軟巖路堤填料干濕循環大型壓縮變形試驗研究

軟巖路堤填料干濕循環大型壓縮變形試驗研究

張靜波1，何斌1，楊露2，呂巖松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：為研究軟巖路堤填料在氣候環境作用下壓縮變形特性的演化規律，針對貴州省三黎高速公路強~中風化板溪群板巖填料，開展了不同干濕循環次數條件下的大型壓縮變形試驗。試驗結果表明：干濕循環會降低軟巖填料的峰值壓縮模量，但干濕循環3次和5次時其峰值壓縮模量已十分接近，可認為當干濕循環達到5次時，峰值壓縮模量趨于穩定；強~中風化板溪群板巖路堤適宜填筑高度上限為20m，當路堤高度大于20m時，應采用沖擊碾壓或強夯等補強措施來提高路基壓實度，增大填料壓縮硬化區間上限，減少工后沉降變形量。另外，本文對軟巖路堤填料的干濕循環大型壓縮變形試驗方法進行了探討，可為同行提供參考。

關鍵字：軟巖 填料 干濕循環 壓縮變形試驗

中圖分類號: TU411　　     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，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、強度衰減大等特性。如此大面積的利用板巖填筑路堤，在高速公路建成運營后，隨著氣候環境的變化，是否會出現因填料壓縮模量急劇衰減導致的路堤大變形是項目建設者非常關心的一個問題。課題組采用干濕循環的技術手段來模擬氣候環境對軟巖填料的影響，并開展了強~中風化板溪群板巖填料干濕循環條件下大型壓縮變形試驗研究，試驗數據將用以估算高速公路通車運營后軟巖路堤的工后沉降量。

關于干濕循環條件下軟巖填料的壓縮變形試驗，國內已有學者開展過相關研究，如談云志等[1]針對湖南某高速公路取土場的泥巖填料開展了荷載-干濕循環共同作用下的壓縮特性試驗（試樣尺寸為φ61.8 mm×20mm，烘干溫度50℃），試樣加熱加載裝置如下：在固結儀上部平板上放置加熱片和石棉網，將固結儀圓形槽置于石棉網上，并把試樣安裝在固結儀中，通過砝碼對試樣進行加載。試驗結果表明：在干濕循環效應下，泥巖的壓縮具有明顯的雙峰值特性。胡甜等[2]利用自行研制的大型直剪試驗儀，對紅砂巖土石混合填料進行了反復浸水干、烘干的濕循環條件下的大型一維側限壓縮試驗（試件尺寸為 0.5m×0.5m×0.3m，烘干溫度105℃）。試驗結果表明：干濕循環環境對紅砂巖土石混合料的壓縮變形有明顯影響，反復浸水干濕循環后，紅砂巖土石混合料的單位沉降量和壓縮系數均呈逐漸增大趨勢，且第二次干濕循環之前增長幅度較大，之后逐漸變緩；孔隙比也逐漸增大；前兩次浸水干濕循環后壓縮模量下降幅度較大，之后逐漸趨于穩定。紅砂巖土石混合料反復浸水干濕循環后壓縮性能有大幅度衰減，浸水紅砂巖土石混填高路堤沉降計算時考慮干濕循環條件的影響更符合實際工況?？渍饘嶽3]采用大型直剪儀對湖南地區紅砂巖進行了干濕循環壓縮試驗（試件尺寸為 0.5m×0.5m×0.3m，烘干溫度105℃），結果表明：相同干濕循環次數下，孔隙比隨著荷載的增大而減小。在荷載相同的情況下，壓縮模量隨干濕循環次數的增多而減小，6~10次干濕循環后壓縮模量基本不變。曹光栩等[4]以某機場工程為背景，開展了碎石料的干濕循環變形試驗（試樣尺寸φ101 mm× 200 mm，自由排水0.5h）和計算方法研究，結果表明：干濕循環變形對填方體的長期沉降變形影響較大，開展碎石料以及土石混合料的循環濕化變形研究具有較大的理論意義和實用價值。

