陳文　韋建飛　黎兆端　徐婧　寧國梁

作者簡介：陳 文（1991—），助理工程師，主要從事公路工程項(xiàng)目管理工作。

摘要：為了解廣西寧明地區(qū)公路路基填料干濕循環(huán)后的不良工程特性，文章采用水泥對路基填料進(jìn)行改良，研究改良填料在干濕循環(huán)后的工程特性，并根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率對改良填料試樣進(jìn)行崩解性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、承載比、三軸試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：水泥作為一種改良劑，能夠減小路基填料崩解性，提高承載比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、三軸試驗(yàn)峰值應(yīng)力與彈性模量;而干濕循環(huán)作用則與之相反，干濕循環(huán)作用前3次劣化作用最為顯著，隨著循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，其劣化作用逐漸減弱;不同摻量的水泥均能極大地提高填料抵抗干濕循環(huán)產(chǎn)生劣化作用的能力;水泥摻量越大，路基填料工程特性越好，但考慮到經(jīng)濟(jì)因素，以摻比5%為最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：路基工程;水泥改良;粉砂巖;干濕循環(huán);填料性能

中國分類號：U416.1+1A150526

0 引言

寧明地區(qū)公路沿線多山地，出露地層巖性主要以侏羅系粉砂巖為主，巖層較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石為風(fēng)化程度不一、強(qiáng)度較低的軟巖，巖體抗水性較弱?？紤]到山區(qū)道路修建過程中常需要進(jìn)行路塹修建，易產(chǎn)生大量挖方，加之山區(qū)道路狹窄險峻，運(yùn)出挖方成為一大難題，且路基填料的運(yùn)進(jìn)也不方便。為解決路基填料與挖方運(yùn)輸難題，也為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源與成本，公路路基采用粉砂巖挖方為填料進(jìn)行填筑。但將壓碎后的巖土用作填料會產(chǎn)生路基不均勻沉降、承載力不足等問題，而且寧明地區(qū)氣候終年高溫多雨，易使路基填料處于周期性失水-吸水過程中，進(jìn)一步加劇了不良工程地質(zhì)問題的產(chǎn)生。因此有必要對巖土填料進(jìn)行改良，并進(jìn)一步研究其在干濕循環(huán)作用下的力學(xué)特性。

近年來，越來越多的山區(qū)公路開工建設(shè)，出現(xiàn)了很多采用改良巖土填筑路基的案例，眾多學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究。毛雪松等[1][2]研究了浸水后風(fēng)化千枚巖填筑路基的穩(wěn)定性，并用水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖路基填料，隨著水泥摻量的增加，填筑路基力學(xué)性能逐漸改善，且均能夠滿足高速公路路基填筑要求。祝艷波等[3]分別用水泥、石灰、粉煤灰對泥巖路基土進(jìn)行改良，并對改良后的路基土進(jìn)行了一系列土工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥、石灰、粉煤灰對路基土改良效果逐漸降低。馮卡等[4]建立了基于液性指數(shù)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型，能夠預(yù)測不同水泥摻量下路基土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，為實(shí)際工程中水泥用量提供參考依據(jù)。蔣應(yīng)軍等[5]對水泥改良后的黃土路基進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，并研究干濕循環(huán)后改良黃土的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用降低了抗壓強(qiáng)度，但在循環(huán)15次后趨于穩(wěn)定。趙明華等[6]基于大型模擬試驗(yàn)路堤及實(shí)體工程試驗(yàn)路段，研究了紅砂巖作為路用材料的路堤填筑技術(shù)，為紅砂巖地區(qū)高速公路路堤填筑提供了可靠的技術(shù)保證。綜上所述，已有研究主要對改良后的路基填料進(jìn)行力學(xué)性能測試，較少考慮干濕循環(huán)作用的影響，因此亟待開展干濕循環(huán)作用下改良路基填料的力學(xué)特性研究。

