曾鈴，肖柳意，劉杰，侯鵬，袁玉榮

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料工程性能試驗(yàn)研究

曾鈴1，肖柳意1，劉杰2，侯鵬1，袁玉榮1

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖作為路堤填料已在我國西南地區(qū)路堤工程中廣泛應(yīng)用，通過室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)分析壓實(shí)度、含水率以及酸堿環(huán)境對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路用性能、力學(xué)性能及滲透特性的影響，并結(jié)合婁底龍瑯高速對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量、CBR值、抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大呈線性增長，隨含水率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的波動(dòng)趨勢；CBR值和抗壓強(qiáng)度隨pH值的增大呈負(fù)相關(guān)變化，而回彈模量則隨pH值的增大呈正相關(guān)變化；預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)隨壓實(shí)度的增大逐漸減小，隨含水率的增加逐漸增加，pH值的增大均可使?jié)B透系數(shù)增大，其中壓實(shí)度對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)影響最大；隨含水率的增加，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)由粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?，酸性環(huán)境下試樣片狀結(jié)構(gòu)的厚度較堿性環(huán)境薄，堿性環(huán)境下試樣微觀結(jié)構(gòu)呈塊狀且粉末狀成分增多。

路堤工程；預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖；路用性能；力學(xué)性能；滲透特性；電鏡掃描

炭質(zhì)泥巖是由軟弱灰?guī)r、砂巖、頁巖和頁巖互層等沉積類巖石構(gòu)成的地質(zhì)體[1]，干燥條件下其力學(xué)性能良好，但因其含大量親水性極強(qiáng)的黏土礦物，季節(jié)性降雨過程中巖體極易崩解而喪失結(jié)構(gòu)的整體性，造成炭質(zhì)泥巖填筑路堤沉降、崩坍及失 穩(wěn)[2-3]。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施迅速發(fā)展，不可避免在炭質(zhì)泥巖地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模路塹開挖和路堤填筑，存在廢料堆棄場地難尋和遠(yuǎn)距離運(yùn)土填筑造價(jià)高等問題，從經(jīng)濟(jì)與環(huán)保2方面考慮，利用預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖進(jìn)行路堤填筑勢在必行[4-5]。由于炭質(zhì)泥巖具有風(fēng)化快、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，其物理力學(xué)性能一直是廣大學(xué)者及工程人員的關(guān)注熱點(diǎn)[6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)泥巖類路堤填料路用性能已作大量研究，郭寅川等[7]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)風(fēng)化巖路基填料的路用性能及風(fēng)化程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，表明隨著風(fēng)化程度的加大，風(fēng)化巖路用性能與水溫敏感性降低；杜延軍等[8]研究了電石渣穩(wěn)定過濕黏土路基填料的路用性能，發(fā)現(xiàn)電石渣相對(duì)生石灰在相同摻量和養(yǎng)護(hù)條件下更利于填料中改良反應(yīng)的進(jìn)行，可有效地改善過濕黏土填料的路用性能；Muhanna等[9]研究表明，圍壓較小時(shí)對(duì)路基土體回彈模量影響較小，但當(dāng)圍壓超過100 kPa后，對(duì)回彈模量影響顯著增大。水對(duì)路堤土體的浸濕、飽和及沖刷作用，往往造成土體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致路基的各種病害發(fā)生[10-12]，針對(duì)上述現(xiàn)象，部分學(xué)者對(duì)泥巖填料的力學(xué)及滲透性能進(jìn)行研究。尚云東等[13]研究了HTAB改良膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)及水穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)溴烷銨改良后的膨脹土強(qiáng)度及水穩(wěn)定性均顯著提升；曾鈴等[14]基于三軸CT試驗(yàn)對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的力學(xué)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試樣壓實(shí)度越高，峰值強(qiáng)度越大，其應(yīng)力應(yīng)變曲線類似于黏土；Mario等[15]從物理、化學(xué)、力學(xué)和成分組成等角度研究了干濕循環(huán)對(duì)哥倫比亞安第斯山脈泥巖力學(xué)性能的影響。Ditchell等[16-18]從室內(nèi)、現(xiàn)場試驗(yàn)深入研究了壓實(shí)黏土襯里的防滲性能，證明壓實(shí)黏土是一種性能良好的填埋場襯里材料。上述研究在泥巖路用性能、力學(xué)性能及滲透特性等方面取得了較為豐碩的成果，促進(jìn)了路堤填筑技術(shù)的發(fā)展，但仍存在一些問題有待研究。首先，現(xiàn)有研究主要針對(duì)紅層泥巖、風(fēng)化花崗巖及膨脹土等，關(guān)于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖作為路堤填料的工程案例鮮見報(bào)導(dǎo)；其次，已有研究多集中于軟巖的某一性能或單一因素對(duì)軟巖性能的影響，而關(guān)于多因素對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖性能的系統(tǒng)研究寥寥可數(shù)。鑒于此，本文以婁底-龍瑯高速為研究背景，開展不同含水率、壓實(shí)度及酸堿環(huán)境條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的路用性能、力學(xué)性能及滲透特性試驗(yàn)研究，驗(yàn)證預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖作為路堤填料的可行性，以期為路堤填料施工提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用炭質(zhì)泥巖取自婁底龍瑯高速K9+800工點(diǎn)處，使其充分預(yù)崩解，充分崩解后的炭質(zhì)泥巖粒徑級(jí)配曲線見圖1；取充分預(yù)崩解的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行X線衍射分析，其X線衍射圖譜見圖2；可知，其礦物組成主要為石英、云母、綠泥石、高嶺石，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均≤7%，化學(xué)成分以SiO2，Al2O3和Fe2O3為主；對(duì)充分預(yù)崩解的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行基本物理試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤的工程實(shí)際，研究含水率、壓實(shí)度及酸堿環(huán)境(pH值)對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路用性能、力學(xué)性能及滲透特性的影響?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30—2015)規(guī)定路堤填筑工程中巖土體壓實(shí)度需大于等于90%[19]，故擬定4種壓實(shí)度分別為92%，94%，96%和98%；考慮自然狀態(tài)下含水率在10%左右浮動(dòng)，故配置4種初始含水率分別為6%，10%，14%和18%；考慮酸堿環(huán)境影響，故將配制試樣的蒸餾水pH值分別取5，7和9，對(duì)應(yīng)酸性、中性及堿性3種環(huán)境，采用控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，見表2。為降低試驗(yàn)誤差，各組試驗(yàn)做3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3組試驗(yàn)的平均值。