不難看出，目前關于軟巖干濕循環壓縮試驗方法業內還未能取得一致意見，試件尺寸、干燥方法、試驗儀器也各不相同，但有一點結論是明確的：干濕循環效應對于軟巖填料的壓縮特性和軟巖路堤的長期沉降變形有較大影響，開展軟巖干濕循環壓縮變形試驗研究具有較大的工程意義。本文選擇三黎高速公路強～中風化板巖填料開展了不同干濕循環次數的大型壓縮變形試驗，對軟巖填料的大型壓縮變形試驗方法和三黎高速強~中風化板溪群板巖干濕循環條件下壓縮變形特性演變規律進行研究，以供今后開展相似試驗和研究參考。

1試驗材料、儀器及方法

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，超過了壓縮變形試驗的上限，鑒于超限顆粒比例很小，參照《土工試驗規程》（SL237-1999）[5]，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

為控制壓縮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%。按照93%的壓實度要求，壓縮變形試驗中，強~中風化板巖填料的制樣密度取2.082g/cm3。

1.2 試驗儀器

固結試驗采用大型壓縮變形儀，試樣尺寸Φ500×H250mm，最大豎向壓力1.6MPa。儀器圖片見圖2，設備主體包括剛性反力架，軸向油壓千斤頂、浮環式壓縮缸。

圖2 大型壓縮變形試驗儀

Fig2 Large scale consolidation compression test instrument

1.3試驗方法

為模擬氣候環境影響的干濕循環試驗，試件干燥狀含水率應接近于長期不降雨時邊坡中填料的含水率，其潮濕狀態含水率應接近于連續降雨時邊坡中填料的含水率，但實際試驗時，一是因為現場邊坡中填料的干濕狀態含水率難以準確獲得，二是室內試驗時填料含水率也難以準確控制，再者，工程人員更關心的是長期干濕循環作用之后的最不利狀態，因此，本課題在開展試驗研究時，將干燥狀態確定為通過重力排水+吹氣輔助排水至連續30s時間不再有水滴流出；潮濕狀態按飽和狀態考慮。

試樣采用浸泡結合真空抽氣法實現試樣的飽和，脫水時首先將浮環與浸水缸之間的水體抽出之后，再實現重力自由排水和充氣輔助排水。經實測和計算，試樣飽和含水率為22.4%，經重力自由排水后，含水率降至12%~13%，再經二氧化碳吹氣輔助排水，直至連續30s時間不再有水滴流出為止，含水率降至8%左右。從充分排水后試樣來看，對試樣結構起骨架作用的粗顆粒表面已無明水痕跡，水主要集中在細顆粒之間。如此反復以達到相應的干濕循環次數，再開始壓縮變形試驗。大型壓縮變形試驗方法參照《土工試驗規程》（SL237-1999）[5]。

2試驗成果整理

強至中風化板巖大型壓縮變形試驗成果詳見表1~表3，根據試驗成果整理得到壓縮試驗曲線見圖3~圖5。

表1 干濕循環下各壓力范圍的壓縮模量

Tab1. Compression modulus of each pressure range under dry wet cycles

表2 干濕循環下各級壓力對應孔隙比

Tab2. Void ratio at all levels of pressure under dry wet cycles

表3 干濕循環下各級壓力對應沉降變形

Tab3. Settlement deformation at all levels of pressure under dry wet cycles

圖3 不同干濕循環次數下壓縮模量與豎向荷載關系曲線

Fig.3 The curves between compression modulus and vertical load under different dry wet cycles  

圖4不同干濕循環次數下孔隙比與豎向荷載關系曲線

Fig.4 The curves between void ratio and vertical load under different dry wet cycles

圖5 不同干濕循環次數下沉降變形與豎向荷載關系曲線

Fig. 5 The curves between settlement deformation and vertical load under different dry wet cycles

3.試驗成果分析

1從表1和圖3可以看出，強~中風化板溪群板巖填料的壓縮模量呈現先硬化后軟化的特征，壓縮模量具有明顯的峰值，該峰值點清晰的區分了壓縮硬化階段和壓縮加速變形階段，峰值壓縮模量出現在豎向荷載0.2MPa~0.4MPa區間內；

2干濕循環次數會降低試樣的峰值壓縮模量，但干濕循環3次和5次其峰值壓縮模量已十分接近，即可認為當干濕循環達到5次以上時，峰值壓縮模量逐步趨近于某一個值，此處可認為趨近于50MPa；

