蘇楠，張振亞，王銳，張宏鍇，邵美鈞，劉宏慶，敖彬

（1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

頁巖是一種由黏土脫水膠結(jié)而成的黏土巖，由黏土物質(zhì)硬化形成的微小顆粒極易分裂成為明顯的巖層[1]。其成分復(fù)雜，由許多碎屑礦物(如石英、長石、云母等)、自生礦物(如鐵、錳的氧化物與氨氧化物等)以及黏土礦物(如高嶺石、蒙脫石、水云母、拜來石等)組成。具有明顯的頁狀或薄片狀層理，被硬物擊打后易成碎片，是由黏土物質(zhì)經(jīng)壓實(shí)、脫水、重結(jié)晶后形成的。頁巖極容易被風(fēng)化，風(fēng)化后呈松土狀，溫度與水是導(dǎo)致頁巖產(chǎn)生風(fēng)化作用的兩個關(guān)鍵因素，物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化則是頁巖的主要風(fēng)化類型[2]。頁巖具有膨脹性、極易風(fēng)化、遇水軟化、強(qiáng)度衰減較大、分布不均、成分不均、性質(zhì)不均等特點(diǎn)[3]，在我國分布主要集中在云南、貴州、廣西等西部地區(qū)。隨著中俄貿(mào)易往來頻繁，黑龍江省交通設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，公路建設(shè)逐漸開始途經(jīng)含頁巖分布區(qū)域，若將其棄之不用，不僅將大幅增加工程成本，還不利于對環(huán)境的保護(hù)。因而在路基建設(shè)中如途經(jīng)頁巖路段，應(yīng)盡可能采用頁巖作為筑路材料。本文結(jié)合黑龍江省省道前進(jìn)至胡吉吐莫公路前進(jìn)至通北段改擴(kuò)建項(xiàng)目所途經(jīng)的頁巖路段，對頁巖作為公路工程路基填筑材料時容易產(chǎn)生的病害及形成機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，旨在為黑龍江省寒區(qū)頁巖路段公路工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)提供參考，助力實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”的目標(biāo)。

1 頁巖基本物理力學(xué)性質(zhì)

在黑龍江省道前進(jìn)至胡吉吐莫公路前進(jìn)至通北段改擴(kuò)建項(xiàng)目途經(jīng)頁巖區(qū)域進(jìn)行頁巖取樣，所取頁巖抗壓強(qiáng)度為26MPa＜30MPa，故屬于軟巖，主要物理指標(biāo)包括比重、顆粒分析、液塑限、最佳含水率、最大干密度和承載比等。依據(jù)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）[4]，通過比重瓶法（T0112-1993）、顆粒分析（T0015-1993 篩分法、T0116-2007 密度計(jì)法）、液塑限聯(lián)合測定法（T0118-2007）、擊實(shí)試驗(yàn)（T0131-2019）與承載比試驗(yàn)（T0134-2019）的方法分別對頁巖進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，土樣的相應(yīng)測定參數(shù)見表1、顆粒分析見圖1。

表1 頁巖基本物理性質(zhì)參數(shù)

圖1 顆粒分析

從表1 可以看出，頁巖的塑性指數(shù)小于26、液限小于50%、加州承載比CBR 為6.8，通過《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）[5]對路基填料的要求可知，該頁巖適用于二級公路路基填料。

2 崩解病害形成機(jī)理

崩解是指巖石與水相互作用時會失去黏結(jié)力，水化過程中削弱巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)連結(jié)，使其變成一種完全喪失強(qiáng)度的松散物質(zhì)。頁巖具有復(fù)雜的崩解性[6]，未完全崩解穩(wěn)定的頁巖填料在其失水狀態(tài)下會容易收縮開裂，而遇水后極易吸水膨脹發(fā)生崩解。當(dāng)其用于公路建設(shè)時，長久裸露于空氣之中，在雨水和晝夜溫差的共同作用下致使強(qiáng)度降低直至泥化和崩解，使公路路堤強(qiáng)度降低而引起路堤的沉降變形。因此頁巖路堤在填筑施工前，要注意使炭質(zhì)頁巖填料完全崩解。中壓縮性土是頁巖崩解后的產(chǎn)物，在邊坡開挖后，新的巖體在自然環(huán)境中長期暴露會造成巖體破碎并降低頁巖強(qiáng)度，導(dǎo)致新開挖的邊坡較易失穩(wěn)。頁巖的崩解性對道路沿線的交通將造成較大的安全隱患，易造成交通事故與人員傷亡，給國民帶來經(jīng)濟(jì)損失及生命安全威脅。當(dāng)頁巖作為路基填料時，為了保證填筑效果，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)崩解。