圖1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖粒徑級(jí)配曲線

圖2 炭質(zhì)泥巖X線衍射譜

表1 炭質(zhì)泥巖物理指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)規(guī)定[20]，采用路面材料強(qiáng)度儀測試預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量、CBR值及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表2 試驗(yàn)方案

圖3 部分泡水試樣

試驗(yàn)制樣所選的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖粒徑均小于2 mm，回彈模量試樣采用內(nèi)徑152 mm，高170 mm的試筒進(jìn)行制樣，試驗(yàn)過程中，先轉(zhuǎn)動(dòng)手輪對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓結(jié)束后，將預(yù)定壓力分成5份，分級(jí)進(jìn)行加載；CBR值試樣與回彈模量試樣尺寸一致，CBR試樣制取完成后，將試樣進(jìn)行泡水處理測其膨脹量，試樣泡水過程如圖3所示，再將泡水后的試樣在特定荷載下進(jìn)行貫入試驗(yàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使貫入桿以1.25 mm/min的速度壓入試件；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣直徑40 mm，高100 mm，試驗(yàn)過程中，以軸向應(yīng)變0.1 mm/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，且控制試驗(yàn)時(shí)間在20 min內(nèi)。

采用應(yīng)變式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，其剪切速率控制為0.8 mm/min，使試樣在3~5 min內(nèi)完成剪損；其部分剪切后的試樣如圖4所示。

采用變水頭法進(jìn)行滲透試驗(yàn)，將裝有滲透試樣的環(huán)刀裝入滲透容器中，慢慢開啟止水夾，水由筒底向上滲入，使試樣飽和。排除滲透容器內(nèi)的空氣，開始滲透試驗(yàn)，如圖5所示。

圖4 部分剪切試樣

圖5 滲透試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表3為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在不同壓實(shí)度、含水率及pH值條件下的回彈模量、CBR值、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及滲透系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路用性能

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖用于路基填筑，必須滿足路用性能的要求，本文主要對(duì)其回彈模量及CBR值(承載比)進(jìn)行研究。

2.1.1 回彈模量

回彈模量是反映路基承載力及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，可直接影響路基變形及應(yīng)力分布。圖6為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量隨含水率、壓實(shí)度及pH值變化曲線，由圖可知：1) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量隨含水率的增大呈現(xiàn)出線性降低的趨勢；2) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量隨壓實(shí)度的增大不斷增大，壓實(shí)度大于94%后其增長速率逐漸減緩；3) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量隨pH值的增大而增大，表明從酸性、中性到堿性環(huán)境下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量依次增大，且改變相同的pH值從堿性到中性的回彈模量變化速率大于從中性到酸性的變化速率。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