3荷載進一步增大時，各干濕循環次數下的壓縮模量都趨近于某一個值，此處可認為是25MPa，而與干濕循環次數的關系不是十分明顯。

4從表2、表3和圖4、圖5可以看出，當荷載增大時，強~中風化板巖填料的孔隙比隨之減小，沉降變形隨之增大，但在荷載P≤0.4Mpa時，填料在相同壓力不同干濕循環次數條件下的孔隙比和沉降變形值差異不大，可以認為荷載P≤0.4Mpa時干濕循環次數對該填料的孔隙比和沉降變形沒有造成明顯影響。

5將表3中的沉降變形數據除以試樣高度可以求得沉降變形率，荷載用土柱高度進行等代，可得表4。

表4 不同填高處路基沉降變形率

Tab4. Settlement rate of different filling height

根據表4中的數據，采用分層總和法可以近似估算不同填高路基總沉降量，并采用線性插值法插入填高30m數據，見表5和圖6。

表5 不同填高路堤預估總沉降量

Tab 5.Estimated total settlement of different filling height

圖6 不同填高路堤預估沉降變形量

Fig 6.Estimated total settlement of different filling height

從表5和圖6中可以看出，該類填料在填高小于20m時，5次干濕循環作用將造成3.8cm的工后沉降，當填高為分別30m和40m，忽略粗粒料試驗的個別異常數據，干濕循環效應將會分別造成約10cm和15cm的工后沉降。因此，可以近似地認為該填料的適宜填高不大于20m。當路基高度大于20m時，應采用沖擊碾壓或強夯等補強措施來提高路基壓實度，增大填料壓縮硬化區間范圍，減少工后沉降變形量。

6從上述分析可以看出，強~中風化板溪群板巖填料的在干濕循環條件下，其壓縮變形特性較好，這與該填料的礦物成分中親水礦物含量相對較少（僅含伊利石，且含量＜16%）[6]有關系，也與文獻[6][7]揭示的該類填料其他工程特性相適應。干濕循環對其他親水礦物含量較高的軟巖壓縮變形特性影響會較大，今后可考慮開展親水礦物含量與干濕循環作用下壓縮變形特性之間的關系研究。

4.結論

1強~中風化板溪群板巖填料的壓縮模量呈現先硬化后軟化的特征，壓縮模量具有明顯的峰值，該峰值點清晰的區分了壓縮硬化階段和壓縮加速變形階段，峰值壓縮模量出現在豎向荷載0.2MPa~0.4MPa區間內。

2干濕循環次數會降低軟巖填料的峰值壓縮模量，但干濕循環3次和5次其峰值壓縮模量已十分接近，即可認為當干濕循環達到5次以上時，峰值壓縮模量逐步趨近于某一個值。對于強~中風化板溪群板巖而言，可認為其峰值壓縮模量趨近于50MPa。

3干濕循環大型壓縮變形試驗成果可以用來預估軟巖路基的適宜填筑高度，就三黎高速公路強~中風化板溪群板巖填料而言，其適宜填高應不大于20m。當路基高度大于20m時，應采用沖擊碾壓或強夯等補強措施來提高路基壓實度，增大填料壓縮硬化區間應力上限值，減少工后沉降變形量。

4強~中風化板溪群板巖填料的在干濕循環條件下，其壓縮變形特性較好，這與該填料的礦物成分中親水礦物含量相對較少有關。干濕循環對其他親水礦物含量較高的軟巖壓縮變形特性影響會較大，今后可考慮開展親水礦物含量與干濕循環作用下壓縮變形特性之間的關系研究。

參考文獻

[1]談云志,胡莫珍,周瑋韜,左清軍,汪洪星,喻波. 荷載-干濕循環共同作用下泥巖的壓縮特性[J]. 巖土力學,2016,08:2165-2171.

[2]胡甜,趙健,洪雄杰,郭巍. 干濕循環下紅砂巖路基填料壓縮特性試驗研究[J]. 工程勘察,2013,08:15-19.

[3]孔震寧. 干濕循環對紅砂巖工程特性的影響分析[J]. 公路與汽運,2015,05:93-96.

[4]曹光栩,宋二祥,徐明. 碎石料干濕循環變形試驗及計算方法[J]. 哈爾濱工業大學學報,2011,10:98-104.

[5]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.

[6]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.

[7]詹永祥,姚海林,張靜波,吳萬平,冉小兵.三黎高速強至中風化板巖路基填筑技術研究[J].公路,2016,05:8-14.