本文選取廣西寧明地區(qū)公路粉砂巖路基填料為研究對象，采用不同水泥摻量（3%、5%、7%）來進(jìn)行改良，并對改良后的路基填料進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)（0、1、3、5、10）的干濕循環(huán)，再將干濕循環(huán)作用后的改良路基填料進(jìn)行崩解試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)作用下改良路基填料工程力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣及物理特性

試驗(yàn)土樣取自廣西寧明地區(qū)公路沿線粉砂巖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察可知，填料為侏羅紀(jì)那蕩群粉砂巖，巖性為灰色、淺黃色、紫灰色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)地較軟。采用X射線衍射儀（XRD）對粉砂巖進(jìn)行礦物成分分析，測得該粉砂巖主要成分為72.12%的石英（Q）、12.58%的長石（P）、7.25%云母（M）、2.93%方解石（C）、5.12%高嶺石（K）（如圖1所示）。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]對填料進(jìn)行土工試驗(yàn)，得到巖土顆粒級配曲線（如圖2所示）。由圖2可知，d10、d30、d60對應(yīng)的粒徑分別為0.025 mm、0.2 mm、0.8 mm，由式（1）、式（2）計算可得填料不均勻系數(shù)Cc為2、曲率系數(shù)Cu為32，滿足路基填料不均勻系數(shù)Cu≥5、曲率系數(shù)Cc=1～3的要求，屬于級配良好的土。采用P[KG-1.5mm]·O 32.5普通硅酸鹽水泥對填料進(jìn)行改良，水泥摻量分別為3%、5%、7%（質(zhì)量比）。將原狀填料及改良填料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，分別得到最佳含水率與最大干密度（見表1）。擊實(shí)曲線如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)過程

按照擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率和最大干密度對原狀填料和水泥摻量分別為3%、5%、7%的改良填料進(jìn)行試樣制備，記錄質(zhì)量為m0。為模擬填料真實(shí)吸水-失水過程，采用自然浸水飽和與風(fēng)干的方法對制備的試樣進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為0（未進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)）、1、3、5、10次的干濕循環(huán)試驗(yàn)：（1）將制備好的試樣浸沒于25 ℃水中進(jìn)行自然飽和48 h;（2）將完成步驟（1）的試樣放置在陰涼通風(fēng)處進(jìn)行風(fēng)干，每隔1 h進(jìn)行一次質(zhì)量稱取，直至質(zhì)量在m0±5 g時停止風(fēng)干;（3）記完成步驟（1）、步驟（2）過程為1次干濕循環(huán)試驗(yàn)。對完成干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行崩解性試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 崩解性試驗(yàn)

將完成不同干濕循環(huán)作用次數(shù)的填料置于耐崩解試驗(yàn)儀中進(jìn)行崩解性試驗(yàn)，崩解率如圖4所示（原狀填料崩解性極強(qiáng)，各干濕循環(huán)次數(shù)下均完全崩解，考慮到比例原因，未在圖中畫出）。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，各水泥摻量改良填料崩解率均增加，且前3次干濕循環(huán)時崩解速率較快。同一干濕循環(huán)次數(shù)下，改良填料水泥摻量越大，崩解率越小，耐崩解性越好。相較于原狀填料完全崩解的現(xiàn)象，各水泥摻量改良填料崩解率均極小，最大值為0.46%。原因在于水泥是一種水硬性無機(jī)膠凝材料，能夠使得改良填料形成堅固、緊密的結(jié)構(gòu)，有效地提高了改良填料的耐崩解性，滿足路基填筑要求。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[8]要求，取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下7 d后的改良填料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。不同干濕循環(huán)次數(shù)下各水泥摻量改良填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各水泥摻量改良填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均減小，且前3次干濕循環(huán)時衰減速率較快。同一干濕循環(huán)次數(shù)下，改良填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增大，但增長率逐漸放緩，且3%、5%、7%水泥摻量改良填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為原狀土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的4.85、6.82、7.12倍，表明水泥作為一種改良劑有效地提高了路基填料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，滿足路基填筑要求。