將選取的頁巖巖塊放置到托盤中，對頁巖進(jìn)行干濕循環(huán)預(yù)崩解。具體試驗(yàn)方法參考張宏鍇等[7]研究方案，即室內(nèi)進(jìn)行烘干（105°烘箱中8h 以上至恒重）→冷卻至室溫→浸水（24h）→烘干（105°烘箱中8h 以上至恒重）為完成一次干濕循環(huán)，每完成一次崩解依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）規(guī)范中的T0015-1993 篩分法進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，首先對試樣進(jìn)行篩分，采用從小到大 依 次 為 0.075mm、0.250mm、0.500mm、1.000mm、2.000mm、5.000mm、10.000mm、20.000mm、40.000mm 的規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)篩，記錄每次試樣顆粒級配情況，并與上一次的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，直至篩分結(jié)果基本穩(wěn)定為止，此時的狀態(tài)判定為崩解完成，如圖2 所示。針對沿線區(qū)域頁巖進(jìn)行崩解的試驗(yàn)結(jié)果表明，頁巖崩解時變化主要集中在前3 個周期，崩解在7 次干濕循環(huán)后，基本崩解完成，此時可得到較為合適當(dāng)作路基填筑材料的頁巖。

圖2 室內(nèi)崩解試驗(yàn)

3 凍融病害形成機(jī)理

土中水凍結(jié)變成冰，體積增大9%，當(dāng)土中水體積膨脹足以引起土顆粒之間相對位移時就形成土的體積膨脹，稱為土的凍脹[8]。由于頁巖自身含親水礦物，在大氣降水等外界因素影響下遇水后極易吸收，在黑龍江省受寒區(qū)復(fù)雜凍融的氣候環(huán)境下，頁巖作為路基填筑材料，夏季在大氣降水及周圍環(huán)境的影響下，如沒有做好有效的路基隔水與排水等相應(yīng)措施，雨水滲入到親水性較好的頁巖路基中，將影響其工程性質(zhì)。進(jìn)入冬季，大氣溫度降低，浸入到頁巖路基填料的自由水開始凍結(jié)，在水凍結(jié)成冰的過程中伴隨著土體膨脹，而隨著溫度的進(jìn)一步降低，在土中毛細(xì)孔隙的影響下，未凍結(jié)的自由水會不斷向已凍結(jié)的區(qū)域遷移集聚，凍脹現(xiàn)象逐步增大。地基土或路基土?xí)騼雒浂a(chǎn)生凍脹力，在凍脹力大于上覆路基荷載作用時，地基或路基將會產(chǎn)生隆起變形。在這種反復(fù)凍融循環(huán)的作用下，土中孔隙逐漸增大，土體強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性變差，路基容易出現(xiàn)隆起或坑槽病害，進(jìn)而會反射到路面結(jié)構(gòu)層，路面易形成橫向裂縫、縱向裂縫及波浪等病害，影響正常的道路使用，甚至危及駕駛員的人身安全。

土體破壞主要是由于其抗剪強(qiáng)度小于其在外力作用下的局部受力，導(dǎo)致土體的一部分對另外一部分產(chǎn)生相對滑動，使土體的整體性遭到嚴(yán)重破壞。土的抗剪強(qiáng)度通常由束縛水膜的分子和膠結(jié)物所產(chǎn)生的黏聚力c 及土顆粒之間的內(nèi)摩擦角φ 來評價，用于估算地基承載力和確定地基穩(wěn)定性。為了探究凍融循環(huán)次數(shù)對頁巖力學(xué)性質(zhì)的影響，需以抗剪強(qiáng)度摩擦角φ和黏聚力c為研究參數(shù)，在最大干密度及最佳含水率的條件下，按土的體積-質(zhì)量的關(guān)系制備試樣，試樣高20.0mm，直徑61.8mm。試驗(yàn)時取過2.0mm 篩的篩下碾碎風(fēng)干土做試驗(yàn)。由壓力機(jī)靜壓成型后，調(diào)節(jié)低溫試驗(yàn)箱溫度至黑龍江省北安冬季平均氣溫-15℃并將試件放入，進(jìn)行凍結(jié)時間24h、融化24h 為一次的凍融循環(huán)，凍融循環(huán)次數(shù)參考楊愛武等[9]的研究方案，采用選取0、1、3、5、7、9、11、13 作為凍融循環(huán)次數(shù)，并分別對試件進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)的直接剪切試驗(yàn)。采用應(yīng)變控制式直剪儀，在剪切速度為0.8mm/min 的條件下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2，圖3為不同凍融次數(shù)與黏聚力的關(guān)系曲線，不同凍融次數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線如圖4所示。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)的c和φ值

