張澤豐，肖俊杰，何 淋，嚴(yán) 勇

湖南省通泰工程有限公司，湖南 長沙 410018

炭質(zhì)泥巖其因富含炭質(zhì)常表現(xiàn)出易崩解、遇水易軟化膨脹、受載條件下承載力偏低等諸多不良特性[1]，對此，高速公路等工程建設(shè)中多采用繞道避行或棄土換填等處理措施。隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，通過直接取土或開山采石等方式獲取的天然優(yōu)質(zhì)填料已不能滿足路基填筑的緊迫需求，資源匱乏使得利用炭質(zhì)泥巖這一不良填料修筑路基勢在必行。

近年來，已有學(xué)者意識到炭質(zhì)泥巖的特殊性能，并針對沉降變形及邊坡失穩(wěn)等常見問題進(jìn)行了探索。陳羽等[2]通過室內(nèi)試驗(yàn)對炭質(zhì)泥巖填料的路用性能進(jìn)行了考察，綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)后指出炭質(zhì)泥巖僅適用于93區(qū)及以下位置的路基填筑。曾鈴等[3]對干濕循環(huán)影響下炭質(zhì)泥巖的裂隙發(fā)展規(guī)律開展了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裂隙數(shù)量等指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)大，并建立裂隙率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的回歸關(guān)系為炭質(zhì)泥巖路基邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算提供了理論依據(jù)。葉朝良等[4]進(jìn)行的系統(tǒng)性室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明，炭質(zhì)泥巖因具有較強(qiáng)的親水能力而導(dǎo)致遇水軟化后沉降變形大幅增大，隨后提出路基施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格防控填料浸水軟化以避免施工后及運(yùn)營期沉降過大而危害行車安全。敖亦兵等[5]通過強(qiáng)度折減法探討了降雨情況下炭質(zhì)泥巖的邊坡狀態(tài)，得出降雨使其安全系數(shù)顯著減小，而控制路堤壓實(shí)度不低于93%則可保證路堤邊坡不發(fā)生失穩(wěn)滑塌的重要結(jié)論。

綜上所述，已有成果多關(guān)注炭質(zhì)泥巖本身的多項(xiàng)特性與演化規(guī)律，并為工程實(shí)際提供了大量有益參考，但少有關(guān)于改良炭質(zhì)泥巖路用性能的研究?；诖耍恼聦?shí)際高速公路炭質(zhì)泥巖路基填料進(jìn)行水泥改良，通過室內(nèi)試驗(yàn)考察其崩解情況、CBR及抗壓強(qiáng)度等路用性能，以期為類似工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 天然炭質(zhì)泥巖工程性質(zhì)

1.1 基本物理性能

文章所用炭質(zhì)泥巖取自湖南省，依照土工試驗(yàn)規(guī)程要求的測定方法，對其進(jìn)行室內(nèi)基本物理性能試驗(yàn)。顆粒分析結(jié)果如圖1所示，計(jì)算可知不均勻系數(shù)為Cu=3.9＜5且曲率系數(shù)Cc=0.8＜1，據(jù)此判定該炭質(zhì)泥巖具有不良級配，難以充分壓實(shí)。此外，擊實(shí)試驗(yàn)與界限含水率測定結(jié)果如表1所示。

圖1 炭質(zhì)泥巖顆粒級配曲線

表1 基本物理性能測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

1.2 崩解與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

前期研究顯示，炭質(zhì)泥巖因崩解而強(qiáng)度衰減是導(dǎo)致其填筑的路基易發(fā)生病害的關(guān)鍵問題。為此，對炭質(zhì)泥巖試樣開展崩解試驗(yàn)以考察其崩解特性，試驗(yàn)方法與潘藝等[6]的研究一致。結(jié)果顯示，試樣質(zhì)量的崩解損失量隨干濕循環(huán)的增長而增大，直至經(jīng)歷7次循環(huán)后崩解基本穩(wěn)定，造成的質(zhì)量損失率約為11.07%。

干燥、自然、飽水條件下炭質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度分別為23.2MPa、17.7MPa、11.9MPa，即隨濕度水平的提高而明顯降低。綜合崩解性試驗(yàn)結(jié)果，可知當(dāng)所處環(huán)境的濕度較大時(shí)，炭質(zhì)泥巖會崩解裂化為粒徑更小的顆粒，導(dǎo)致強(qiáng)度驟減而引發(fā)路基災(zāi)變。