2.3 承載比試驗(yàn)

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》[9]可知二級公路CBR≥6%，不同干濕循環(huán)次數(shù)下各水泥摻量改良填料承載比貫入試驗(yàn)曲線如圖6所示。隨著水泥摻量的增加，同一貫入量值對應(yīng)的單位壓力逐漸增大，以干濕循環(huán)次數(shù)n=3為例，貫入量為5 mm時，水泥摻量為0、3%、5%、7%對應(yīng)的單位壓力分別為709.92 kPa、8 865.53 kPa、18 558.41 kPa、24 375.03 kPa，對應(yīng)的CBR值分別為5.76%、84.43%、176.75%、232.14%，不同水泥摻比試樣分別為原狀填料單位壓力的12.48、26.14、34.34倍。由此可知原狀填料不滿足CBR值要求，但水泥能夠有效提高填料CBR值。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，各水泥摻量改良填料同一貫入量值對應(yīng)的單位壓力逐漸減小，且前3次干濕循環(huán)時衰減速率較快，以水泥摻量5%、貫入量5 mm為例，不同循環(huán)次數(shù)后（n=1、3、5、10）的單位壓力衰減率分別為10.8%、3.1%、1.1%、1.0%，表明干濕循環(huán)的劣化作用逐漸減弱。前3次干濕循環(huán)后，各水泥摻量改良填料貫入量為5 mm時對應(yīng)的單位壓力衰減率分別為45.2%、25.3%、13.6%、7.8%。由此可知水泥作為一種改良劑有效地提高了試樣抗干濕循環(huán)劣化作用，滿足路基填筑要求。

[XCmh6.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（a）0%水泥摻量[TS）][JY]

[XCmh7.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（b）3%水泥摻量[TS）]

[XCmh8.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（c）5%水泥摻量[TS）][JY]

[XCmh9.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（d）7%水泥摻量[TS）]

[JZ][HT9.H]圖6 改良填料單位壓力與貫入量關(guān)系變化曲線圖

2.4 三軸試驗(yàn)

不同水泥摻量下改良填料三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7～10所示，可知應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為5個階段[10]。

（1）壓縮階段：改良填料試樣內(nèi)部初始裂紋在荷載作用開始時閉合，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加緩慢增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出下凹型。

（2）彈性階段：隨著荷載進(jìn)一步增大，改良填料試樣內(nèi)部初始裂紋閉合完畢，試樣巖土顆粒作為骨架開始承受荷載，巖土顆粒間開始相對錯動并產(chǎn)生新裂紋，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加線性增長，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出直線型。

（3）彈塑性階段：荷載作用下產(chǎn)生的裂紋逐漸增大并和初始裂紋融合、貫通，再擴(kuò)展延伸至試樣表面，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加緩慢增長，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出上凸型。

（4）破壞階段：達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試樣沿裂紋貫通面破壞，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加急劇下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出直線型。

（5）殘余強(qiáng)度階段：試樣完全破壞后，其承載能力由破壞面之間的摩擦力提供，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加保持不變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出平直線型。

由圖7可知，原狀填料應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密階段和破壞階段不明顯，原因在于試驗(yàn)巖土顆粒較為松散，在荷載作用下較早地出現(xiàn)相對錯動，且塑性變形較大。在圍壓相同的條件下，試樣峰值應(yīng)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小，但衰減率逐漸放緩，且前3次衰減最為顯著。以圍壓25 kPa為例，不同循環(huán)次數(shù)后（n=1、3、5、10）的峰值應(yīng)力衰減率分別為31.88%、8.37%、3.94%、4.30%，表明干濕循環(huán)的劣化作用逐漸減弱。在干濕循環(huán)次數(shù)相同的條件下，試樣峰值應(yīng)力隨著圍壓增加逐漸增大。以循環(huán)次數(shù)n=3為例，不同圍壓下（σ3=25、50、100 kPa）的峰值應(yīng)力分別為690.02 kPa、992.27 kPa、1 201.98 kPa，表明增加圍壓能夠有效提高試樣峰值應(yīng)力。殘余強(qiáng)度變化規(guī)律和峰值應(yīng)力一致。