回彈模量隨含水率增大而減小的主要原因?yàn)?，水進(jìn)入土粒間可起潤滑作用[21]，水的潤滑會(huì)造成土的塑性變形逐漸增大，而塑性變形是不可恢復(fù)的故導(dǎo)致其回彈模量逐漸減小；回彈模量隨壓實(shí)度的增大不斷增大主要是因?yàn)椋瑝簩?shí)度越大，試樣的內(nèi)部孔隙越小，顆粒間結(jié)合越緊密；因炭質(zhì)泥巖中含有與酸堿都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，酸堿性環(huán)境下會(huì)改變炭質(zhì)泥巖原有的礦物組成，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變從而影響回彈模量的變化。

圖6 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量

2.1.2 CBR值

CBR值反映路基抗局部剪力的性能，是衡量路基填料強(qiáng)度的重要指標(biāo)[22]。圖7為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的CBR值隨含水率、壓實(shí)度及pH值變化曲線，由圖可知：1) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的CBR值隨含水率的增大先增大后減小，在含水率為10%時(shí)達(dá)到最大值；2) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的CBR值隨壓實(shí)度的增大而增大，且在壓實(shí)度達(dá)到94%后其增長速率逐漸減緩；3) 在酸堿性環(huán)境下都會(huì)不同程度的降低預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的CBR值，且酸性條件對(duì)CBR值的影響程度較堿性條件大。

圖7 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的CBR值

CBR值隨含水率增大先增大后減小是因?yàn)樗谕亮ｉg以自由水和結(jié)合水2種形式存在，自由水在土粒間主要起潤滑作用，當(dāng)試件發(fā)生剪切移動(dòng)時(shí)主要是通過顆粒間的水膜分子來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)含水率較低時(shí)土粒間的水主要以結(jié)合水的形式存在，達(dá)到最佳含水率后土中的水主要以自由水的形式存在。CBR值隨壓實(shí)度的增大不斷增大的原因?yàn)?，壓?shí)度越高，土粒間的孔隙越小，顆粒間結(jié)合越緊密，炭質(zhì)泥巖主要由SiO2，Al2O3和Fe2O3等組成而這些成分在酸堿性環(huán)境下都會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致炭質(zhì)泥巖的組成成分發(fā)生改變，而礦物組成是影響炭質(zhì)泥巖CBR值的一個(gè)重要因素。

2.2 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖力學(xué)性能

2.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

土的無側(cè)限強(qiáng)度指土在無側(cè)限條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。圖8為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率、壓實(shí)度及pH值變化曲線，由圖可知：1) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度隨含水率先增大后減小，在含水率為14%時(shí)達(dá)到最大值，且在含水率由6%變化到10%這一階段抗壓強(qiáng)度的變化速率最大；2) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加呈現(xiàn)正相關(guān)增長，且增長曲線較平緩，無波動(dòng)點(diǎn)；3) 酸性及堿性環(huán)境下，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低，且在酸性環(huán)境下的變化速率小于在堿性環(huán)境下的變化速率。

圖8 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限強(qiáng)度隨含水率變化的原因?yàn)椋?dāng)含水率較低時(shí)，進(jìn)入土粒間的水主要以結(jié)合水的形式存在，結(jié)合水可加強(qiáng)土粒分子間的相互作用力。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度

土的抗剪強(qiáng)度是描述土體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，其抗剪強(qiáng)度決定了土工建筑物的承載力及穩(wěn)定性。對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖進(jìn)行直剪試驗(yàn)可得到試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線圖，選取典型試樣(T3)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線圖見圖9；由圖可知，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的剪切位移-剪應(yīng)力曲線均為平緩、光滑的曲線，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力逐漸增大。

圖9 剪應(yīng)力-剪切位移曲線(T3)

由各組試樣的剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線圖可得到各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度值，見表4。由表可知：1) 各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，隨法向應(yīng)力增加而增大； 2) 各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖濕化變形后的抗剪強(qiáng)度在一定區(qū)間內(nèi)變動(dòng)，法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，變化范圍為77.9~248.2 kPa，法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)，變化范圍為124.1~266.6 kPa，法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，變化范圍為152~342.5 kPa，法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)，變化范圍為205.1~412.3 kPa；進(jìn)而得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖剪切強(qiáng)度指標(biāo)，即內(nèi)摩擦角()和黏聚力()，具體結(jié)果如表5所示。

