁巖填料不同浸水時間的CBR試驗結果。

圖4 CBR值與浸水時間關系

試驗結果表明，CBR值受浸水時間的影響較大，未浸水試樣CBR值高達35.0，浸水2天的CBR值衰減到15.0，為未浸水試樣CBR值的42.8%，其后CBR會隨著泡水時間的增長降幅趨緩，近似成線性降低。炭質頁巖浸水4天后的CBR值位9.5，滿足規范中的相關規定。浸水7-8天后CBR值趨于穩定，下降為6.1，較浸水4天的CBR降低了35.7%。此外，浸水時間較長時，試件表面產生較明顯的淤泥。CBR試驗完成后拆樣，可明顯看出，浸水時間越長，試樣內部越濕，含水量越大。這也進一步佐證了炭質頁巖具有明顯的軟化特性，浸水后，其強度明顯減小。因此，炭質頁巖作為路基填料時，必須采取一定的防水措施。

1.4回彈模量

室內回彈模量試驗按《公路土工試驗規程》的承載板法進行，按擊實試驗重型II法制備試件，采用不浸水及分別浸水2d、4d、7d及15d多種工況，得出不同浸水時間下炭質頁巖填料試驗的回彈模量變化特征（圖5）。

圖5 不同浸水時間下回彈模量

與CBR類似，回彈模量受泡水時間的影響同樣較大，未浸水試樣回彈模量為70MPa，比浸水試樣回彈模量大很多，回彈模量隨著泡水時間的增長先快速降低，浸水4天后，回彈模量下降為45MPa，當浸水7天后，回彈模量隨浸水時間的增長趨于穩定，回彈模量降至38 MPa，較不浸水狀態下降了45.7%，而相對浸水4天的回彈模量下降了15.6%。

2炭質頁巖填料干濕循環效應與性質變化

2.1 干濕循環條件下CBR變化特征

進一步研究環境干濕效應對炭質頁巖的強度指標影響特征，開展了炭質頁巖0次、1次、3次、5次、7次干濕循環下CBR試驗。

干濕循環過程：一次干濕循環試驗包括浸水飽和及風干失水兩個過程。試樣制備完成后讓試樣底部浸水，讓試樣在毛細作用下飽和，然后逐步升高水位直至試樣全部浸入水面以下為止，讓試樣在水下浸泡4天（或7天）后，完成浸水飽和過程（0次干濕循環）；浸水飽和后將試樣從水中取出，放于陰涼處，通過控制質量的方法使試樣風干至其含水率為制樣含水率，完成風干失水過程，繼續泡水飽和處理（此為干濕循環1次）。重復上述過程，依次完成不同干濕循環次數的CBR試驗。

圖7 不同干濕循環次數下CBR

通過各次循環后的CBR結果可以看出，隨著干濕循環次數的增加，試樣的CBR值逐漸降低，經歷5次循環后趨于穩定，同時單次泡水4天比單次泡水7天強度降低幅度要大，但兩者在5次循環后最終穩定值相差不大，但浸水時間短時經歷的干濕循環次數要多。在經歷5次干濕循環后，試樣的CBR值衰減為4.0左右，基本能滿足下路堤填料的最小強度要求，但較浸水前下降48.7%。由此可見，炭質頁巖填料的CBR值受環境干濕效應影響顯著，其強度指標應考慮長期穩定性，宜采用5次干濕循環后的穩定CBR值。

2.2干濕循環條件下回彈模量變化特征

采用與干濕循環下CBR試驗類似的方法，進行炭質頁巖0次、1次、3次、5次干濕循環下回彈模量試驗，試驗結果見圖8。

圖8 不同干濕循環次數下回彈模量

試驗結果表明，隨著干濕循環次數的增加，試樣的回彈模量逐漸降低，同樣呈現先快后慢的趨勢，3～5個干濕周期后，回彈模量趨于穩定，衰減為30～35MPa，較浸水前約下降21.0%。此外單次泡水4天比單次泡水7天回彈模量降低幅度要大，不同干濕循環方式下回彈模量最終穩定值相差不大。

3炭質頁巖路基典型結構設計

室內工程性質試驗和干濕循環試驗表明，炭質頁巖填料具有易風化崩解、吸水軟化的不良工程特性，對環境干濕效應及風化作用的影響十分敏感，因此，高速公路炭質頁巖路基應做好路基結構設計，并做好路基防排水，具體如下：

1）填方路段：炭質頁巖填料宜用于下路堤填筑，路堤中心填高不宜超過8m，路堤底部應填筑厚度不小于50cm的砂礫或硬質巖石渣等透水性材料。路堤采用“5+1”方式進行填筑，即5層炭質頁巖（松鋪厚度30~40cm）+1層砂礫石或硬質巖石渣（厚度≥30cm）；并在軟巖填料頂面鋪設一層復合防滲土工膜，阻隔路面水對軟巖路堤的軟化影響；邊坡宜采用植生袋或骨架植草防護，當采用骨架植草防護時，邊坡宜采用粘性土進行包蓋封閉。具體方案詳見圖9、圖10，圖中尺寸單位均以厘米計。

圖9 填方路基處治橫斷面型式-1

圖10 填方路基處治橫斷面型式-2

2）零填及軟巖挖方路段：若路面下地基為炭質頁巖，應相應超挖換填1.5m厚砂礫或硬質巖石渣，并在超挖層底面鋪設一層復合防滲土工膜，路側邊溝下設置滲溝。具體方案詳見圖11，圖中尺寸單位均以厘米計。

圖11 零填及挖方路段處治橫斷面型式

3）軟巖路堤橫向填挖交界處：宜在路床范圍鋪設雙層土工合成材料，鋪設長度為填挖交界處兩側各不小于8m，當路幅寬度小于8m時，可滿鋪土工合成材料，其邊緣宜采用反包處理。具體方案詳見圖12，圖中尺寸均以厘米計。

圖12 橫向填挖交界處治橫斷面型式

4）路基縱向填挖交界處：路床范圍挖方段土工合成材料長度不宜小于8m，填方段土工合成材料長度應覆蓋過渡段，延伸至一般填方區的長度不宜小于5m。巖石路段的路基填挖交界處，宜采用高強立體型土工合成材料。具體方案詳見圖13，圖中尺寸均以厘米計。

圖13 縱向填挖交界處治橫斷面型式

4結論

本文以貴州地區炭質頁巖為對象，開展了炭質頁巖填料的室內工程性質試驗和干濕循環試驗，分析了其路用長期工程特性及路堤結構型式，得出以下主要結論：

（1）炭質頁巖填料的CBR與回彈模量隨著試樣浸水時間增加均出現衰減，其中浸水前2天降幅最為明顯，浸水時間到達7天后逐漸趨于穩定，比浸水4天的分別下降了35.7%與15.6%。

（2）隨著干濕循環次數的增加，炭質頁巖填料的CBR與回彈模量逐漸降低，經歷5次循環后趨于穩定，5次循環后的穩定值較干濕前分別下降了48.7%和21.0%。

（3）相較于單次浸水時長，炭質頁巖的長期性質受干濕循環效應與風化作用衰減更為顯著，建議采用5次干濕循環后CBR值和回彈模量值作為炭質頁巖填料的長期強度指標，試驗表明，炭質頁巖的長期穩定CBR及風化料液限等指標滿足下路堤填料規范要求。

（4）針對炭質頁巖填料易風化崩解、吸水軟化的不良工程特性，給出了適用于貴州地區高速公路的炭質頁巖填方、挖方、填挖交界等路段的處置措施及典型路基結構型式。

參考文獻

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