由下頁圖8～10可知，改良填料水泥摻量不改變應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式。隨著水泥摻量的增加，試樣峰值應(yīng)力逐漸增大。以圍壓50 kPa、干濕循環(huán)n=3為例，水泥摻量分別為3%、5%、7%時峰值應(yīng)力較原狀填料分別提高174.20%、228.05%、254.16%，表明增加水泥摻量有效提高了試驗(yàn)峰值強(qiáng)度。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣峰值應(yīng)力逐漸減小。以水泥摻量5%、圍壓50 kPa為例，不同循環(huán)次數(shù)后（n=1、3、5、10）的峰值應(yīng)力衰減率分別為4.93%、3.18%、1.56%、1.63%，較原狀填料衰減率大幅度減小，表明干濕循環(huán)的劣化作用逐漸減弱，且水泥作為一種改良劑有效地提高了試樣抵抗干濕循環(huán)產(chǎn)生劣化作用的能力。隨著圍壓增加，試樣峰值應(yīng)力逐漸增大。以水泥摻量5%、干濕循環(huán)n=3為例，不同圍壓下（σ3=25、50、100 kPa）的峰值應(yīng)力分別為3 037.45 kPa、3 255.11 kPa、3 428.28 kPa，表明增加圍壓能夠有效提高試樣峰值應(yīng)力。殘余強(qiáng)度變化規(guī)律和峰值應(yīng)力一致。

不同水泥摻量改良填料彈性模量變化曲線如圖11所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，改良填料彈性模量逐漸減小，前3次變化最為顯著，但整體衰減速率逐漸降低。以5%水泥摻量改良填料為例，圍壓分別為25、50、100 kPa時，干濕循環(huán)3次時彈性模量減小率分別為73.9%、83.3%、64.9%，表明干濕循環(huán)對改良填料的劣化作用前3次最為顯著，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢。隨著水泥摻量的增加，改良填料彈性模量逐漸增加。以圍壓25 kPa為例，水泥摻量分別為3%、5%、7%時，初始彈性模量較原狀填料（0水泥摻量）分別提高了189.3%、293.5%、362.3%，表明水泥作為一種改良劑有效地提高了填料的彈性模量。隨著圍壓的增加，改良填料彈性模量逐漸增加。以干濕循環(huán)3次為例，水泥摻量分別為0、3%、5%、7%時，圍壓為100 kPa時彈性模量較25 kPa時分別提高了44.5%、11.3%、19.0%、6.7%，表明增加圍壓是提高填料彈性模量的一種有效方式，但效果不如摻入水泥有效。三軸試驗(yàn)結(jié)果表明水泥改良填料能夠滿足路基填筑要求。

3 結(jié)語

（1）水泥與干濕循環(huán)是路基填料工程特性的重要影響因素。采用水泥作為改良劑對路基填料進(jìn)行改良，并對改良填料進(jìn)行干濕循環(huán)，再對干濕循環(huán)后改良填料進(jìn)行崩解試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥使得填料的崩解性得到了改善，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和承載比指標(biāo)得到了大幅度提高，三軸試驗(yàn)峰值應(yīng)力與彈性模量增幅明顯，而干濕循環(huán)作用則與之相反。

（2）干濕循環(huán)對路基填料工程特性的劣化作用主要集中在前3次，隨著循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，其影響效果越來越弱。水泥改良填料能夠有效地降低干濕循環(huán)的劣化作用，不同水泥摻量的改良填料在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后均能夠滿足現(xiàn)場填筑要求。路基填料水泥摻量越高，其工程特性越好，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，本文建議選取5%水泥摻量作為最佳摻比。

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