1.3 CBR與膨脹率試驗(yàn)

CBR值可反映填料強(qiáng)度，故對此次研究中的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行CBR測試，同時(shí)，也關(guān)注其膨脹率，試驗(yàn)時(shí)試件壓實(shí)度選定為96%。數(shù)據(jù)顯示，該炭質(zhì)泥巖的膨脹率為0.87%，低于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中以40%為界限值的判斷依據(jù)。此外，CBR值為7.74%，不滿足高速公路和一級公路路基填料的CBR值不得低于8%的要求。顯然，此天然炭質(zhì)泥巖路基填料需進(jìn)行改良處治以提高路用性能。

2 水泥改良炭質(zhì)泥巖路用性能

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

對不良填料進(jìn)行化學(xué)處治時(shí)，水泥改良的方法因取材容易而被廣泛采用。根據(jù)朱自強(qiáng)等[7]開展的干濕循環(huán)作用對水泥改良泥質(zhì)板巖土路基動力響應(yīng)影響的模型試驗(yàn)，分別在天然炭質(zhì)泥巖加入3%、4%、5%及6%的32.5號波特蘭水泥。隨后，對水泥改良填料進(jìn)行重型擊實(shí)，試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 水泥改良炭質(zhì)泥巖擊實(shí)結(jié)果

由表2可知，水泥的加入提高了炭質(zhì)泥巖的最佳含水率，降低了其最大干密度。這可能是因?yàn)樗嘀泻械墓杷崛}等礦質(zhì)與炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的水反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣等化合物，有助于水泥顆粒重新暴露于表面，再次發(fā)生水化反應(yīng)，出現(xiàn)更多的化合物將泥巖顆粒包裹，使其形成膠體繼而與其他顆粒出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)表2中的各水泥摻量對應(yīng)的炭質(zhì)泥巖技術(shù)參數(shù)，制備最佳含水率和96%壓實(shí)度下的試件并按規(guī)范養(yǎng)護(hù)7d，隨后測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增多而持續(xù)變大，且當(dāng)水泥摻量介于3%～4%時(shí)其值超過0.8MPa。這是因?yàn)樗嗨玫乃锊粌H與水泥顆粒共同形成堅(jiān)硬骨架，還使炭質(zhì)泥巖顆粒穩(wěn)定成團(tuán)。對于高速公路而言，應(yīng)采取0.8MPa作為路床填料的強(qiáng)度控制指標(biāo)。全面考慮上述試驗(yàn)結(jié)果以及經(jīng)濟(jì)成本，認(rèn)為4%可作為改良炭質(zhì)泥巖的最佳水泥摻量。

2.3 改良效果驗(yàn)證

采用體現(xiàn)路基抗變形性質(zhì)的指標(biāo)，即回彈模量以檢測水泥改良炭質(zhì)泥巖的實(shí)用效果。將添加4%水泥的炭質(zhì)泥巖按要求在路基現(xiàn)場填筑試驗(yàn)段，隨后壓實(shí)并進(jìn)行養(yǎng)生處理。通過便攜式落錘彎沉儀測定路基頂面回彈模量，承載板直徑為30cm。路基現(xiàn)場回彈模量實(shí)測結(jié)果如表3所示。分析現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，9個(gè)測點(diǎn)的回彈模量值最低為60.7MPa，平均值為82.5MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，路基頂面回彈模量不得小于50MPa，因此摻入4%水泥的炭質(zhì)泥巖滿足路基填筑要求，路用性能較好。

表3 路基現(xiàn)場回彈模量實(shí)測結(jié)果 單位：MPa

3 結(jié)論

（1）炭質(zhì)泥巖在干濕循環(huán)下發(fā)生崩解，此過程帶來的崩解損失約為總質(zhì)量的11%。此外，炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度在干燥狀態(tài)下高于吸水狀態(tài)。

（2）對天然炭質(zhì)泥巖開展的CBR試驗(yàn)結(jié)果表明，其強(qiáng)度較低，不滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值?；诖?，需對其穩(wěn)定性和強(qiáng)度給予高度重視。

（3）炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度經(jīng)水泥改良后顯著增強(qiáng)，滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，4%的水泥摻量可使路基現(xiàn)場的回彈模量實(shí)測值達(dá)到要求。從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，4%可作為炭質(zhì)泥巖改良時(shí)的最佳水泥用量。