圖3 不同凍融次數(shù)與黏聚力c的關(guān)系曲線

圖4 不同凍融次數(shù)與內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系曲線

從圖3和圖4中可以看出，在凍融循環(huán)次數(shù)增加的過程中，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ逐漸降低，在前3 次凍融循環(huán)影響下黏聚力c 與內(nèi)摩擦角φ 下降斜率明顯大于后者，黏聚力降低了80.5kPa，內(nèi)摩擦角降低了5.2°；從第7 次凍融循環(huán)開始斜率明顯趨緩，黏聚力降低了21.9kPa，內(nèi)摩擦角降低了3°。說明頁巖作為路基填料在前5 次凍融循環(huán)下黏聚力c 與內(nèi)摩擦角φ 下降較為明顯，并在第6 次凍融循環(huán)之后下降趨于平緩。

綜上可知，凍融對路基和邊坡的穩(wěn)定性將會產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致路基承載力降低或路基開裂，進(jìn)而反射到基層和面層，導(dǎo)致路面開裂，不僅嚴(yán)重影響道路的服務(wù)水平以及車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性，還會導(dǎo)致路基邊坡滑塌等工程危害，隨時有可能損害沿線公路、橋涵等設(shè)施。對于黑龍江省該頁巖區(qū)修筑的公路，在凍融循環(huán)前5 年內(nèi)需著重注意路基病害的防治。

4 邊坡滑塌形成機(jī)理

邊坡滑塌是由于暴露在自然環(huán)境中的路基坡面受到雨水的滲入及坡腳受到雨水或地下徑流長期的浸泡，特別是頁巖自身含親水礦物，導(dǎo)致在外界自由水的影響下，組成邊坡的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，導(dǎo)致邊坡土體失穩(wěn)，進(jìn)而形成邊坡滑塌等地質(zhì)災(zāi)害。這不僅影響道路通行，嚴(yán)重者會給駕駛?cè)藛T的人身安全及生命帶來極大的安全隱患。頁巖邊坡滑塌主要是因?yàn)轫搸r是一種容易風(fēng)化崩解、強(qiáng)度較低且具有一定膨脹性的軟巖，在公路工程建設(shè)動工之前，巖體往往都表現(xiàn)較為完整，力學(xué)性能較好。而在工程建設(shè)過程中，工程機(jī)械的開挖破壞了原有頁巖穩(wěn)定的自然狀態(tài)，并且部分巖體長時間裸露在大氣自然環(huán)境中，隨著頁巖不斷地受到雨水和日照的影響，形成干濕循環(huán)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)共同發(fā)生變化，在巖體內(nèi)局部出現(xiàn)疏散現(xiàn)象，對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡的滑塌。

5 地基沉降形成機(jī)理

地基沉降是指地基土層在附加應(yīng)力作用下壓密而引起的地基表面下沉。當(dāng)頁巖作為建筑物的地基時，很容易產(chǎn)生比較大的不均勻沉降，會使建筑物發(fā)生傾斜、開裂以至于不能正常使用。頁巖發(fā)生地基沉降變形的根本原因是因?yàn)槠鋲嚎s模量小[10]。地基沉降變形另一原因是由于頁巖填料自身的壓縮變形，頁巖作為填料時，在外荷載的作用下其顆粒發(fā)生位移。由于地基具有一定的承載力，地基沉降在路堤填筑初期時表現(xiàn)形式為類似彈性變形，但頁巖填料隨著路堤的逐漸填筑，其干密度較大并且自重大，這便使得地基土很快就進(jìn)入了強(qiáng)化階段，地基土體結(jié)構(gòu)有可能被路堤的自重破壞，土顆粒在路堤重力作用下重排形成新的結(jié)構(gòu)，而發(fā)生沉降變形。路基填筑后極易形成不均勻沉降，從而導(dǎo)致路基剪切、滑動破壞等現(xiàn)象，造成路基失穩(wěn)及震陷，影響公路工程路基強(qiáng)度以及穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

隨著中俄貿(mào)易往來頻繁，黑龍江省交通設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，在公路建設(shè)過程中將不可避免地途經(jīng)富含頁巖分布的區(qū)域，由于頁巖自身性質(zhì)的原因決定了其當(dāng)作路基填料必定將會有很多不足的地方?？扇绻麠壷挥玫脑挘粌H會導(dǎo)致其占用大量土地，浪費(fèi)寶貴的土地資源，同時還會對環(huán)境造成污染，更會增加公路建設(shè)成本。而且過多頁巖的棄渣，在暴雨季節(jié)還會引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅人民的人身安全。本文結(jié)合黑龍江省省道前進(jìn)至胡吉吐莫公路頁巖分布路段，針對頁巖作為建設(shè)材料在公路工程中會發(fā)生的病害形成機(jī)理進(jìn)行分析，充分掌握頁巖的特性及其危害，為公路工程修建提出的防治措施提供依據(jù)，大大提升黑龍江公路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，在節(jié)約土地資源、節(jié)約投資成本同時對可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。