由表5可知：1) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力值在33.2~175.4 kPa范圍內(nèi)變化，內(nèi)摩擦角在9.8°~44.7°之間變化；2) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力()隨含水率增加先增大后減小，在含水率為10%時(shí)達(dá)到最大值175.4 kPa，內(nèi)摩擦角()則隨含水率增加逐漸減小；3) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力()隨壓實(shí)度的增大而增大，內(nèi)摩擦角()則隨壓實(shí)度增加先增大后減小在壓實(shí)度為94%時(shí)達(dá)到最大值；4) 酸堿性環(huán)境下黏聚力()和內(nèi)摩擦角()都會(huì)不同程度降低。

表4 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度

表5 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的c, φ值

2.3 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透特性

滲透系數(shù)是評(píng)價(jià)土體滲透固結(jié)性能的重要指標(biāo)，圖10為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在不同壓實(shí)度、含水率、酸堿環(huán)境下的滲透系數(shù)。由表可知：1) 各組炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)處在10-5~10-7cm·s-1量級(jí)，滲透性較低；2) 滲透系數(shù)隨含水率的增大逐漸增大； 3) 滲透系數(shù)隨壓實(shí)度的增大逐漸減??；4) 酸堿性環(huán)境下都會(huì)使?jié)B透系數(shù)不同程度的增大；5) 含水率、壓實(shí)度、酸堿性都會(huì)對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透性能造成影響，但影響的程度不相同，根據(jù)滲透系數(shù)變化的波動(dòng)程度可知壓實(shí)度＞酸堿性環(huán)境＞含水率。

圖10 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)

滲透系數(shù)隨含水率的增大逐漸增大的原因?yàn)?，含水率越高土粒間自由水的含量就越高，根據(jù)滲透原理可知含水率越高即水通過試樣的時(shí)間就越短，故滲透系數(shù)隨含水率增大而增大；滲透系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而減小的原因?yàn)?，壓?shí)度越高土粒間的孔隙越小，故水滲透試樣的速度越慢，酸堿性環(huán)境會(huì)破壞土樣原有的結(jié)構(gòu)加大其孔隙率和孔隙比故水樣通過孔隙的時(shí)間縮短。

3 性能演變機(jī)理分析

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖其構(gòu)成物質(zhì)較復(fù)雜且遇水后極易崩解，由于其特殊的水理特性，若只從宏觀角度對(duì)其性能進(jìn)行研究，具有一定的局限性，故須利用掃描電鏡從微觀結(jié)構(gòu)方面對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖性能開展研究。取含水率為6%(T1)，10%(T2)，14%(T3)和18%(T4)以及在含水率為14%的酸性(T8)及堿性(T9)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖進(jìn)行電鏡掃描分析，其掃描結(jié)果見圖11所示。

(a) 含水率6%(T1)；(b) 含水率10%(T2)；(c) 含水率14% (T3)；(d) 含水率18% (T4)；(e) pH值為5(T8)；(f) pH值為9(T9)

由圖11可知：1) 含水率為6%時(shí)，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖多為粒狀及柱狀顆粒，結(jié)構(gòu)邊界清晰，顆粒之間存在孔隙；2) 含水率達(dá)到10%時(shí)，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖粒狀結(jié)構(gòu)減少，開始出現(xiàn)膠結(jié)的片狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)邊界逐漸模糊；3) 含水率為14%時(shí)，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖粒狀結(jié)構(gòu)完全消失，內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺罱Y(jié)構(gòu)，膠結(jié)程度大幅度增強(qiáng)；4) 含水率為18%時(shí)，試樣仍以片狀結(jié)構(gòu)為主，但由于含水率過高，試樣干燥后內(nèi)部存在少量為孔隙；5) 在含水率相同的環(huán)境下，酸性環(huán)境會(huì)改變其片狀結(jié)構(gòu)的厚度，酸性環(huán)境下其厚度更薄，堿性環(huán)境下，其組成成分會(huì)結(jié)塊且粉末狀結(jié)構(gòu)增多。

結(jié)合預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖性能，可知：1) 堿性條件會(huì)破壞預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀分子間的黏聚力，故酸堿性環(huán)境下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度及CBR值均有不同程度的減?。?) 由于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的微觀顆粒隨含水率的變化呈現(xiàn)出單個(gè)顆粒到結(jié)塊最后為粉末狀的規(guī)律，期間顆粒分子間的黏聚力會(huì)呈現(xiàn)出先增大后減小，故預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度及CBR值會(huì)呈現(xiàn)出隨含水率變化先增大后減小的變化趨勢。

4 工程應(yīng)用

炭質(zhì)泥巖遇水極易崩解、強(qiáng)度劣化等特性是其異于其他填料的重要特征，也是炭質(zhì)泥巖不能直接用于路堤填筑的主要原因。

婁底龍瑯高速沿線路段炭質(zhì)泥巖分布較廣，在其修建過程中，針對(duì)炭質(zhì)泥巖遇水崩解的特性，利用控制預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的含水率及壓實(shí)度的方法來控制填筑路堤的回彈模量及CBR值的施工工藝。為了更加符合實(shí)際施工情況，將開挖出的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行晾曬澆水碾壓等方法使其完全崩解，施工過程中炭質(zhì)泥巖是否完全崩解的判斷依據(jù)參照室外崩解試驗(yàn)結(jié)果。施工的基本過程如下：將開挖出的炭質(zhì)泥巖挖通過晾曬澆水碾壓等方法使其完全崩解，達(dá)到穩(wěn)定后，裝載運(yùn)送至施工場地，并測定其含水率，通過灑水或曬干的方法使填料處于最佳施工含水率狀態(tài)，采用推土機(jī)攤鋪，采用先靜后動(dòng)的碾壓方法對(duì)其進(jìn)行碾壓，并隨時(shí)監(jiān)控其壓實(shí)度。具體施工工藝：開挖→預(yù)崩解→裝運(yùn)→卸料→含水率確定→攤鋪→初壓→整平→碾壓→檢測填料壓實(shí)度→檢測填料回彈模量及CBR值→終壓。采用上述工藝施工的婁底龍瑯高速K9+700-K10+010實(shí)踐路段，經(jīng)過多次暴雨、特大暴雨后，并未出現(xiàn)路堤的整體失穩(wěn)、不均勻沉降等病害。

5 結(jié)論

1) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的回彈模量、CBR值、抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大而增大，在壓實(shí)度保持一致的情況下回彈模量隨含水率的增大而減小，CBR值和抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大先增大后減小，最佳含水率時(shí)達(dá)到最大值。

2) 酸堿環(huán)境可使預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的CBR值和抗壓強(qiáng)度降低，而回彈模量則隨pH值的增大逐漸增大。

3) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)隨壓實(shí)度的增加逐漸減小，隨含水率的增加逐漸增加，酸堿環(huán)境可使?jié)B透系數(shù)增大，壓實(shí)度對(duì)炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)影響最大。

4) 隨含水率的增加，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)呈片狀，酸性環(huán)境下片狀結(jié)構(gòu)厚度變薄，堿性環(huán)境下，其片狀結(jié)構(gòu)結(jié)塊且粉末狀成分逐漸增多。

5) 婁底龍瑯高速K9+700-K10+010實(shí)踐路段表明：對(duì)于崩解的炭質(zhì)泥巖填筑的路堤，根據(jù)本文試驗(yàn)得出的壓實(shí)度和含水率進(jìn)行壓實(shí)，控制其回彈模量、CBR值，結(jié)果表明預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖用做路堤填料完全可行。

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Experiment study on road mechanical properties and permeability characteristics of pre-disintegration carbonaceous mudstone

ZENG Ling1, XIAO Liuyi1, LIU Jie2, HOU Peng1, YUAN Yurong1

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Pre-disintegrated carbonaceous mudstone has been widely used as embankment filling in southwest China. The effects of compaction degree, water content and acid-base environment on road performance and permeability characteristics of pre-disintegrated carbonaceous mudstone were studied. Combined with Longlang expressway project in Hunan province, its road preface were analyzed. The results show that the resilience modulus, CBR value and compressive strength of pre-disintegrated carbonaceous mudstone increase with the increase of compaction degree, and increase first and then decrease with the increase of water content. The acid-base environment will reduce the CBR value and compressive strength, while the resilience modulus will gradually increase with the increase of pH value. The permeability coefficient of pre-disintegrated carbonaceous mudstone decreases with the increase of compaction degree, and increases with the increase of water content. The pH value can increase the permeability coefficient, and the compaction degree has greatest influence on permeability coefficient of pre-disintegrated carbonaceous mudstone. With the increase of water content, the microstructure of pre-disintegrated carbonaceous mudstone changed from granular to flaky. The thickness of the microstructure is thinner in acidic environment, and the microstructure is blocky and powdery component is gradually increased in alkaline environment.

embankment engineering; carbonaceous mudstone; road performance; mechanical properties; permeability characteristics; electron microscopy

10.19713/j.cnki.43-1423/u. T20190301

TU411

A

1672 - 7029(2020)01 - 0073 - 09

2019-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51838001，51878070，51678074，51578079)；湖南創(chuàng)新性省份建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2019SK2171)；長沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(kql905043)

曾鈴(1986-)，男，重慶人，副教授，博士，從事道路工程研究；E-mail：zl001@csust.edu.cn

(編輯 涂鵬)